沒(méi)有完美，只有取舍

在電池設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，廠(chǎng)商可以通過(guò)調(diào)整正極、負(fù)極和電解液的材料來(lái)達(dá)到不同的目的。不過(guò)，凡事都有取舍，完美電池并不存在。假如要強(qiáng)調(diào)安全性，那么就要犧牲能量密度，假如要獲得重量方面的優(yōu)勢(shì)，那么就會(huì)導(dǎo)致更高的成本。總之，廠(chǎng)商要在能量密度、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(yōu)勢(shì)，另一方面又要優(yōu)化電池系統(tǒng)的整體表現(xiàn)，提升屬性取舍所造成的短板。

剖析特斯拉的BMS

瑞銀的拆解實(shí)驗(yàn)顯示，特斯拉的電池管理系統(tǒng)是當(dāng)今最成熟的系統(tǒng)。得益于深度學(xué)習(xí)和人工智能的充分應(yīng)用，特斯拉的BMS可以不斷獲得實(shí)際駕駛的大數(shù)據(jù)，然后對(duì)算法進(jìn)行自我強(qiáng)化，從而使特斯拉電池組的續(xù)航時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)。續(xù)航里程是目前電動(dòng)汽車(chē)滲透率提升所面對(duì)的重要問(wèn)題，而特斯拉依靠領(lǐng)先的設(shè)計(jì)概念，在這一點(diǎn)上已顯露出差異化的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

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(shí)的系統(tǒng)。使用大量小電芯的好處是：更易保持電池系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性；可新增對(duì)未來(lái)設(shè)計(jì)及材料變化的適應(yīng)性；可彌補(bǔ)材料的負(fù)面屬性。下圖為拆自Model3的電池包：

2、特斯拉自己研制的半導(dǎo)體和軟件是實(shí)現(xiàn)精確管理的關(guān)鍵要素。基于內(nèi)部研發(fā)的技術(shù)，特斯拉可以對(duì)每一顆電芯進(jìn)行溫度管理。

特斯拉研制的兩個(gè)芯片分別叫蝙蝠俠和羅賓漢，他們的具體功能依然是神秘的。但瑞銀推測(cè)，只有38針的羅賓漢負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)，而擁有64針的蝙蝠俠負(fù)責(zé)處理羅賓漢送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)電池的充電狀態(tài)、管理電芯的平衡及統(tǒng)籌多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享與合作。

3、采用兩階段法進(jìn)行電芯平衡，這對(duì)串聯(lián)很重要。假如沒(méi)有電芯平衡技術(shù)，不同電芯的電量會(huì)出現(xiàn)較大的差異，在充電時(shí)，同一組電芯有的充滿(mǎn)至100%，而有的可能只充了60%，這時(shí)候?yàn)榉乐估^續(xù)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(fèi)。

而特斯拉一方面對(duì)大量的電芯進(jìn)行篩選和分類(lèi)，將質(zhì)量相近的電芯捆綁在一起使用，另一方面采用了精確控制的電芯平衡技術(shù)，使得不同電芯組之間在并聯(lián)時(shí)的電壓差異只有2-3mV，相當(dāng)于只有0.05-0.08%的偏差。通過(guò)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(duì)較低的衰減速度。

再說(shuō)說(shuō)兩階段的電芯主動(dòng)平衡技術(shù)。實(shí)際上，蝙蝠俠與羅賓漢的CP組合并不是只有一對(duì)，而是擁有多對(duì)。首先，在每個(gè)模組的基板上都會(huì)有他們的身影，從而在模組層面實(shí)現(xiàn)精確控制。然后在高電壓控制面板上，蝙蝠俠與羅賓漢會(huì)再次發(fā)揮用途，使四個(gè)電池模組實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)作，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4、NCA電池的弱點(diǎn)在于相對(duì)易燃性，但特斯拉通過(guò)使用不導(dǎo)熱材料以及嵌入溫度計(jì)的設(shè)計(jì)，降低了該弱點(diǎn)的影響。

