技术分析:特斯拉都有哪些核心专利?

导语

特斯拉宣称分享专利技术,要推动电动车行业发展,一石激起千层浪,那特斯拉究竟有哪些核心专利?

特斯拉宣称分享专利技术,要推动电动车行业发展,一石激起千层浪,那特斯拉究竟有哪些核心专利?

据统计,2008-2013年期间Tesla所申请的核心知识产权大都与电池安全控制系统相关,包括电池冷却系统,安全系统,电荷平衡系统等。截止到2013年3月底Tesla所申请的此类专利数量达142项,另有258项专利正在审核过程之中。

除了电池管理系统以外,Tesla在电机和电控方面还有一些独创性的技术。

Tesla汽车所用电动机为自主研发的三相感应电机,拥有最优化的缠绕线性,能够最大限度的减少阻力以及能量损耗。电机能量使用效率低,降低了高容量电池组所带来的的动力性能优势,需要强大的动力系统配备智能化的能量管理软件将各个电池单体的电流数字化并将电池组电能有效转换为汽车动能,提高能量利用效率。

变速箱为单极变速系统,能够将交流感应电机所产生的扭矩与车速进行最优化的匹配,相比传统的汽油变速箱具有更好的加速运动特性。另外Tesla汽车上安装了较为完善的软、硬件系统,包括转动变频器、数字信号处理系统以及充电系统,用来控制电动机的扭矩以及电池组的能量传输过程,是整个汽车机体的能量控制系统。通过一个高性能的数字信号处理器可以将汽车制动、刹车、加速、减速等要求转变为数字信号,从而控制转动变频器将电池组的直流电与交流电相互转换以带动三相感应电动机提供相应的汽车动力,同样通过转动变频器可以将再生制动系统所产生的的交流电转换为直流电以完成充放电过程。

一、特斯拉的解决方案:小电池+BMS

Tesla 的电池采用的是松下的三元材料(镍钴铝酸锂),用的是比较成熟的18650型号(松下这种电池普遍用于笔记本之中)。

与现在电动车电池的主流趋势不同,Tesla是唯一一家直接采用18650型锂离子电池的公司,其他的电动车都用的是大电池。只不过Tesla需要7000多节18650型锂电池。普通家用笔记本电脑只要7~8节。

Tesla采用小电池的理由在于:

工艺成熟。过去15年多的时间里消费类产品所积累的先进技术能够应用于车载电池领域,消费类产品可在推动需求、降低成本的同时提高能源密度。而目前许多刚刚开发出来的大容量方型电池,仅仅属于实验型产品,并未有过量产经验,并不能达到成熟阶段。松下是全球电池技术和规模最大的企业之一,产品缺陷最少,由于规模较大,也便于从中挑选出一致性好的电池。

性价比高。Model S 85kWh车型电池动力系统总成本3万美元左右,单位储能成本400美元/kWh左右,是其他电动汽车储能成本的一半左右。18650电池的生产商众多,使得下游企业对上游厂商有较强的议价能力,电池的成本可以得到控制。而随着电子消费类用品的普及,18650价格也会继续下滑,特斯拉亦可从侧面受益。

安全性能可控。每个电池单元的尺寸小,可每个单元的能量可控制在较小的范围,与使用大尺寸电池单元时相比,即使电池组的某个单元发生故障,也能降低故障带来的影响。

但是将众多(7000多个)的小电池单体组成电池组,将会大幅增加电池单体之间的不一致性,导致单体温度、电荷、电压出现不平衡现象,引起个别电池过充、过放并产生静电反应,从而降低电池组寿命以及安全性。

二、核心技术:电池管理系统

这就是Tesla的核心技术—电池管理系统。

Elon musk本身是学物理出身,又在硅谷招聘了上百名工程师,这是它技术领先的根本原因。

Tesla建立电池检测实验室、数据信息中心对18650对其温度进行智能监控。

2.1电池检测实验室:源头增加锂电池单体一致性

因标准18650电池单体容量较小(约10.4wh),Tesla Model S 85kWh版电动汽车就需要8000多颗电池单体。如此众多的电池单体所组成电池组,会大幅增加单体之间的不一致性,容易导致个别单体过充、过放并产生静电反应从而降低电池组寿命并产生安全隐患,从而对单体的一致性检测提出极高的要求。

