第23卷第3期
2016年6月东莞理工学院学报JOUＲNAL OF DONGGUAN UNIVEＲSITY OF TECHNOLOGY Vol．23No．3
Jun．2016
收稿日期：2016－03－28
东莞汽车基金项目：2014年东莞理工学院大学生创新创业训练计划项目（201411819039）。
作者简介：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。
*通讯作者：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。
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）
摘要：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480km 。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85kWh ，由7000多颗18650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。
关键词：特斯拉电动汽车；电池管理系统；快速充电技术
中图分类号：TQ433.432文献标识码：A 文章编号：1009－0312（2016）03－0083－07
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：69ˑ9ˑ11=6831。整个电池包的输出电压达到375V 。在电池包中，Sheet 是最小的可更换DOI:10.16002/jki.10090312.2016.03.017
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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，在充电使用前，
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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，20min可以充进一半的电量（可行驶超过200km），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，是其中的关键技术之一———充电内置感应器，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
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、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 10min［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
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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10kW，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2.5V，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0.1C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（4.2V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（4.2V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110V，每小时充入的电量可以让汽车行驶16km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240V/40A，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46km。而在双充电模式下可以输出240V/80A，每小时充电保证行驶93km。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380V，电流接近200A，每小时充电供给续航350km。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96km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20min，这一充电速度是普通电动车的20倍。而一辆60kWh电池组的Model S充满电可以续航368km。
除了自营的快速服务站外（提供120kW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90s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。
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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590kg 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90s 。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10cm 距离的情况下实现无线充电。充电功率7.2kW ，相当于充电一小时行驶32km 。
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无线充电方式方式
电磁感应磁共振微波充电原理
为线圈提供交流电并产生磁场，磁力线穿过与之分离一定距离的接收线圈。产生感应电动势并对外输出电流与电磁感应相同。只是充电与接收部分使用同一共振周波，可将阻抗限制至最低值并使传送距离增大充电与接收过程，均采用微波/2.45GHz 使用频率范围/Hz
22K 13.56M 2.45G 输出功率/kW
3011传送距离/mm
1004001000充电效率/%929538
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