特斯拉电源管理系统和快速充电技术的研究综述

谢靖飞　谢泽川　郭一祺　吴福慧　郭兵

(东莞理工学院　化学与环境工程学院，广东东莞　523808)



特斯拉电源管理系统和快速充电技术的研究综述

谢靖飞谢泽川郭一祺吴福慧郭兵*

(东莞理工学院化学与环境工程学院，广东东莞523808)

特斯拉电动车的核心是其先进的锂电池成组技术及其电池管理系统，由此实现了续航里程和安全性的飞跃。特斯拉采用工业化程度高、相对成熟的电池组单元。其技术优势在于：稳定可靠、动力性能卓越，续航里程最高可达480 km。这有助于解决续航焦虑问题，也对快速充电技术提出了更高的要求。而特斯拉Model S电动汽车最大的电池容量为85 kWh，由7 000多颗18 650电池提供电量支持。如此大的电池容量，必须有更快的充电速度与之相匹配。对特斯拉的电池管理系统和快速充电技术进行简要的分析，并展望未来电动汽车技术的前景。

特斯拉电动汽车；电池管理系统；快速充电技术

特斯拉汽车的成功在于其先进的电池管理系统。自上个世纪90年代以来，锂离子电池在手机、笔记本电脑，电动工具等小型便携电子设备中取得前所未有的成功，因为它表现出多方面的技术优势。但是，将锂离子电池扩展到电动汽车等大型动力设备时却遇到了障碍。公认的事实是：在大电流放电时，锂离子电池的性能大打折扣；即锂离子电池不适合作为大型设备的动力电池，除非开发新型电极材料以提高大电流放电能力。当时普遍认为，电动汽车的核心技术问题，在于研发新型电极材料，以及由此构筑全新的动力电池系统。然而这种观念束缚了人们的思维，延缓了电动汽车行业前进的步伐，因为寻找全新的革命性的替代型电极材料是一个漫长的过程。许多汽车厂商对发展纯电动汽车持观望的态度：他们一方面关注新型电池材料的研发，另一方面仍将大部分人力、物力、财力投入到传统燃油汽车上，也有一些厂商大力推动混合动力汽车，后者的目标在于在燃油汽车上实现节油，而不是用纯电动汽车完全替代燃油汽车。

特斯拉以其独特的思维，开辟了电动汽车的市场化之路；它没有把注意力放在新型电池的研发上，而是采用性能稳定可靠、已经通过市场考验的普通18650型电芯，通过先进的电源管理，将电池的潜力发挥到极致，实现行业的突破。目前，特斯拉成为市场化最为成功的电动汽车，也无可争议的成为电动汽车的代表。

1　特斯拉电池管理系统概述

特斯拉的电源系统采用分级管理，以第一款电动汽车Roadster跑车为例，其电源系统，如图1所示[2]：

1)69节电池构成一个Brick，每个Brick中的电池全部并联；

2)9个Brick构成一个Sheet，每个Sheet中的9个Brick串联；

3)11个Sheet再串联，构成整个电池包；

计算：69×9×11=6 831。整个电池包的输出电压达到375 V。在电池包中，Sheet是最小的可更换单元。如果系统检测到某颗电池出了问题，只要将包含这颗电池的Sheet进行更换。对于每一个层级都要进行监控，于是每颗电芯的两端均设置有保险丝，一旦这颗电芯过热或电流过大则立刻融断，断开输出。每个Brick的两端、每个Sheet的两端也都设置有保险丝，一旦电流过大则立刻融断。仅仅有保险丝还不够，在每个Sheet的层面上，均设置有BMB (Battery Monitor Board，即电池监控面板)，用以监控Sheet内的每个Brick的电压，温度以及整个Sheet的输出电压。在电池包层面，设置有BSM (Battery System Monitor，电池监控系统)，用以监控整个电池包的工作环境，包括电流、电压、温度、湿度、方位、烟雾等。在车辆层面，设置有VSM (Vehicle System Monitor，整车监测系统)，用以监控BSM。

