电池驱动

时尚的外形、百公里加速3.2秒、续航440公里，这些都是特斯拉Model S作为一款纯电动汽车所展示给人们的数据。Model S之所以能够拥有不逊于传统燃油车的性能表现，除了电动机技术之外，还要得益于特斯拉先进的电池技术。

那么，特斯拉到底在电动车最核心技术之一的电池组研发方面有何独特建树呢？据介绍，Model S的电池板总重高达900公斤，被放置在驾驶舱正下方的底盘当中，在为电动机提供能量的同时，也起到了稳定车辆重心的作用。近日，国外牛人就将一辆Model S的电池板给拆开了，一探究竟。

电池外观

国外牛人直接给我们展示电池组。电池组安放前后轴之间的底盘位置，其重量可达900公斤。因此造成底盘重心较低，非常利于车辆的高速稳定性。电池组几乎占据车辆底盘的全部，但电池组并没有作为承受力的主体，电池组有加强筋和受力框架保护，大大减低碰撞时的爆炸危险。

电池组整体有标明其身份的铭牌，其中标明了其容量为85kWh，400V直流电，简单来说电池可以装85度电，可供一个普通家庭使用一个月。

拆解电池板及连接细节

电池组表面不仅有塑料膜保护着，而且塑料膜下面还有防火材料的护板。护板下面才是电池组。护板通过螺栓与电池组框架连接，并且连接处充满了密封粘合剂。外观来看电池组保护的不错。

特斯拉Model S电池组板看似非常高大上。其电池组板由16组电池组串联而成，并且每组电池组由444节锂电池，每74节并联形成。因此特斯拉Model S电池组板由7104节18650锂电池组成。

总保险丝位于电池版的前端，并且有外壳保护以防受到撞击。其采用德国Bussmann巴斯曼，额定工作电流为630A，额定电压为690V，分断电流700-200kA，在全球化趋势下该保险丝在印度制造。市场价格在600元左右。

电池板中的16块电池组均衡平铺在壳体上，整体结构紧凑，平铺有利于散热。每一组电池组由六组单体电池包串联而成，但单体电池包的布置并没有采用均衡布置，而是采用不规则的结果，猜测是为了方便电池组内的散热管路布置。

测量了整个电池板的电压为313.8V，单体电池组电压为196.3V。显然这块电池并没有达到额定的输出电压，可能电池电量并不充足所导致。

电池组内每一节电池都有保险丝链接着，以防单节电池过热危及整体电池过热，并且每节电池保险丝焊接非常精美。电池组中央有线连接到电池控制模块，这些线用来检测电池组的电压，从而保证电池组正常工作。

电池组整体由透明塑料壳包裹住，两侧有金属散热护板包围。电池厚度比脚掌稍稍厚些，属于扁长型电池组，从而导致车辆重心可大大降低。总体电池组保护的相当不错。

18650锂电池即普通笔记本电脑的锂电池，众多18650锂电池组成单体电池包，再由电池包组成电池组，并由16组电池组构成电池板。看似简单，但实际需要解决很多连接和散热的问题。

每一组电池组都由一条2/0主线串联起来，主线位于电池板中央，并且有护板覆盖着，较为隐蔽。2/0主线汇集电流后将连接到输出端的接触器。接触器采用泰科电子专门为特斯拉生产的部件。

电池板中央有一条2/0主线，每组电池组都通过该主线串联输出电流，因此2/0主线尤其重要。特斯拉采用美国Champlain的专门为电动车生产的线缆，其最高可承受600V电压，并且可在-70°-150°之间工作。2/0主线保护的相当不错，不仅有护板保护，而且还有防火材料包裹。这一点可猜测其工作时有可能产生高温。

电池热管理系统拆解

电池板内除了电池组外，最多都是“冷却液”管路。每组电池都需要通入一定量的“冷却液”。虽然“冷却液”并没有泵驱动主动流动，但整个电池板所有管路都是相通的，“冷却液”可热胀冷缩进行一定范围流动。

“冷却液”呈绿色，由50%的水和50%的乙二醇混合而成。“冷却液”配合着铝管使用主要是为了保持电池温度的均衡，防止电池局部温度过高导致电池性能下降。特斯拉的电池热管理系统可将电池组之间的温度控制在±2℃。控制好电池板的温度可延长电池的使用寿命。

电池管理系统

电池管理系统（Battery Management System 简称BMS）是对电池组进行安全监控及有效管理、提高蓄电池使用效率的装置。对电动车而言，通过该系统对电池组充放电的有效控制，可达到增加续航里程、延长使用寿命、降低运行成本的目的，并保证电池组应用的安全和可靠性。

