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干货|特斯拉锂电电池热燃料解析

2018-01-06 20:37:15 来源:哈密之窗 标签:电池 燃料 温度

  原标题:干货|特斯拉电动汽车电池热管理系统解析Tesla目前推出了两款电动汽车,Roadster和ModelS,目前收集到的Roadster的资料较多,因此本文重点分析的是Roadster的电池管理系统,当时,欧美日这三大汽车生产集团对新能源汽车的发展方向有较大的分歧,比如美国主推“氢经济”(和),日本则是把产业化重点放在自然吸气技术和HEV,将燃料电池汽车作为战略研究方向,电池管理系统(BatteryManagementSystem,BMS)的主要任务是保证电池组工作在安全区间内,提供车辆控制所需的必需信息,在出现异常时及时响应处理,并根据环境温度、电池状态及车辆需求等决定电池的充放电功率等,实事求是而言,西方主流汽车生产商当时都不认为锂电纯电动汽车具有可行性,本文将重点分析电池热管理系统(BatteryThermalManagementSystem,BTMS)。

  欧美之所以一开始就选择燃料电池而不是,在笔者看来,主要是基于三个方面的原因,首先,锂离子电池的温度水平直接影响其使用中的能量与功率性能,而当时锂离子电池动力电池的研究才刚刚开始而已,性能并不理想而远未达到实际装车条件,其次,锂离子电池的热相关问题直接影响电池的安全性。

  长期不重视,造成了欧洲和北美缺乏规模化的锂电企业,锂电产业链也一直没能建立起来,而欧美在燃料电池领域拥有绝对优势地位,另外,锂离子电池的工作或存放温度影响其使用寿命,那么,欧美当初选择发展氢能和燃料电池而不是锂离子电池,也是合乎逻辑的,动力电池的大型化使得其表面积与体积之比相对减小,电池内部热量不易散出,更可能出现内部温度不均、局部温升过高等问题,从而进一步加速电池衰减,缩短电池寿命,增加用户的总拥有成本。

  通用汽车(GM)是全球第一轮“氢经济”浪潮的领头羊,GM很早就有电动汽车研发经验,全球首辆燃料电池汽车ChevroletElectrovan(AFC-EV)就是GM在1966年首先制造出来的,热管理系统的主要功能包括:1)在电池温度较高时进行有效散热,防止产生热失控事故;2)在电池温度较低时进行预热,提升电池温度,确保低温下的充电、放电性能和安全性;3)减小电池组内的温度差异,抑制局部热区的形成,防止高温位置处电池过快衰减,降低电池组整体寿命,GM在燃料电池催化剂、MEA以及电堆系统的基础研究方面都有相当的积累,在FC-EV整车方面的实力则与Toyota不相上下,车载电池组由6831节18650型锂离子电池组成,其中每69节并联为一组(brick),再将9组串联为一层(sheet),最后串联堆叠11层构成。

  其中Daimler-Benz和Ford还参股Ballard18%和20%的股份,图1.(a)是一层(sheet)内部的热管理系统,第一代FC-EV技术,主要特征是燃料电池功率密度可以满足汽车动力要求,寿命在2000~3000小时范围,但同时成本也非常高,图1.(b)是冷却管道的结构示意图。

  于是2018年奥巴马当选美国总统以后,美国政府在新能源和电动汽车的战略方向就从氢能和燃料电池转向了锂离子电池,这也就是当前的第二轮电动汽车产业化热潮,只不过动力系统的技术路线从燃料电池转换到了锂离子电池,为了防止冷却液流动过程中温度逐渐升高,使末端散热能力不佳,热管理系统采用了双向流动的流场设计,冷却管道的两个端部既是进液口,也是出液口,如图1(d)所示,比如DOE这几年就削减了燃料电池技术在汽车领域的研发项目资助,仅保留了燃料电池在固定式发电领域及商用叉车项目资助,图1.Roadster的电池热管理系统示意图通过上述热管理系统,Roadster电池组内各单体电池的温度差异控制在±2°C内。

  只有日本车企一直在坚持,最终日本燃料电池汽车技术跟HEV电动汽车一样,再次引领国际技术前沿,上述结果的取得依赖电池热管理系统的有力支撑,如果我们了解过去15年欧美在电动汽车技术路线上的转变,就会对当今全球电动汽车的发展现状和趋势有更加深刻的认识,电池组由192节33.1Ah的层叠式锂离子电池组成。

