日报标题：都是在堆电池，为什么 Tesla 就和别的电动车不一样
叶磊Ray，演技派工程师
自从 Model S 上市以来视乎已经被大家拆解无数遍了，这也从一个侧面印证了 Tesla 在电动汽车市场初期的标杆地位。
一、动力总成构成
Model S 动力总成主要分以下几部分：
- 动力电池系统 ESS
- 交流感应电机 Drive Unit
- 车载充电机 Charger
- 高压配电盒 HV Junction Box
- 加热器 PTC heater
- 空调压缩机 A/C compressor
- 直流转换器 DCDC
Model S 采用三相交流感应电机，并且将电机控制器、电机、以及传动箱集成与一体。尤其是将电机控制器也封装成圆柱形，与电机互相对应，看上去像是双电机。从设计上来看集成度高、对称美观。中间的传动箱采用了固定速比（9.73:1）方案。85KWh 版本电机峰值功率 270KW，扭矩 440Nm。
充电系统支持三种充电方式：
1.超级充电桩 DC 快充
超级充电桩可直接输出 120KW 对 ESS 进行充电，一个小时以内能充满。
2.高功率壁挂充电
在后排座椅下面有两个车载充电器，一主一从。主充电器属于默认开放使用，功率 10KW，差不多 8 小时能充满。slave 充电器的硬件虽然已经安装在车上了，但需要额外支付 1.8 万才能激活，可使充电能力翻倍。这种硬件早已配置好，之后通过 license 收费的方式和 IBM 的服务器如出一辙。目前 Tesla 已经把这个策略用在了动力电池上，60 版本上实际装了 70 多度电，预留的那部分容量刚好避免满充满放，有助于延长电池寿命,因此入手低配版也是一个有性价比的选择。
3.220V 家用插座充电
充电功率 3kw 左右，充满电大概 30 个小时。把充电器放在车上，即使到了完全没有充电基础设施的地方也能利用普通家用插头充上电。
热管理部分有意思的地方在于 Model S 用一个四通转换阀实现了冷却系统的串并联切换。其目的我分析主要是根据工况选择最优热管理方式。当电池在低温状态下需要加热时，电机冷却回路与电池冷却回路串联，从而使电机为电池加热。当动力电池处于高温时，电机冷却回路与电池冷却回路并联，两套冷却系统独立散热。这样的热管理方式还是比较巧妙的。
二、电池 PACK
先看一下未拆解前的 PACK，对外一共有 3 组接口。分别是低压接口、高压接口、冷却接口，并且全部采用了快插式方案。说明 Tesla 在设计电池组系统的时候充分考虑了换电模式的技术要求，即便现在很少有换电的需求但这个基因始终保留了下来。高压接插器中较粗的 Pin 一方面起到了定位的作用，同时也是接地点，较细的 Pin 用于实现高压互锁功能。
PACK 前部顶面上设计了防水透气阀，利用气体分子与液体及灰尘颗粒的体积大小数量级差，让气体分子通过，而液体、灰尘无法通过，从而实现防水透气的目的，避免水蒸气在 PACK 内部凝结。
PACK 上部用了非常多的固定螺丝，因此白色的绝缘垫通过胶粘在了 Pack 上，除了起到了绝缘防火的作用以外，还可以起到一定的防水的作用。PACK 的上盖是死死用胶粘住的，即使卸了所有螺丝依然无法打开。记得在 14 年的炎炎夏日里我们七八个人“生掰硬撬”一小时才得以破坏性的扒开。当时觉得 Tesla 在设计的时候一定是抱着破斧成舟的理念，根本没打算之后的维修，所以 PACK 上自然也没有手动维修开关，仅仅留了一个保险丝更换口。
Tesla 下托盘以铝合金型材作为主要承载框型骨架，骨架底部焊接整块铝板。 拆解的是一款 85KWH 高配版，最右侧多堆叠了两个 Module。PACK 两侧布置了大量防爆阀（共 85 个）。在拆解的过程中发现 PACK 里总是用零散的绝缘板将高压器件隔开，而固定绝缘板的方式通常是胶水，像是用狗皮膏药把 PACK 里面打满了补丁，很难想象在这样复杂工艺在量产过程中是如何进行的。猜测是在设计之初考虑的不充分导致了后续只能无奈的通过打补丁的方式进行了。
BMS 在 PACK 内部几乎是完全裸露的，也许是为了减轻重量吧，但也带来一定的风险。
Module 之间的水冷系统采用的是并联结构而不是互相串联，其目的在于确保了流进每个 Module 的冷却液有着相近的温度。
Module 之间的高压电气连接采用左右交错的排布方式，而不是从 PACK 尾部到顶部，再从顶部回到尾部这种比较简单的连接方式。猜测是为了防止形成大电流回环从而产生较强辐射干扰。
电流采样仅仅采用了一个 ISAscale 工业级的 Shunt，通过 SPI 总线与 BMU 进行通信。此前对标荣威 E50 上 A123 动力电池的解决方案，其采用了 shunt 和 Hall 双备份的措施。毕竟电流值在 ESS 系统中是一个极其关键的参数。