5、特斯拉可以積累與BMS建設(shè)相關(guān)的所有數(shù)據(jù)，包括駕駛、充電、電池溫度、電池容量變動(dòng)等。稍微懂一點(diǎn)深度學(xué)習(xí)和人工智能的朋友應(yīng)該了解，這一點(diǎn)是多么的重要。而且，電池是能力儲(chǔ)存及釋放的裝置，會(huì)循序一定的化學(xué)反應(yīng)及物理定律，這些數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)是可以被相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)所驗(yàn)證的，因此特斯拉設(shè)計(jì)的BMS在未來(lái)仍具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

五大特性帶來(lái)了以下六大優(yōu)勢(shì)：

1、市面上的多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)，在使用的4至8年內(nèi)，電池容量會(huì)下降至80%以下，但大多數(shù)特斯拉的產(chǎn)品仍能保持在90%以上。

上圖是特斯拉ModelS用戶(hù)的電池使用數(shù)據(jù)圖，在行使10萬(wàn)公里后，電池容量下降至90%-95%，行使20-30萬(wàn)公里后，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(shí)令人滿(mǎn)意。相比之下，日產(chǎn)Leaf的電池表現(xiàn)就差多了。由于電池包的不成熟設(shè)計(jì)（沒(méi)有液冷系統(tǒng)），Leaf電池的衰減速度是出了名的快。

2、特斯拉BMS的設(shè)計(jì)理念是允許出錯(cuò)的，因此具有很高的風(fēng)險(xiǎn)容忍度。系統(tǒng)事先已假定電芯會(huì)以一定的速率出現(xiàn)故障，所以會(huì)最大限度利用大數(shù)據(jù)來(lái)維護(hù)和管理大量的電芯，導(dǎo)致即使有一定程度的電芯出現(xiàn)故障，對(duì)整體系統(tǒng)的影響也會(huì)很小。由于使用了大量的小電芯，從統(tǒng)計(jì)上看，更容易減少不可控的范圍。

特斯拉的車(chē)型比其他品牌的車(chē)型多出了10倍的電芯數(shù)量，同樣損壞一定數(shù)量的電芯，特斯拉的系統(tǒng)不痛不癢，而其他廠(chǎng)商的系統(tǒng)可能就崩潰了。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，電芯的故障是“不可接受的”，因此他們會(huì)嚴(yán)格要求電池供應(yīng)商的供貨質(zhì)量，希望將故障率降至零。

3、基于BMS的設(shè)計(jì)框架，電池系統(tǒng)容量的新增可謂輕而易舉。特斯拉系統(tǒng)可使用相同的電池來(lái)滿(mǎn)足轎車(chē)、卡車(chē)、跑車(chē)、SUVs及其他類(lèi)型汽車(chē)的需求，只需調(diào)整并聯(lián)和串聯(lián)的配置即可。

4、盡管NCA電池相對(duì)易燃，但依靠大數(shù)據(jù)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、在采用固態(tài)電池的情景下，差異化的電芯平衡技術(shù)將顯得更為重要。Model3具備的技術(shù)，例如自行設(shè)計(jì)的控制芯片及軟件、兩階段電芯平衡管理，以后將出現(xiàn)更為重要的用途。

6、特斯拉的精控軟件及硬件是自行研制的，而傳統(tǒng)的汽車(chē)生產(chǎn)商大多將其外包給軟件及半導(dǎo)體公司，這使得特斯拉更加有能力應(yīng)對(duì)未來(lái)市場(chǎng)的變化。

特斯拉的BMS可補(bǔ)償電芯設(shè)計(jì)的短板

1、不斷優(yōu)化和升級(jí)。特斯拉的電芯無(wú)論在材料還是形狀，都在追求更高的能量密度，輔以先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)來(lái)彌補(bǔ)電芯設(shè)計(jì)的短板。事實(shí)上，特斯拉BMS的調(diào)整每天都在進(jìn)行，并通過(guò)遠(yuǎn)程管理進(jìn)行升級(jí)。

2、人工智能算法的優(yōu)勢(shì)或?qū)U(kuò)大。特斯拉將與亞馬遜合建一座4.8MWh的儲(chǔ)能系統(tǒng)，屆時(shí)特斯拉將獲得為CPUs、DRAMs、空調(diào)等電子元件供電的大數(shù)據(jù)。特斯拉已經(jīng)擁有利用人工智能來(lái)管理大型數(shù)據(jù)中心的豐富相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合即將獲得的更高量級(jí)的數(shù)據(jù)，特斯拉可以輕松獲得有關(guān)新想法的算法，或是僅通過(guò)汽車(chē)行駛數(shù)據(jù)無(wú)法獲得的先進(jìn)技術(shù)。