电池管理系统主要功能包括数据采集、电池状态计算、能量管理、热管理、安全管理、均衡控制和通信功能等。从电路图上可看到，电池管理系统为特斯拉自行研发，拥有高度的知识产权的核心技术。该系统能自行处理充放电以及发热问题。相信国内厂商较难山寨出来。

总结

这次国外牛人自行拆解特斯拉Model S让我们了解更多细节。18650的数量决定于电池板的总容量；铝管与“冷却液”配合使得电池发热更加均衡；还有电池管理系统BMS复杂的处理使得电池完美充放电。总得来说，Model S电池保护的相当不错，内部结构设计得恰当好，电池管理系统也相当细致。相信国内自主品牌想山寨有不少困难

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电动车当下在发展过程中面临的一大问题就是电池技术的限制。随着技术进步，电池电量将会提高。几年之内，电池续航能力将不再是主要问题，而成本以及可靠性、安全性等问题将更加凸显。

为了解决这个问题，儒卓力和茨维考应用技术大学电子技术系合作开发了全新的混合能源存储系统（HESS）。基于锂离子电池和双层式电容器（UltraCaps）（也就是我们俗称的超级电容）结合开发而成。这个混合系统通过一个创新的拓扑结构，结合了较低阻抗EDLC和“较高”阻抗电池，以期获得最合适的系统解决方案。这个拓扑使用超快速电源MOS开关，进行全数字式控制，可实现接近于任意形式的适应性匹配。通过这个系统，能够将锂离子电池的使用寿命增加一倍。这款电源管理系统还可以调节，以便用于轻型电动车（LEV），实现更高的可靠性，且研发成本低。

通过此次实施的研发项目，双方证实了现今市场上常见的电池系统可在实践中和超级电容结合使用。通过此项结合可实现最佳的工作分配：在电池为连续运行提供稳定能量的同时，超级电容将接收短时间内出现的峰值电流和电压。电池放电电流将限于其额定电流，因此电池在任何情况下均不会离开其最优运行范围。通过采用这种“保护运行”方式，其使用寿命最高可延长1倍。此外，电池内部温度上升较小或没有升温现象，从而可再次提高使用寿命。

此项研究的成果主要得益于一个新型的、可对单个能源存储元件进行智能连接的电路拓扑结构。而该电路现在也可通过在此次研究项目中研发的数字化电源管理系统进行最优化的控制。由此可不受充电状态影响，对电池超级电容组合随时进行充电，并在数秒内完成，且不会对电池造成损坏。此外通过此系统还可在整个使用期限内实现全负荷使用。已充电的电池超级电容组合即使在闲置数月后，也能立即投入使用，因为超级电容的自放电极小。电量已空的超级电容可在数秒之内再次充满电量。此外，其结构十分坚固，即便在零摄氏度以下的温度使用，也不会出现性能损失。这意味着系统可靠性将明显提高。

超级电容：坚固、使用寿命长

超级电容的能量储存在双层电解质，即赫尔姆霍尔茨层中进行。此类电容器极大的容量一方面是基于赫尔姆霍尔茨层厚度薄的特性，其厚度仅为数微米（1微米=10-10米），另一方面是由于采用了表面面积极大的电极材料。这里原则上建议以下三种合适的材料：

金属氧化物 (RuO2)

活性炭

具有传导性的聚合物

图1：超级电容原理构造示意图

在允许的典型额定电压(2.7—3) V条件下，根据以下基本关系公式，

此类型的电容器每个单元现在可达到数千（！）法拉的电容值。和电池不同的是，超级电容可在数秒时间内加载和卸载大量的能量。其10年的使用寿命以及至少50万次充电循环次数，比锂电池或含铅电池高出数倍。此外，其扩展工作温度范围为-40°C 至70°C，对于温度的敏感性明显低于电池。超级电容可能具有的唯一不足之处，就是其相对较低的能量密度。双层电容器更好的低位放电特性甚至更为出色。如锂电池放电深度（DOD）为25%，则超级电容为75%。即便低于此数值，也不会像电池那样产生持续性损坏，而只是减少了充电循环次数而已。

为了能将两个能源存储设备的最佳特性融合到一个系统中，必须对电池和超级电容的充电和电流特性进行测量，并通过混合型降压/升压转换器进行均衡。其原理基础是依据相应特性曲线为两个能源存储设备进行阙值定义。

针对此类系统设计，已有多种不同的基础性拓扑结构，如采用并行电路的电池和超级电容，或双向变压器，其中超级电容位于初级，电池位于次级，或采用单向和双向变压器组合。所有这些拓扑结构的共同点是复杂程度较高，因此研发周期较长、成本压力较大。

