動力電池管理系統大比拼,誰優誰劣?

今天繼續整理關於電池管理系統的資料。看完資料,不禁對特斯拉的電池管理系統豎起了大拇指,果真牛![牛]

沒有完美,只有取捨

在電池設計環節,廠商可以通過調整正極、負極和電解液的材料來達到不同的目的。不過,凡事都有取捨,完美電池並不存在。如果要強調安全性,那麼就要犧牲能量密度,如果要獲得重量方面的優勢,那麼就會導致更高的成本。總之,廠商需要在能量密度、安全性、重量、電壓水平、成本等方面做好平衡,一方面最大化自己選擇的優勢,另一方面又要優化電池系統的整體表現,提升屬性取捨所造成的短板。

在《價值爲錨》中提到,假如我們希望投資一個行業,就需要對其技術發展趨勢有所瞭解。隨着電動汽車的快速普及,電池管理系統也是產業鏈中的重要一環,下面我們就一起來見識特斯拉先進的電池管理系統。

剖析特斯拉的BMS

瑞銀的拆解實驗顯示,特斯拉的電池管理系統是當今最成熟的系統。得益於深度學習和人工智能的充分應用,特斯拉的BMS可以不斷獲得實際駕駛的大數據,然後對算法進行自我強化,從而使特斯拉電池組的續航時間相對更長。續航里程是目前電動汽車滲透率提升所面臨的主要問題,而特斯拉依靠領先的設計概念,在這一點上已顯露出差異化的競爭優勢。

特斯拉Model3的BMS具有以下五大物理特性

1、4416顆低容量的小電池支撐起75千瓦時的系統。使用大量小電芯的好處是:更易保持電池系統的整體穩定性;可增加對未來設計及材料變化的適應性;可彌補材料的負面屬性。下圖爲拆自Model 3 的電池包:

2、特斯拉自己研製的半導體和軟件是實現精確管理的關鍵要素。基於內部研發的技術,特斯拉可以對每一顆電芯進行溫度管理。

特斯拉研製的兩個芯片分別叫蝙蝠俠和羅賓漢,他們的具體功能依然是神祕的。但瑞銀推測,只有38針的羅賓漢負責收集數據,而擁有64針的蝙蝠俠負責處理羅賓漢送過來的數據、監測電池的充電狀態、管理電芯的平衡及統籌多系統的數據共享與合作。

3、採用兩階段法進行電芯平衡,這對串聯很重要。假如沒有電芯平衡技術,不同電芯的電量會出現較大的差異,在充電時,同一組電芯有的充滿至100%,而有的可能只充了60%,這時候爲避免繼續充電而造成溫度失控,就不得不停止充電,從而造成了容量的浪費。

而特斯拉一方面對大量的電芯進行篩選和分類,將質量相近的電芯捆綁在一起使用,另一方面採用了精確控制的電芯平衡技術,使得不同電芯組之間在並聯時的電壓差異只有2-3mV,相當於只有0.05-0.08%的偏差。通過這些努力,特斯拉的電池組不僅獲得了更高的利用效率,還具備了相對較低的衰減速度。

再說說兩階段的電芯主動平衡技術。實際上,蝙蝠俠與羅賓漢的CP組合並不是只有一對,而是擁有多對。首先,在每個模組的基板上都會有他們的身影,從而在模組層面實現精確控制。然後在高電壓控制面板上,蝙蝠俠與羅賓漢會再次發揮作用,使四個電池模組實現同步運作,進一步提高系統的穩定性。

4、NCA電池的弱點在於相對易燃性,但特斯拉通過使用不導熱材料以及嵌入溫度計的設計,降低了該弱點的影響。

5、特斯拉可以積累與BMS建設相關的所有數據,包括駕駛、充電、電池溫度、電池容量變動等。稍微懂一點深度學習和人工智能的朋友應該知道,這一點是多麼的重要。而且,電池是能力儲存及釋放的裝置,會循序一定的化學反應及物理定律,這些數據之間的關聯是可以被經驗數據所驗證的,因此特斯拉設計的BMS在未來仍具有很大的發展潛力。

五大特性帶來了以下六大優勢:

1、市面上的多數電動汽車,在使用的4至8年內,電池容量會下降至80%以下,但大多數特斯拉的產品仍能保持在90%以上。

上圖是特斯拉Model S用戶的電池使用數據圖,在行使10萬公里後,電池容量下降至90%-95%,行使20-30萬公里後,電池容量仍在90%以上。電池的容量雖然在衰減,但特斯拉的衰減率確實令人滿意。相比之下,日產Leaf的電池表現就差多了。由於電池包的不成熟設計(沒有液冷系統),Leaf電池的衰減速度是出了名的快。

2、特斯拉BMS的設計理念是允許出錯的,因此具有很高的風險容忍度。系統事先已假定電芯會以一定的速率出現故障,所以會最大限度利用大數據來維護和管理大量的電芯,導致即使有一定程度的電芯出現故障,對整體系統的影響也會很小。由於使用了大量的小電芯,從統計上看,更容易減少不可控的範圍。