Tesla拥有一个独立的锂电池监测实验室并依据锂电池单体化学性能、形状系数建立了一个完备的数据信息中心,通过这个实验室以及数据中心将电池供应商Sanyo所提供的18650电池进行严格的性能测试以及一致性筛选,主要关注指标包括:单体容量大小,储能持久性、功率输出大小、电压上下限等。其中一致性、安全性较好的电池作为电池组备用电池,从而在根本上保证电池组功率传导的稳定性以及持久性。

2.2电荷平衡系统:有效排除18650故障单体

每个锂电池单体都有一个电压上限和下限,电池在此范围内可正常工作,但一旦单体电压接近这一限值其化学性能将发生突变,必须立即停止放电或充电,否则电池将会受到不可逆的损坏,将会大幅增加电池的自放电率、产生静电反应进而引起爆炸。

众多电池单体所组成的电池组大大增加了单体之间的不一致性,导致电池电压的安全范围各不相同,安全性大幅降低。为此Tesla自主研发单体电荷平衡系统,可有效排除故障单体,保证整车安全性能。Tesla电池组尾部安装有印刷电路板,内置众多电源开关,每个电源开关一端连接某个18650电池单体,另一端连接一个中型的集电器(单体电荷监控器)。当电池组中某一电池因过充、过放、温度过高导致电量与其他电池不同时,集电器就会将能量在电池之间进行相互转移,防止其电压超过安全范围而产生异变。而当该电池真的产生异变时,电子集成器将控制电路板上相对应的电源开关弹开,从而将此电池单体隔离,避免产生静电反应而引起爆炸。

2.3锂电池温度管理系统:提升整车安全性能

Tesla高达60kWh、85kWh的电池组容量使其运行过程中将会释放更多的热量,从而加大了电池组温度过高引起爆炸的概率,这是Tesla电池管理系统解决的最为核心的问题之一。

电池组温度检测系统—智能温度监测

电动汽车安全性能主要体现在对电池组温度以及电流的控制上,尤其对于大容量的电池模组,当电池组过充、过放、碰撞以及运行过程中电池过度发热都会引发电池组温度过高而引发爆炸。

Tesla汽车电池组中的每一个电池单体都连接着一个热敏电阻以及一系列的光导纤维,同时将热敏电阻连接到电池监控器,将光导纤维连接到光敏感应器。当某个电池单体温度超过安全标准时,热敏电阻将产生一个电信号传达至电池监控器以便启动电池冷凝系统保证电池安全性能。当电池发生热逃逸等现象时,将影响光导纤维中光束的传输,进而刺激光敏感应器发出相应信号进行热度调节。而当汽车发生剧烈碰撞时,电池组与电机的能量传输路径将被立即阻断,电池组外保护层将保护电池组免受碰撞影响,从而避免发生剧烈爆炸。

电池组液体冷凝系统—实时温度控制

Tesla自主研发的机体液体冷凝系统为双模式冷却系统,其中第一层冷却回路专门为电池组降温,电池回路将电池组与冷却泵相连接,回路中充满了冷却剂,且延伸多个冷却管覆盖至每个电池单体。第一层冷却回路将控热系统,通风设备以及其他散热装置与电池组热量管理系统连接起来,从而保证每个电池单体温度低于其安全值以下,保证其散热性以及安全性能。第二层冷却回路包括第二冷却储液罐并与至少一个转动部件进行热交换,并立于第一个冷却回路,保证电池组冷却系统的独立性。

Tesla公司承诺为Tesla Model S电池组提供8年或是10万英里的质量保证,其汽车其他部件提供4年或是5万英里的质量保证。最近更是推出一项免费服务计划,特斯拉将为因保养不善而遭到损耗的电池组提供保修,并将为客户免费更换相同质量或性能更好的电池,其电池组质量可见一斑。

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