  而日本的情况则决然不同,由于在二次电池和燃料电池两大产业链上同时居于全球领先地位,使得日本一直是全球电动汽车的领头羊,电池组采用密封设计,外界不通风,内部也无液冷或空冷的热管理系统,但寒冷地区有加热选件,Tesla之后通过跟松下的合作获取了相当的锂电生产技术,而决定建立Gigafactory解决电池供应的问题,电池组的寿命保证期是8年或16万公里。

  GM在1996-1999年还生产过北美第一款量产型纯电动车EV1(铅酸电池车),不过后来以失败告终,电池组的电气连接可等效为96片单体串联成组,3组并联,不过GM并没有放弃FC-EV,新一代Hydrogen4据称将于今年年底上市,单体电池间间隔布置了金属散热片(厚度为1mm),散热片上刻有流道槽。

  欧洲:德国是欧洲汽车工业的领头羊,欧洲诸多车企也只有VW、BMW和Daimler-Benz三家能够独立在电动汽车方面展开研发和生产,而这三家车企早期走的都是燃料电池路线,而这与德国强大的燃料电池产业基础是直接相关的,在低温环境下,加热线圈可以加热冷却液使电池升温,VW在燃料电池方面主要是与加拿大Ballard公司合作,去年VW在洛杉矶车展上展示了燃料电池版的AudiA7、Golf以及Passat,这三款车型均采用VW与Ballard合作开发的第四代100KW级PEMFC电池组,VW目前正在发展第五代燃料电池系统,定位是高端车系,TeslaRoadster相对于其他电动汽车在热管理上的特点从上述分析可以看到,TeslaRoadster在热管理系统上远比其他电动汽车要复杂。

  鉴于中国市场的压力,VW近年来加大了锂电纯电动车的投入,但是从整体上看VW仍然是燃料电池和锂电纯电动车双面下注,但是,又有一个新问题出来了:既然LEAF和Volt采用大容量的层叠式锂离子电池匹配较简单的热管理系统也能实现设计目标,为什么Tesla还要采用18650电池和复杂的电池管理系统?笔者认为有如下原因:a.18650电池的优点:18650电池已经广泛地应用在消费类电子产品中,生产厂商已经积累了大量的技术经验用于控制成本,提高性能(特别是安全性、一致性等),氢能方面主要是燃料电池和氢气内燃机,b.Tesla的相对优势:在所有的电动汽车制造商中,Tesla是很神奇的一家。

  但BMW对二次电池和燃料电池都没有很深入的认识和技术储备,所以我们看到BMW目前在i系列电动汽车上是三驾马车,i3是锂电纯电动车而i5和i8都是PHEV,中国的比亚迪是从电池起家,转而生产电动汽车;日本的日产是传统的汽车厂商,后来与NEC合作开发电池,进入电动汽车市场,BMW是双面下注的典型代表,潜台词则是因为在锂电和FC方面都不掌握关键技术心里完全没底,在Tesla的技术团队中,偏向电子、电工方向的工程师应该是占多数的,因此开发电池管理系统难度远低于开发电池(偏向材料、化学)或者底盘(偏向机械)等。

  数年前Daimler-Benz也开始专注于PHEV,最近还“宣称”要推出一款跟TeslaModelS相抗衡的纯电动跑车,我真的不知道为什么18650会引起那么多争议,没有人会在乎你油箱的形状和大小,但是在电动车上用什么形状和大小放入电化学能量却引起这么多的争议,之后,2018年Daimler-Benz宣布将建立一家锂电Pack厂(经证实之前传闻建立电池厂是由于记者不专业翻译所致),用以保障未来车用锂离子电池组的供应,目前我们的电池实际上是深度定制的,我们和松下一起做了大量的客户定制工作。

  日韩:由于日本同时在二次电池和燃料电池两大产业链上同时居于全球领先地位,使得日本一直都是全球电动汽车的领头羊,这是我们不得不承认的现实,我们之所以使用18650这样形状和大小的电池主要是出于生产和成本效率方面的考虑,任何一种大电池都满足不了我们需要的价格水平。

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