特斯拉的車型比其他品牌的車型多出了10倍的電芯數量,同樣損壞一定數量的電芯,特斯拉的系統不痛不癢,而其他廠商的系統可能就崩潰了。在傳統的設計方法中,電芯的故障是“不可接受的”,因此他們會嚴格要求電池供應商的供貨質量,希望將故障率降至零。

3、基於BMS的設計框架,電池系統容量的增加可謂輕而易舉。特斯拉系統可使用相同的電池來滿足轎車、卡車、跑車、SUVs及其他類型汽車的需求,只需調整並聯和串聯的配置即可。

4、儘管NCA電池相對易燃,但依靠大數據的BMS可以防止金屬沉積的形成以及溫度的升高,從而使電芯容量的利用程度能夠接近極限水平。

5、在採用固態電池的情景下,差異化的電芯平衡技術將顯得更爲重要。Model3具備的技術,例如自行設計的控制芯片及軟件、兩階段電芯平衡管理,以後將產生更爲重要的作用。

6、特斯拉的精控軟件及硬件是自行研製的,而傳統的汽車生產商大多將其外包給軟件及半導體公司,這使得特斯拉更有能力應對未來市場的變化。

特斯拉的BMS可補償電芯設計的短板

1、不斷優化和升級。特斯拉的電芯無論在材料還是形狀,都在追求更高的能量密度,輔以先進的電池管理系統來彌補電芯設計的短板。事實上,特斯拉BMS的調整每天都在進行,並通過遠程管理進行升級。

2、人工智能算法的優勢或將擴大。特斯拉將與亞馬遜合建一座4.8MWh的儲能系統,屆時特斯拉將獲得爲CPUs、DRAMs、空調等電子元件供電的大數據。特斯拉已經擁有利用人工智能來管理大型數據中心的豐富經驗,結合即將獲得的更高量級的數據,特斯拉可以輕鬆獲得關於新想法的算法,或是僅通過汽車行駛數據無法獲得的先進技術。

3、電池利用效率仍有提升空間。隨着特斯拉BMS精控管理能力的提升,有望通過降低安全裕度來實現電池組容量的提升。事實已證明,特斯拉有能力通過軟件的管理來控制汽車的可用容量。例如在去年9月的佛羅里達颶風來臨時,特斯拉爲車主提升了電容15千瓦時,可額外行駛48公里的里程。

特斯拉電池包的弱點

上面說了許多特斯拉BMS的厲害之處,但其弱點也是十分明顯的。

1、電芯的安全性相對較差。特斯拉使用的NCA電芯更易燃,這是無法否認的。過去,Model S和 Model X都發生過多起燃燒事故。事實證明,火勢一旦蔓延到電池包,燃燒很容易就會加劇。因爲電池裏充滿了液態的乙二醇,這是容易導熱的材料。不過,在新款的Model 3中,所有的電芯都用阻燃材料做了固定,相比過往的Model S和 Model X而言,變得更難燃燒。

2、模組更換成本高。一般而言,在並聯電路中,壞一些電芯並不會影響電池包的整體性能,但如果是模組損壞了,更換模組的成本會比Bolt更貴一些。因爲Bolt有10個模組,而特斯拉只有4個模組。

3、有瞬間失控的風險。特斯拉擁有卓越的電力控制技術,能夠將所有數據聚合,並優化整個系統的運作表現。但問題是,電力控制系統也是需要電力供應的。一旦出現短暫的電力缺失,電力控制系統有可能不能及時激活,從而使安全保護和溫度控制的功能失效。

4、網絡安全風險。隨着汽車通信網絡的普及,惡意軟件和病毒所帶來的風險也會增加。這些程序可能有機會重寫電池管理系統的程序,通過停用功能、突然改變電池容量來導致電池變形或着火。

雪佛蘭的Bolt又如何?

Bolt的BMS與特斯拉相比,有六個方面的差異值得注意

1、特斯拉的芯片是自行設計的,而Bolt的芯片卻是外購的。例如,Bolt BMS中監控電壓及溫度的芯片是LG化學設計的,然後交由半導體製造商ST微電子生產。自行設計的產品可以有更好的適應性及更快速的調整能力。

2、Model 3擁有18個BMS MCUs,而Bolt有25個。通過估算,Model 3的BMS MCUs價值72美元一個,而Bolt使用的MCUs價值84美元一個,差別不大。不過不排除特斯拉的成本更高,因爲專利費用沒有包含在估算模型內。

3、Model 3的電芯平衡採用兩階段法,而Bolt只有一個階段。由於Bolt只有單階段的電芯平衡,如果增加電池容量,則容易會造成電芯平衡精確度的失衡,從而帶來更快的衰減速度。

4、特斯拉的BMS是分佈式的,而Bolt的BMS是集中式的。特斯拉爲了保險起見,安裝了兩個BMS的控制芯片,即使一個出現了故障,整個系統依然能夠正常運作。而集中式的BMS可能會有較低的抗風險能力。

綜合而言,特斯拉的BMS確實非常優秀。



刺蝟偷腥
2018年12月10日
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