图1　特斯拉电池包组装示意图

电池管理系统 (Battery Management System, BMS)[3]的主要任务是保证电池组工作在安全的环境区间，提供车辆控制所需信息，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。BMS的主要功能有电池参数监测、电池状态估计、在线故障诊断、充电控制、自动均衡、热管理等。本文主要讨论电池的充电控制问题。

在特斯拉的专利中[4]有很多奇妙的设计，比如下面这个把风能变成电能的专利设计，如图2所示。通过这套装置，可以把行驶中、迎面而来的风能转化成电能，然后“回充”进电池内储存起来。

图2　特斯拉的风能转换装置示意图

2　独特的充电插头

特斯拉充电枪的设计也非常与众不同。电动汽车行业对充电抢的要求非常严格，在充电枪使用前，要经过100多项测试，包括防风、防沙、防水、防寒、耐热等各项性能，还要经受耐腐蚀测试，各项性能都合格后，才能投入使用。因为充电连接口一旦漏电，很可能就会危及生命安全。

在电动汽车充电时，人们希望充电时间越短越好——如果能像燃油汽车开进加油站瞬时完成能量补给是最理想的效果。但是对于电池组来说，短时间内完成巨大的充电容量，会导致温度急剧上升，这是非常危险的。现在特斯拉开发的超级充电桩，20 min可以充进一半的电量 (可行驶超过200 km)，80 min就可以把电量充满，这种充电速度，是别的电动汽车望尘莫及的。

特斯拉是如何能做到这些的呢？特别设计的充电枪，是其中的关键技术之一——充电枪内置感应器，可以感应车内电池状态的变化，但这远远不是全部。

图3　特斯拉充电枪

这种快速充电过程，是特斯拉核心技术的缩影：当使用超级充电桩充电时，充电枪内置的感应器会随时检测车内电池的温度变化，如果电池温度过高，充电枪就立即发出信号，减低充电强度，使电池温度降低；同时，电池板内的冷却系统，也同步做出相应的反应使冷却力度加强。也就是说，充电枪好像是长着“神经”一样，能感知车内电池的温度变化，并能根据电池温度高低，自动调节充电强度。即这个看似简单的充电过程，是充电枪、电池冷却系统、以及充电桩的电流高度协同工作的结果。

特斯拉在美国的300项核心专利，绝大多数都是关于电池冷却系统，充电模式，还有电池板结构，总之都与电源管理有关，这也是特斯拉技术最核心的部分。

每辆特斯拉的几千颗电池在各个层面都内置了感应器和芯片，即时监控电池的状态变化，遇到意外情况，能在几毫秒内关闭电池；充电枪也内置感应器，能和车内的电池管理系统形成“良好互动”。基于这样的技术优势，特斯拉联合创始人J. B. Strubal信心满满地说，未来特斯拉的充电时间可以减少到5～10 min[5]。

3　充电方法

电动汽车的充电方法可以划分为普通充电，快速充电以及机械充电[6]。其中，普通充电方法包含恒流恒压充电、变电流间歇充电；快速充电方法则包括：脉冲充电和智能充电；而所谓的机械充电并不是真的充电，而是电池组的快速更换。

恒流恒压充电方法一般分为预充电、恒流充电和恒压充电三个阶段[7]，是一种经典的充电方法，首先采用恒流方式充电，然后采用恒压方式充电，结构简单、控制方便，但是这种方法无法消除强烈的电池极化，充电效率较低。

变电流间歇充电：在限定电池最高充电电压情况下，采用电流分段减小的间歇方式对电池充电，增大充电电流、缩短充电时间，这种方法充分利用电池自身的特性，能够在短时间内充入很大的容量，一定程度上保证了电池的循环寿命，但充电后期，充电速度仍然较慢。

脉冲充电：颠覆了传统方式对最佳充电曲线的限制，一般采用大电流脉冲式充电，停冲间歇消除电池极化现象。但是为了保证电池温度不至于过高，前期的恒流充电电流一般较小，速度仍然比较慢。