3、電池利用效率仍有提升空間。隨著特斯拉BMS精控管理能力的提升，有望通過(guò)降低安全裕度來(lái)實(shí)現(xiàn)電池組容量的提升。事實(shí)已證明，特斯拉有能力通過(guò)軟件的管理來(lái)控制汽車(chē)的可用容量。例如在去年九月的佛羅里達(dá)颶風(fēng)來(lái)臨時(shí)，特斯拉為車(chē)主提升了電容15千瓦時(shí)，可額外行駛48公里的里程。

特斯拉電池包的弱點(diǎn)

上面說(shuō)了許多特斯拉BMS的厲害之處，但其弱點(diǎn)也是十分明顯的。

1、電芯的安全性相對(duì)較差。特斯拉使用的NCA電芯更易燃，這是無(wú)法否認(rèn)的。過(guò)去，ModelS和ModelX都發(fā)生過(guò)多起燃燒事故。事實(shí)證明，火勢(shì)一旦蔓延到電池包，燃燒很容易就會(huì)加劇。因?yàn)殡姵乩锍錆M(mǎn)了液態(tài)的乙二醇，這是容易導(dǎo)熱的材料。不過(guò)，在新款的Model3中，所有的電芯都用阻燃材料做了固定，相比過(guò)往的ModelS和ModelX而言，變得更難燃燒。

2、模組更換成本高。一般而言，在并聯(lián)電路中，壞一些電芯并不會(huì)影響電池包的整體性能，但假如是模組損壞了，更換模組的成本會(huì)比Bolt更貴一些。因?yàn)锽olt有10個(gè)模組，而特斯拉只有4個(gè)模組。

3、有瞬間失控的風(fēng)險(xiǎn)。特斯拉擁有卓越的電力控制技術(shù)，能夠?qū)⑺袛?shù)據(jù)聚合，并優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作表現(xiàn)。但問(wèn)題是，電力控制系統(tǒng)也是要電力供應(yīng)的。一旦出現(xiàn)短暫的電力缺失，電力控制系統(tǒng)有可能不能及時(shí)激活，從而使安全保護(hù)和溫度控制的功能失效。

4、網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)的普及，惡意軟件和病毒所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)新增。這些程序可能有機(jī)會(huì)重寫(xiě)電池管理系統(tǒng)的程序，通過(guò)停用功能、突然改變電池容量來(lái)導(dǎo)致電池變形或著火。

雪佛蘭的Bolt又如何？

Bolt的BMS與特斯拉相比，有六個(gè)方面的差異值得注意：

1、特斯拉的芯片是自行設(shè)計(jì)的，而B(niǎo)olt的芯片卻是外購(gòu)的。例如，BoltBMS中監(jiān)控電壓及溫度的芯片是LG化學(xué)設(shè)計(jì)的，然后交由半導(dǎo)體制造商ST微電子生產(chǎn)。自行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可以有更好的適應(yīng)性及更快速的調(diào)整能力。

2、Model3擁有18個(gè)BMSMCUs，而B(niǎo)olt有25個(gè)。通過(guò)估算，Model3的BMSMCUs價(jià)值72美元一個(gè)，而B(niǎo)olt使用的MCUs價(jià)值84美元一個(gè)，差別不大。不過(guò)不排除特斯拉的成本更高，因?yàn)閷?zhuān)利費(fèi)用沒(méi)有包含在估算模型內(nèi)。

3、Model3的電芯平衡采用兩階段法，而B(niǎo)olt只有一個(gè)階段。由于Bolt只有單階段的電芯平衡，假如新增電池容量，則容易會(huì)造成電芯平衡精確度的失衡，從而帶來(lái)更快的衰減速度。

4、特斯拉的BMS是分布式的，而B(niǎo)olt的BMS是集中式的。特斯拉為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，安裝了兩個(gè)BMS的控制芯片，即使一個(gè)出現(xiàn)了故障，整個(gè)系統(tǒng)依然能夠正常運(yùn)作。而集中式的BMS可能會(huì)有較低的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

綜合而言，特斯拉的BMS確實(shí)非常優(yōu)秀。