使用升压转换器均衡设计

为了降低复杂性，研发合作双方在选定的目标应用中采用了单向直流-直流转换器的拓扑设计。由此可实现相对紧凑和高效的电路结构。研发时间和成本以及所需元器件数量可由此得以减少。通过数字化解决方案，此系统在许多方面均可进行简单自由的参数设置。

其它优势还包括，逆变器电压可在很大的可定义电压范围内变化。超级电容可根据需要也可直接和逆变器进行动态耦合，使其能接收峰值电流。直流-直流转换器仅有的局限性是，必须通过受控二极管（MOSFET）输送峰值电流。为了实现最优化的电压匹配，可在中间电路内根据2:1的比例分配较高的电压，即超级电容的电压值是电池的一倍。这样可对超级电容的能量进行最优化利用，在50%的电压条件下最高可实现75%的能量利用率。

演示装置拓扑结构

在很多应用领域，对于电池驱动的专业电动工具，生产商必须面对在保障、甚至提高电池使用寿命方面的相应挑战。为了应对工业领域的实际需求，我们对待研发的演示装置（专业电池驱动的螺丝刀）进行了基于应用的定义与设计。

图2 演示装置- 基本结构

演示装置拓扑结构基于在此领域首次应用的组合式降压或 MOS升压结构[6]，其中配备完整数字化可执行的电源管理和相关控制装置，并可通过软件任意配置参数。由此，这个具有较高阻抗的电池系统可表现较低阻抗的特性。结果如下：

更长的电池使用寿命

可调节的电流限制

出色的最大电流特性

可预测电池使用寿命和健康状况（SOH）

除超级电容和连接到主电源的锂电池外，新型的功率电路控制器构成了拓扑结构的关键部分。另外还有速度超快的电流方向逻辑电平电路作为补充，该电路在超级电容输出的能量流导入时启用。此外还对锂电池和超级电容的模拟电流和功率信号进行监控，以便能根据经济性能量利用率的要求对其进行处理。通过高性能微控制器或信号处理器，对信号要求进行定义，同时此装置将相应地生成用于功率场效应管（Power-MOSFET）的脉冲宽度调制（PWM）时序，这里的场效应管制造商是Infineon，并由此实现定时电源供给。如无需峰值电流，则通过一个特殊开关将电流直接从锂电池导入电机。超级电容经过适当的比例放大后，可在运行间歇阶段随时通过电池进行再次充电。

图3：电路拓扑结构和设计流

控制装置

相应的控制算法的最终开发是在经过广泛全面的系统理论预测试基础上完成的。由此可对控制技术行程模型进行合成，从而根据目标硬件特性，在相应的模拟装置预测试基础上，开发出所需的时间离散式算法。

图4 基于EVANS的根轨迹曲线方法进行全面系统分析和控制器综合分析；原则性处理方法

控制软件采用了先进的基于模型的设计方法。包括对整个电源管理在VHDL-AMS中进行建模。通过经IEEE标准化处理的模型描述语言，也可根据硬件特性对控制系统进行建模和模拟，以及通过自动编码将控制系统以自动化方式转移到目标硬件。

为了始终保持稳定的运行状态，需要具有一个额外的速度超快的逻辑电路。原因是这里的安全性和实时性要求无法通过高性能快速微处理器得以满足。因此在此应用中购入了硬件组件，例如应用具有最高动态性能的比较装置。

建模和模拟的难度在于，需要对控制器、电池、超级电容和性能等级的实际特性进行极其精准的描述和绘图。

文章来源：AI汽车制造业

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宇通客车集团股份有限公司

国家电动客车电控与安全工程技术研究中心副主任 李飞强

尊敬的徐部长、干院士，各位来宾，大家上午好！各位专家，我是宇通客车集团股份有限公司的李飞强，下面向大家汇报四个部分：

宇通燃料电池客车的发展现状

最新的国际氢能委员会已经发布了氢能利用的重要方式，指明了清能是社会发展的重要方向，2050 年氢能将占整个能源的 18%，二氧化碳排放减排方面仅占到 20%。能源技术的发展方向是高效、清洁，发展过程是脱碳加氢，所以氢能源是燃料技术的重要发展方向。汽车技术的发展趋势是从化石燃料到新能源汽车促进节能减排，具体就是内燃机油电混合动力到纯电动再到燃料电池汽车。

宇通在新能源方面也做了很多工作，截止到 2017 年 12 月底已在国内 320 多个城市累计推广 85977 辆新能源客车，其中 2017 年宇通新能源客车销量是 24865 辆，行业内的份额继续扩大。