智能充电：采用智能控制算法，根据电池状态自动跟踪电池的最佳充电电流曲线，电池温度变化小、充电时间短，但是对于算法的设计和测量精度要求较高。

对于锂离子电池来说，控制充电电流接近最佳充电曲线能够提高充电效率、减小对电池的损害[8]。同时在保证电池寿命不受影响的情况下，提高充电电流、并采用适当的方法消除电池极化，以加快充电速度。

特斯拉为Model S提供多种充电方式，最低充电功率也达到10 kW，这意味着普通的家用电源根本无法满足其充电需要。于是，特斯拉发明了一系列用于快速充电的优化方法及装置。可变电流充电系统是特斯拉独创的快速充电方式，它采用三段式充电[9]，以最快的速度把电池完全充满。最快时，相当于3秒充满6芯笔记本电池。

第一阶段：小电流预充电。接通电源后检查电池状态，如果每颗电池的端电压小于最低充电门限电压2.5 V，说明电池已存在一定程度的过放；此时如果立刻进行大电流充电会破坏电池内部的化学材料。系统会选择0.1 C的倍率进行涓流预充电，让电池的化学特性逐渐恢复，电压慢慢提高，当电池电压达到门限电压后，进入下一个充电阶段。

第二阶段：分段恒流充电。当电池电压介于最低门限电压与上限电压 (4.2 V 左右) 之间时，采用分段恒流方法对电池充电。首先以较大电流充电，此时电池电压迅速上升，然后一段时间后适当减小充电电流继续充电，经过多次分段减小的恒流充电之后，电压将达到上限 (4.2 V 左右)，而且容量接近 80 %，此时分段恒流充电结束。

第三阶段：大电流脉冲充电。在电池的电压达到上限值以后，电池内部的极化逐渐增强，此时采用 1C倍率的大电流脉冲式充电。大电流脉冲使电池电压迅速上升，停冲期则为电池内部的化学反应提供了缓冲，将极化降到最低，使紧随的下个脉冲得以顺利进行，随着脉冲充电的进行，电池逐渐被充满。虽然并非连续的全时充电，但是由于充电电流增大，相比于传统的分段式充电，充电效率大大提高。

特斯拉还申请了电池充电时间优化的专利。在外接电源能量有限的情况下，优先为电池系统充电，而能量充足时，再兼顾其他附属机构 (如电池冷却系统) 的用电需要[10]。

4　充电途径

为了保持顺利获得充电，目前特斯拉提供三种充电途径：移动充电包、高能充电桩和超级充电桩[11]。

所谓移动充电包，就是一条充电线，使用普通的家用电源插口进行，比较方便，但这种方式的充电速度非常缓慢。美国本土电压是110 V，每小时充入的电量可以让汽车行驶16 km左右。

如果用户有固定车位，可以选择特斯拉的Wall Connector高能充电桩，它在单充电模式下最大输出为240 V/40 A，充电速度比普通家用接口速度更快，每小时充入的电量可以让Model S续航46 km。而在双充电模式下可以输出240 V/80 A，每小时充电保证行驶 93 km。所谓双充电模式，就是两个充电单元，其中一个是原车自带，另外一个则需要用户付费选装。它的作用和效果很简单，就是增加了一个充电通道，充电速度提升为原来的两倍，这比普通电源插座快得多了，基本一个晚上就能将车辆充满电。

第三种充电方式是公共超级充电桩。超级充电桩输出电压为380 V，电流接近200 A，每小时充电供给续航350 km。每个充电站的输出电流都是恒定的，只有一辆车充电时，它可以享受充电站70 %的电流额度；当充电的车辆数量增加时，电流会平均分配到每辆车上。充电速度可能下降到每小时充电续航96 km左右。

目前特斯拉的超级充电桩，代表了世界上最先进的充电技术。特斯拉承诺，用户将永久获得免费充电的服务。随着特斯拉充电技术的更新换代，充电速度变得更快，充电时间相对之前减少了30 %，充满一半的电量只需20 min，这一充电速度是普通电动车的20倍。而一辆60 kWh电池组的Model S充满电可以续航368 km。

