动力电池管理系统之间的比较分析

没有完美，只有取舍

在电池设计环节，厂商可以通过调整正极、负极和电解液的材料来达到不同的目的。不过，凡事都有取舍，完美电池并不存在。如果要强调安全性，那么就要牺牲能量密度，如果要获得重量方面的优势，那么就会导致更高的成本。总之，厂商需要在能量密度、安全性、重量、电压水平、成本等方面做好平衡，一方面最大化自己选择的优势，另一方面又要优化电池系统的整体表现，提升属性取舍所造成的短板。

剖析特斯拉的BMS

瑞银的拆解实验显示，特斯拉的电池管理系统是当今最成熟的系统。得益于深度学习和人工智能的充分应用，特斯拉的BMS可以不断获得实际驾驶的大数据，然后对算法进行自我强化，从而使特斯拉电池组的续航时间相对更长。续航里程是目前电动汽车渗透率提升所面临的主要问题，而特斯拉依靠领先的设计概念，在这一点上已显露出差异化的竞争优势。

特斯拉Model3的BMS具有以下五大物理特性：

1、4416颗低容量的小电池支撑起75千瓦时的系统。使用大量小电芯的好处是：更易保持电池系统的整体稳定性；可增加对未来设计及材料变化的适应性；可弥补材料的负面属性。下图为拆自Model3的电池包：

动力电池管理系统大比拼，谁优谁劣？"/>

2、特斯拉自己研制的半导体和软件是实现精确管理的关键要素。基于内部研发的技术，特斯拉可以对每一颗电芯进行温度管理。

特斯拉研制的两个芯片分别叫蝙蝠侠和罗宾汉，他们的具体功能依然是神秘的。但瑞银推测，只有38针的罗宾汉负责收集数据，而拥有64针的蝙蝠侠负责处理罗宾汉送过来的数据、监测电池的充电状态、管理电芯的平衡及统筹多系统的数据共享与合作。

3、采用两阶段法进行电芯平衡，这对串联很重要。假如没有电芯平衡技术，不同电芯的电量会出现较大的差异，在充电时，同一组电芯有的充满至100%，而有的可能只充了60%，这时候为避免继续充电而造成温度失控，就不得不停止充电，从而造成了容量的浪费。

而特斯拉一方面对大量的电芯进行筛选和分类，将质量相近的电芯捆绑在一起使用，另一方面采用了精确控制的电芯平衡技术，使得不同电芯组之间在并联时的电压差异只有2-3mV，相当于只有0.05-0.08%的偏差。通过这些努力，特斯拉的电池组不仅获得了更高的利用效率，还具备了相对较低的衰减速度。

再说说两阶段的电芯主动平衡技术。实际上，蝙蝠侠与罗宾汉的CP组合并不是只有一对，而是拥有多对。首先，在每个模组的基板上都会有他们的身影，从而在模组层面实现精确控制。然后在高电压控制面板上，蝙蝠侠与罗宾汉会再次发挥作用，使四个电池模组实现同步运作，进一步提高系统的稳定性。

4、NCA电池的弱点在于相对易燃性，但特斯拉通过使用不导热材料以及嵌入温度计的设计，降低了该弱点的影响。

5、特斯拉可以积累与BMS建设相关的所有数据，包括驾驶、充电、电池温度、电池容量变动等。稍微懂一点深度学习和人工智能的朋友应该知道，这一点是多么的重要。而且，电池是能力储存及释放的装置，会循序一定的化学反应及物理定律，这些数据之间的关联是可以被经验数据所验证的，因此特斯拉设计的BMS在未来仍具有很大的发展潜力。

五大特性带来了以下六大优势：

1、市面上的多数电动汽车，在使用的4至8年内，电池容量会下降至80%以下，但大多数特斯拉的产品仍能保持在90%以上。

上图是特斯拉ModelS用户的电池使用数据图，在行使10万公里后，电池容量下降至90%-95%，行使20-30万公里后，电池容量仍在90%以上。电池的容量虽然在衰减，但特斯拉的衰减率确实令人满意。相比之下，日产Leaf的电池表现就差多了。由于电池包的不成熟设计（没有液冷系统），Leaf电池的衰减速度是出了名的快。

2、特斯拉BMS的设计理念是允许出错的，因此具有很高的风险容忍度。系统事先已假定电芯会以一定的速率出现故障，所以会最大限度利用大数据来维护和管理大量的电芯，导致即使有一定程度的电芯出现故障，对整体系统的影响也会很小。由于使用了大量的小电芯，从统计上看，更容易减少不可控的范围。