宇通于 2009 年开始了燃料电池客车的开发，2012 年组建了燃料电池客车专职研发团队，经过多年的努力突破了多项核心技术，完成了三代燃料电池客车的开发，取得了资质认证、公告和安装资质。

宇通已经开发了三代燃料电池客车，正在开发第四代燃料电池客车，突破了整车、集成、控制等关键技术，提高了系统的使用寿命和环境适应性，延长了续驶里程。关键技术主要包括动力系统匹配技术、氢电结构偶合安全技术以及整车节能控制技术。

我们开发完成的 8 米和 12 米燃料电池客车产品进行了完整的燃料电池客车示范验证，验证了实车道路环境下的动力性、经济性和可靠性。2016 年 12 月到现在，累计运行里程超过 35000 公里，燃料电池基本无衰减，保证了燃料电池客车的示范运行。

氢燃料电池客车的挑战

大家都知道，氢燃料电池客车在整个产业链，特别是价值链来分析是有很多挑战的，主要包括以下七个方面：电堆成本高、车载氢系统成本高、燃料系统成本高，同时导致了整车成本非常高，氢能方面就是氢气的使用成本也很高，加氢站和运营的成本也很高。这些成本大家都感觉到有很大的困难，到底能不能解决是我们要重点和大家分享的一些观点。

整车成本方面，我们重点分析的数据来源于国家节能与新能源汽车技术路线图以及我们与产业链的相关合作伙伴的调研，随着整车关键零部件的国产化和规模化，整车的成本会降低到 60 万元，就是和现在传统车的成本相当。所以我们是有信心的，从整车的角度来看，燃料电池系统的成本、车载氢的成本都会大幅度降低，最后会降低到和传统车的成本相当。

这里最重要的就是燃料电池系统。随着燃料电池的辅助系统的批量制造，实现关键零部件包括空压机、增湿器的批量化，燃料电池系统的成本可以大幅度下降。节能与新能源汽车技术路线图里面规划 2020 年是 5000 元/千瓦的成本，到 2030 年可以达到 600 元/千瓦。电堆成本主要包括催化剂、膜和双极板的成本，随着关键材料国产化和电堆体积功率的提升，电堆成本可以大幅度提升，2020 年的 1000 元/千瓦降低到 2030 年的 150 元/千瓦。

车载氢系统也是通过高度集成化和模块化设计，还有关键部件的规模化和国产化生产，到 2030 年车载氢系统的成本可以从 3000 元/公斤降低到 2030 年 1800 元/公斤。如果储存的氢气是 1 公斤的话，整个车载氢系统的成本是 1800 元/公斤。

氢气的成本也会大幅度下降。目前最低是 40 元/公斤，随着大批量规模化运氢，到 2020 年可以降低到 20 元/公斤左右，最终可以降低到 2030 年的 9 元/公斤以下，上午院士也讲到煤制氢可以达到 10 元/公斤以下的成本。加氢站的成本也非常高，并且最重要的就是关键零部件，比如氢气压缩机和加氢机，这些大部分是通过进口的，随着批量化和国产化可以大幅度降低加氢站的成本。现在一般 2 吨以上的加氢站成本可以在 1000 万元以上，2030 年可以降到 350 万元。

以上我们分析了整车的运营成本，这是三类公交车的对比，插电式混合动力、纯电动和燃料电池车的运营成本。现在来看插电式混合动力的百公里油耗是 15 升，电耗是 66 度电/百公里，氢耗是 7.5 公斤/百公里。随着氢耗、油耗和电耗的降低成本都会降低，但是降低幅度最快的是燃料电池的运营成本，最终燃料电池的运营成本是可以降低到 0.5 元/公里。其实这也是很多人有疑问的，未来如果燃料电池车大批量推广应用，它的运营成本到底能不能降到比现在纯电动的运营成本还低？经过我们和氢气的供应商整个产业链的调研是可以达到这个成本的，时间其实是可以随着技术的加快提前的。我们预估到 2030 年比节能与新能源汽车技术路线图里面的规划低，最终随着氢耗和氢气成本的降低，氢气燃料客车的运营成本肯定可以降到比纯电动还低。

按照国家新能源汽车技术路线图的规划以及国家对产业链的调研，随着关键材料和关键零部件的国产化和规模化，2030 年整车成本可以大幅度降低，整车可以降到 60 万元，运营成本可以降到 0.5 元/公里，加氢站可以降低到 330 万元，氢气成本可以降到 9 元/公斤。这个时候整个氢能燃料电池产业就会起来，燃料电池汽车就会实现大规模的推广应用。