除了自营的快速服务站外 (提供120 kW直流电)，特斯拉还采用所谓“机械充电”来解决充电时间过长的问题，也就是90 s快速更换电池组。这项技术2014年12月首次开放对外运营，首个更换电池站点在洛杉矶到旧金山的某处公路旁投入使用。

具体操作如下：当Model S在充电站停稳，地底下的一扇门开启，从下面升起一个升降台将Model S车底下那块巨大的电池包上的39颗固定螺丝解开，再把这个重达590 kg处于低电状态的电池包从地底下运走，取而代之的是另一个充满电的电池包，然后重复以上动作快速安装。整个过程仅需90 s。其中，所有涉及到的机械运作都是靠液压或电力驱动。尽管有许多优点，但这种机械充电模式在应用层面面临的最大障碍不是技术，而是管理，其中要解决的主要问题是电池与电动汽车的标准化、充电站的建设和管理、以及电池包的流通管理等。

5　无线充电技术

虽然充电技术已经处于领先，但特斯拉并没有止步于此。对电动汽车的电池包而言，最理想的情况是能在行驶的路上进行充电。无线充电技术在未来大有作为。这种灵活的移动充电方案或许将成为解决当今电动汽车面临的“续航焦虑”问题的最终选择。

图4　无线充电装置

由美国业者Evatran开发的Plugless无线充电系统，采用电感 (Inductive) 技术为车辆进行无线充电；它们的思路是在车辆底盘安装转接器Vehicle Adaptor，当它与装置在地面的平台Parking Pad对准时，充电系统就被唤醒，并自动透过功率水平与Level 2充电器相当的气隙 (Air Gap) 传送能量[12]，如图所示。

除了为特斯拉Model S后驱车型提供无线充电设备，Plugless还向Model S四驱车型提供适配的无线充电方案。Plugless的感应电力系统可以在10 cm距离的情况下实现无线充电。充电功率7.2 kW，相当于充电一小时行驶32 km。

无线充电技术源于无线电力输送。当前，电动汽车无线充电方式大致分为三种：1)已应用于消费类电子产品等的电池感应方式；2)可向数米外供电的磁共振方式；3)低成本的微波方式[13]。

表1　无线充电方式

由表1可知，利用电磁感应的无线充电技术最具有现实性，并且现在在电动汽车上已有实际应用；而磁共振技术则最被看好、被认为是将来最有希望广泛应用于电动汽车充电的一种方式；而微波方式，现在则提出基于这一思路的“太空太阳能发电技术”。

尽管当前特斯拉主要专注于充电桩的建设，但是，无线充电技术无疑具有更好的通用性与前景。随着互联网的深入发展，汽车也会迎来自己的互联网时代——车联网。车联网是未来的发展趋势，联网之后，不仅可以实现交通优化，促进智慧城市的建设，还将为众多新兴产业带来机遇。此外，通过车身网络，还可以获取车身中各类传感器数据，用于故障预知和远程诊断等。

随着智慧城市建设，智能电网[14]也应运而生。所谓智能电网，就是电网的智能化，即自动的广泛分布的能量交换网络，它具有电力和信息双向流动的特点，同时能够监测从发电厂到用电器之间的所有元件。与加油站单独运行的方式不同，为保证充电安全、顺畅和高效，电动汽车的充电对能源供应的网络化、智能化提出了很高的要求，因此，未来电网将能针对电动汽车实现实时监控。

研究表明，超过90 %的车辆95 %的时间处于停驶状态，为电动汽车作为移动储能单元提供了基础。电动汽车内置移动电池，可以作为储能装置，成为智能电网的一部分，而连接在充电站的电动汽车还可以根据电网调度指令，在用电高峰把电能回馈给电网。简而言之，智能电网与充电站是一个互补的方案。由于电网储能环节和电动汽车电池的成本都较高，如果能够将二者结合起来，将产生互相促进，互相利好的效果。