三、电池 Module
由于选用了 NCA 的电芯，在能量密度上 Tesla 可谓是遥遥领先，Pack 的能量密度比很多车型的 Cell 都高出一截。下图是高配和低配在 module 上的差异，低配 module 每并少了 10 颗 cells，串联数量都是 6 串，因此对于电池管理而言并没有太大差异。从汇流板可以看出与 Busbar 相连的部分颜色明显不同，此处是在表面进行了镀镍处理，防止氧化。
Module 热交换设计上由于 Tesla 选择了 18650 电池必然导致了 Coolant pipe 必须设计得异常复杂，并且电池是用胶水牢牢固定于 Module 中，完全不具备维修和梯次利用的可能。而选用方形电池的 I3 和 Volt 更便于电芯和冷却系统的集成。
Volt 在每个电芯间设计了散热曡层，使得热交换面积更大效果更好，推测这种方案在未来可能成为主流。
四、电池管理系统 BMS
BMS 采用主从架构，主控制器（BMU）负责高压、绝缘检测、高压互锁、接触器控制、对外部通信等功能。从控制器（BMB）负责单体电压、温度检测，并上报 BMU。
BMU 具备主副双 MCU 设计，副 MCU 可检测主 MCU 工作状态，一旦发现其失效可获取控制权限。比较幽默的是 BMU 上居然有一个手动 reset 的按钮，刚看到的时候简直不敢相信这是汽车产品级 ECU，更像是是个电脑主板。而且把过强电电流的预充电接触器直接放在了 BMU 上也是一个大胆的设计。
下图是 Tesla、BMW i3、A123 三家的模块监控 BMB 的对比。具体参数如下：
传说中 Tesla 检测了 7000 多节的电池电压，其实只是将 74 节电池并联检测一个点，传说监控了每个单体的温度，其实 444 节电池仅有两个温度探测点。传说中能均衡住每一节电池，实际上均衡电流仅 0.1A，对于 230Ah 的电池来说杯水车薪。尤其是在电压监控冗余设计上，BMW(preh)采用了 LT6801，A123 采用 IC8 进行了硬件比较，一旦 MCU 失效或者通信异常时可以直接在硬件上触发报警。相比之下 Tesla 设计得更简单。尤其是采用了 UART 通信而不是 CAN，更像是 IT 公司的解决方案。
五、单体电池 Cell
从松下提供的 Spec 上看在 0.5C 充 /1C 放（100%DOD）的条件下 500cycle 后容量降至 BOL 状态时的 68%，衰减比较严重。
同样是 1C/1C 充放 150cycle 的实验，上图 I3 和 Model S 电池的比较。上面几张循环寿命数据很好的说明了为什么 Model S 突破性的在乘用车内装进了 85kwh 这么巨大的电池。因为松下 18650 电池在 1C 左右的倍率下循环寿命很差。所以必须将通过高容量以降低同等工况下的倍率，保证更久的循环寿命；同时大容量的电池也确保了车辆在全生命周期里循环次数足够少。按百公里电耗 20KWH 计算，20 万公里对于 85KWH 的 PACK 而言也不过只有 470cycle。
随着更多的电池企业针对汽车领域定制电池的标准化和批量化，18650 电池所具备的低成本和高一致性的优势将迅速消失，即使 Tesla 一度希望通过开放专利的方式拉拢技术路线站队，但看似并不成功。开放专利噱头和宣传效果大于实际意义。
不过在那个电动汽车供应链还不成熟的年代，Tesla 几乎是凭着极佳的技术集成思路硬是在各种非汽车级选型中“凑”出了一辆跨时代意义的产品。所以硬要说 Tesla 在动力电池上比传统车企做得好，倒不如说 Tesla 做了他们不敢做的事；传统车企完善的供应链体系、长期积累的标准规范、庞大的市场占有量这几个方面就推动电动汽车这件事上看反而成了包袱。Tesla 可以毫无负担放弃汽车供应链在工业级产品中选型，可以暂时将 Autosar、ISO26262 等放一放，可以不用像传统车企一样担心在电动车技术走得太激进，导致出了起火事、失控等事故而影响传统车型的销量。但此后 Tesla 和传统车企竞争优势依然是这套历史条件制约下的解决方案么？我想肯定不是。那 Tesla 的核心竞争力应该是什么呢？至于什么是他的核心竞争力我在之前的一个问题里有回答。
PS：一旦从工程师的立场去看产品，往往能揭穿企业想要营造出的完美。毕竟产品设计的过程必然是一个妥协和取舍的过程，而企业在产品营销上往往试图用”不妥协“”不将就“之类的概念（比如国内的某些手机公司），与设计的本质相违背。但当自己是一个消费者的时候，Tesla 依然对我有着极强的吸引力，其吸引力的来源根本不在于运用了先进或是落后的技术；而是凌驾于技术堆叠和性能参数之上的产品气质，这个气质是众多人想要而其他车型无法给予的感受，我想这是 Tesla 最成功的地方吧。