燃料电池的挑战

综合以上分析，燃料电池主要是五个方面：整车、燃料电池系统、车载氢系统、氢能以及加氢站的主要工作。燃料电池整车肯定是经济性会逐步提升，续驶里程会大幅度提升。氢耗现在还有很大的优化空间，包括整个整车纯电动系统平台的电耗降低以及燃料电池系统效率的提高，这些都会降低整车氢耗，续驶里程也会大幅度提高，甚至可以达到 1000 公里以上，低温冷启动也会达到 -30℃ 甚至 -40℃。

我们对比了整个燃料电池动力系统，说的就是电电混合系统，主要包括图里灰色的部分，就是氢系统、燃料电池系统加上一部分的动力电池，这部分是和纯电动的动力电池功能完全一样的。随着燃料电池效率和功率密度的增大，车载氢系统储氢密度的增加，燃料电池动力系统的能量密度将远大于纯电动的电池能量密度。随着关键零部件的国产化和规模化，电电混合系统的成本也会远低于纯电动的成本。

昨天也有讲到纯电池的能量密度正在提升，250 瓦时/公斤到 300 瓦时/公斤，但是电力系统的能量密度完全不在一个水平级上。燃料电池的能量密度现在是 205 瓦时/公斤，主要是用燃料电池的系统功率比较小，动力电池比较多，所以导致重量比较重。未来随着燃料电池功率增加动力电池功率减少，我们会大幅度提升电电混合系统的能量密度，可以从 472 瓦时/公斤到 1400 瓦时/公斤，甚至接近 2000 瓦时/公斤。丰田的能量密度基本上就在这个位置，提升也是非常容易的，动力电池提高到 300 瓦时/公斤非常困难。

现在燃料电池电电混合系统就是四个部件，合起来的成本与存储能量加上动力电池的能量除以整体的成本来看，2018 年这个成本肯定还是相对比较高的，就是每瓦时基本上是 4 ~ 5 元左右。随着关键零部件的国产化、系统的规模化，燃料电池电电混合系统的成本也会大幅度下降，最终燃料电池系统可以降低到 0.15 元/瓦时，但是动力电池的成本也在大幅度下降，最终可能从 0.1 元/瓦时降到 0.06 元/瓦时，燃料电池系统的成本降低肯定可以达到这个程度。

燃料电池系统的寿命将持续延长，额定功率和效率将持续提高。上午讲到寿命会大幅度提升，满足整车八年使用寿命的要求，也会逐步达到现在纯电动客车出口到欧洲十五年寿命的要求，额定功率也会大幅度增加，最终燃料电池系统的额定功率应该是和现在柴油车的额定功率相当。功率的提高也会带来燃料电池效率的提高，达到 60% 的效率。

车载氢系统的储氢密度和储氢压力，可靠性也会逐步提高。储氢密度现在国内在 3%左右，未来我们是用高压储氢。还有刚才讲到的液氢可以把储氢密度大幅度提升，提升达到 7% 以上。储氢压力是从 35 MPa 向 70 MPa 迈进。

我国氢气资源是非常丰富的，上午干勇院士也讲到可以因地制宜。2016 年中国氢气产量是 1850 万吨，煤制氢占到 60%，副产氢占到近 20%，其实这些副产氢可以满足 40 万辆燃料电池公交的需要。氢气的来源是非常多样的，可以因地制宜选择合适的氢气来源，也可以根据运输量选择管道运输和高压运输等不同的运输方式。

全球加氢站建设正在提速，加氢站和加油站合建的方式已经出现。目前世界上有 289 个加氢站，很多专家都已经讲到，相比 2015 年的 54 座增加了 70%。目前我国的加氢站正在非常快速地建设，现在已经建成的有 14 座。按照国家节能与新能源汽车技术路线图的规划，随着燃料电池车对氢气需求量的增加，我国的加氢站数量会逐步增加，2020 年的 100 座到 2030 年的 1000 座。

对产业方面的几个建议

1. 电堆方面。我们建议促进燃料电池电堆全产业链的发展，提高电堆寿命和降低成本。上午也有几位专家讲到电堆，重点是寿命的提升和降低电堆的成本。燃料电池系统方面也要抓关键领域、补短板环节，联合国内外优秀的厂商生产燃料电池专用零部件，提高其可靠性降低成本。

2. 氢气方面，我们联合氢能产业链相关企业，共同推进氢能产业链不断发展，降低氢气生产、存储以及运输的成本。

3. 加氢站方面，三站合一。要在国内实施加氢站、加油站和加气站的合建，解决城市用地难的问题和安全管理的问题。

我们的愿景是燃料电池驱动未来、氢能改变能源格局。谢谢大家！

编辑整理：厚势分析师以梦为马

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