6　结语

综上所述，特斯拉独特的电池管理系统以及先进的充电技术，有着明显的优越性。另一方面，也有专家认为，特斯拉在如下几个方面还没有取得本质性突破：1)回收再利用、销毁电池，将其对环境的危害降到最低；2)电池现有的能效瓶颈并得到根本性突破；3)电池的充电效率没有本质上的提升；4)制造使用电池的成本大大降低。只有具有本质性突破的电池技术，才是面向未来的技术。尽管目前特斯拉还没有颠覆性的成果出现，但是不可否认，从特斯拉汽车电池技术以及车联网的发展中，人们仍获益颇多。作为电动汽车行业最为成功的领跑者，特斯拉以其先进的技术理念和高端的商业模式，吸引了全世界的关注[15]。事实上，特斯拉使用的并非是全新技术，但其运用互联网思维创造了一种新的模式，这也为中国电动汽车以及相关行业的未来发展，提供了颇为有益的思考和启示。

[1]罗慧,杨可瞻,曾慈航.电动车特斯拉之崛起[J].中国中小企业,2013(7):68-70.

[2]吴彬.特斯拉电动汽车电池管理系统解析[N].知乎,2014-05-09.

[3]刘春娜.特斯拉电池技术及策略[J].电源技术,2014(3):56-58.

[4]Tesla N. Electromechanical Pawl For Controlling Vehicle Charge Inlet Access[P].U S Patent 20130078841A1, 2013-03-28.

[5]陈一斌.从30到20再到5，Tesla的超级充电技术越来越快[N]. 爱范儿,2013-07-17.

[6]马银山.电动汽车充电技术及运营知识问答[J]. 2012(1):79-81.

[7]黎林.纯电动汽车用锂电池管理系统的研究[D].北京:北京交通大学电气工程学院,2009-06.

[8]Tesla N. Battery Pack Overcharging Protection System[P]. U SPatent 20120105015A1, 2012-05-03.

[9]王艳.特斯拉4种充电方式详解，快充、慢充有门道[N].电动汽车时代,2014-10-10.

[10]祝晶，刘少兵，刘青掌，特斯拉电动汽车崛起原因浅析和启示[J].科技视界,2015-08-15.

[11]2013新技术盘点 特斯拉电池及充电技术 [N].易车,2014-01-26.

[12]特斯拉将可无线充电充1小时行20英里 [N].网易汽车,2016-02-22.

[13]马银山.电动汽车充电技术及运营知识问答[J]. 2012(1):83-86.

[14]国家发展改革委 国家能源局关于促进智能电网发展的指导意见[N].2015-07-06.

[15]中国加速下一代锂电池研究 突破电动汽车瓶颈[N].国际在线,2014-07-15.

A Review on Tesla Electric Vehicles’Battery Management System and Fast Charging Technology

XIE JingfeiXIE ZechuanGUO YiqiWU FuhuiGUO Bing*

(College of Chemistry and Environmental Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China)

Based on the present lithium ion battery, Tesla electric vehicles have made a great progress in driving miles and safety by developing its unique Battery Management System (BMS). The battery system of Tesla has been well developed with stable electrochemical performances and manufactured in a great number. Because of superior performance of its battery system which is composed of more than 7 000 cells and own total capacity as high as 85 kWh, a Tesla car can drive up to 480 km over one full charge. Therefore, a large current rate is necessary to charge such a big battery pack in an acceptable time. This paper figures out several significant points on Tesla’s BMS and fast charging technology. A sound analysis of the current technology brings insights into the future prospective. Particularly fast charging through wireless technology is deemed to play a key role in the future.

Tesla electric vehicles; Battery Management System; Fast Charging Technology

2016-03-28

2014年东莞理工学院大学生创新创业训练计划项目(201411819039)。

谢靖飞(1990—)，男，广东肇庆人,东莞理工学院2012级化工卓越班学生。

郭兵(1981—)，男，河南南阳人，讲师，主要从事纳米和多孔材料科学、电化学和电极材料、衍射晶体学和电子显微表征研究。

TQ433. 432

A

1009-0312(2016)03-0083-07