特斯拉的车型比其他品牌的车型多出了10倍的电芯数量，同样损坏一定数量的电芯，特斯拉的系统不痛不痒，而其他厂商的系统可能就崩溃了。在传统的设计方法中，电芯的故障是“不可接受的”，因此他们会严格要求电池供应商的供货质量，希望将故障率降至零。

3、基于BMS的设计框架，电池系统容量的增加可谓轻而易举。特斯拉系统可使用相同的电池来满足轿车、卡车、跑车、SUVs及其他类型汽车的需求，只需调整并联和串联的配置即可。

4、尽管NCA电池相对易燃，但依靠大数据的BMS可以防止金属沉积的形成以及温度的升高，从而使电芯容量的利用程度能够接近极限水平。

5、在采用固态电池的情景下，差异化的电芯平衡技术将显得更为重要。Model3具备的技术，例如自行设计的控制芯片及软件、两阶段电芯平衡管理，以后将产生更为重要的作用。

6、特斯拉的精控软件及硬件是自行研制的，而传统的汽车生产商大多将其外包给软件及半导体公司，这使得特斯拉更有能力应对未来市场的变化。

特斯拉的BMS可补偿电芯设计的短板

1、不断优化和升级。特斯拉的电芯无论在材料还是形状，都在追求更高的能量密度，辅以先进的电池管理系统来弥补电芯设计的短板。事实上，特斯拉BMS的调整每天都在进行，并通过远程管理进行升级。

2、人工智能算法的优势或将扩大。特斯拉将与亚马逊合建一座4.8MWh的储能系统，届时特斯拉将获得为CPUs、DRAMs、空调等电子元件供电的大数据。特斯拉已经拥有利用人工智能来管理大型数据中心的丰富经验，结合即将获得的更高量级的数据，特斯拉可以轻松获得关于新想法的算法，或是仅通过汽车行驶数据无法获得的先进技术。

3、电池利用效率仍有提升空间。随着特斯拉BMS精控管理能力的提升，有望通过降低安全裕度来实现电池组容量的提升。事实已证明，特斯拉有能力通过软件的管理来控制汽车的可用容量。例如在去年9月的佛罗里达飓风来临时，特斯拉为车主提升了电容15千瓦时，可额外行驶48公里的里程。

特斯拉电池包的弱点

上面说了许多特斯拉BMS的厉害之处，但其弱点也是十分明显的。

1、电芯的安全性相对较差。特斯拉使用的NCA电芯更易燃，这是无法否认的。过去，ModelS和ModelX都发生过多起燃烧事故。事实证明，火势一旦蔓延到电池包，燃烧很容易就会加剧。因为电池里充满了液态的乙二醇，这是容易导热的材料。不过，在新款的Model3中，所有的电芯都用阻燃材料做了固定，相比过往的ModelS和ModelX而言，变得更难燃烧。

2、模组更换成本高。一般而言，在并联电路中，坏一些电芯并不会影响电池包的整体性能，但如果是模组损坏了，更换模组的成本会比Bolt更贵一些。因为Bolt有10个模组，而特斯拉只有4个模组。

3、有瞬间失控的风险。特斯拉拥有卓越的电力控制技术，能够将所有数据聚合，并优化整个系统的运作表现。但问题是，电力控制系统也是需要电力供应的。一旦出现短暂的电力缺失，电力控制系统有可能不能及时激活，从而使安全保护和温度控制的功能失效。

4、网络安全风险。随着汽车通信网络的普及，恶意软件和病毒所带来的风险也会增加。这些程序可能有机会重写电池管理系统的程序，通过停用功能、突然改变电池容量来导致电池变形或着火。

雪佛兰的Bolt又如何？

Bolt的BMS与特斯拉相比，有六个方面的差异值得注意：

1、特斯拉的芯片是自行设计的，而Bolt的芯片却是外购的。例如，BoltBMS中监控电压及温度的芯片是LG化学设计的，然后交由半导体制造商ST微电子生产。自行设计的产品可以有更好的适应性及更快速的调整能力。

2、Model3拥有18个BMSMCUs，而Bolt有25个。通过估算，Model3的BMSMCUs价值72美元一个，而Bolt使用的MCUs价值84美元一个，差别不大。不过不排除特斯拉的成本更高，因为专利费用没有包含在估算模型内。

3、Model3的电芯平衡采用两阶段法，而Bolt只有一个阶段。由于Bolt只有单阶段的电芯平衡，如果增加电池容量，则容易会造成电芯平衡精确度的失衡，从而带来更快的衰减速度。

4、特斯拉的BMS是分布式的，而Bolt的BMS是集中式的。特斯拉为了保险起见，安装了两个BMS的控制芯片，即使一个出现了故障，整个系统依然能够正常运作。而集中式的BMS可能会有较低的抗风险能力。

综合而言，特斯拉的BMS确实非常优秀。