特斯拉专利解析报告

特斯拉专利解析报告北京新能源汽车股份有限公司2014年7月目录1特斯拉专利简介错误!未定义书签特斯拉公司简介错误!未定义书签特斯拉专利总体介绍错误!未定义书签专利初步筛选分析错误!未定义书签重点专利介绍错误!未定义书签重点专利分布统计错误!未定义书签重点专利的专利所有权错误!未定义书签2锂离子电池错误!未定义书签电池热管理系统错误!未定义书签冷却系统结构优化错误!未定义书签温度控制的结构错误!未定义书签温度控制的控制策略错误!未定义书签热失控的检测错误!未定义书签防止或抑制热失控蔓延的措施错误!未定义书签小结错误!未定义书签电池系统充电控制策略错误!未定义书签不同充电倍率的控制策略错误!未定义书签基于工况确定充电SOC阈值的控制策略错误!未定义书签。充电控制器错误!未定义书签过充保护系统错误!未定义书签小结错误!未定义书签18650电池单体结构改进报告错误!未定义书签针对电池端盖的改进错误!未定义书签针对电池外壳的改进错误!未定义书签针对电池中心销的改进错误!未定义书签小结错误!未定义书签电池箱密封错误!未定义书签电池包外用密封胶方法及装置错误!未定义书签密封的电池包壳体错误!未定义书签小结错误!未定义书签冷却液泄露的检测和处理方法错误!未定义书签。高压电解与低压电解简介错误!未定义书签低压电解的监测与响应错误!未定义书签高压电解的监测与响应错误!未定义书签小结错误!未定义书签动力电池安全性检测技术错误!未定义书签电池箱安全防护措施错误!未定义书签安全性辅助评估技术错误!未定义书签小结错误!未定义书签3电机部分错误!未定义书签电机电压超调估计反馈错误!未定义书签电机电压超调控制流程错误!未定义书签电机空间矢量调节SVM错误!未定义书签。基于电机转子组件温度估计的矢量控制错误!未定义书签电机转子关键温度组件的替代物错误!未定义书签电机关键温度组件替代物温度的测量错误!未定义书签基于温度的电机转矩控制错误!未定义书签电机低速和高速加权控制错误!未定义书签整个速度范围电机磁通估计错误!未定义书签低温下电机发热控制模式错误!未定义书签低温电机发热系统错误!未定义书签低温电机供热多通道系统错误!未定义书签总结错误!未定义书签4整车部分错误!未定义书签驱动系统错误!未定义书签电动车辆双电机驱动控制系统错误!未定义书签全驱电动车辆控制系统错误!未定义书签整车碰撞防护结构错误!未定义书签电池系统防护结构错误!未定义书签碰撞防护装置错误!未定义书签与国内专利比较错误!未定义书签总结错误!未定义书签5界面控制系统错误!未定义书签。界面控制系统介绍错误!未定义书签控制系统模块化错误!未定义书签控制界面个性化错误!未定义书签控制界面自适应化错误!未定义书签听觉反馈控制系统错误!未定义书签接近激活系统错误!未定义书签触摸屏在车内的安装位置错误!未定义书签总结错误!未定义书签参考专利错误!未定义书签特斯拉专利简介特斯拉公司简介特斯拉(Tesla)汽车公司成立于2003年，总部设在美国加州的硅谷地带，以生产和销售电动汽车为主要业务，2010年6月29日，特斯拉在纳斯达克上市，其旗下的车型包括MODELS、ROADSTER，以及即将上市的MODELX。2014年6月12日，特斯拉电动汽车公司创始人兼CEO伊隆•马斯克在其博客上发布文章，宣布“特斯拉将不会对任何处于善意使用我们技术的人发起专利诉讼”免费公开其所有专利。对于特斯拉公司公开专利举动，业内存在不同的观点：(1)降低电动汽车零部件供应商成本，推动更多电动汽车基础设施的发展，使电动车更具吸引力、更便宜，这些最终都有利于特斯拉；(2)吸引其他汽车制造商使用特斯拉标准，当涉及电池和部分特种电动车时，选择特斯拉作为供应商；(3)利用特斯拉的曝光度引发深入对话，这可能最终带来专利体系改革，但当前美国三大汽车制造商(通用、克莱斯勒、福特汽车)并没有合作的意象；(4)仅仅是一种特斯拉宣传手段，特斯拉并没有以任何方式切断未来诉讼的可能。不论特斯拉公司基于哪种考虑公开专利，特斯拉在电动汽车销售和技术集成方面的优越性，伴随着ROADSTER和MODELS的上市变得越来越明显。借此特斯拉公司公开专利契机，开展对特斯拉专利的分析和对标比较，对于促进自身技术的完善和提升，具有重要的价值和意义。针对特斯拉电动汽车专利公开事宜，北京汽车新能源汽车有限公司和北京理工大学合作，对特斯拉的专利进行了梳理和分析。特斯拉专利总体介绍对特斯拉汽车公司在世界范围内的专利，进行了查询和整理，截止2014年共计671项专利，其中特斯拉公司在美国本土申请了绝不大部分的专利，其他少部分申请记录分布在欧洲、日本和其他地区，具体分布和各区域数量，如错误!未找到引用源。示：图1-1特斯拉世界范围内专利申请分布

专利初步筛选分析针对上述专利671项专利，除去：(1)和美国本土申请专利内容一致的其他区域的的专利；(2)美国本土外观设计类等非重点专利中内容一致(权利要求不一致)的专利。经筛选后还有360项申请记录，并对这360项专利进行了初步分析(1)年专利申请量下图是特斯拉申请专利的时间分布，可以看出，申请专利数量主要集中在2010年~2013年，且以2013年居多。申请数量逐年增加，2014年专利数量减少可能由于两种原因：(1)2014年申请的专利有较多还未进行第一次公示；(2)2014年特斯拉公司未处于新车型开发期。图1-2各年申请量(2)专利分类统计初步筛选后的360项专利的总体结构如错误!未找到引用源。所示：电池系统集成方法电池其他方面的改进单体电池结构优化电池安全检测或改逗电机控制其他初步筛选后的360项专利的总体结构如错误!未找到引用源。所示：电池系统集成方法电池其他方面的改进单体电池结构优化电池安全检测或改逗电机控制其他电机结构改进或制蛙其他结构优化整车驱动系统热管理系统结构冷却结构与控制热事故预防与控制总体系统布置与装即排气系统电池箱密封图1-3总体分类结构外观设计类主要包括整车、车门和轮毂三个子类。其中整车部分包括：触摸屏设计、座椅安装、车身外形设计、天窗控制；车门部分包括：车门的密封，车门的控制，车门的设计；轮毂部分包括：轮毂的外形设计。金属电池相关专利共有6项，主要包括：金属空气电池和非金属空气电池的复合使用，金属空气的充电管理和金属空气电池的安全管理。金属电池的优点是能量密度高，但金属电池供氧要求高、放电率低、可循环次数少。常见的有铝空气电池、锌空气电池、锂空气电池和铁空气电池。锂离子电池包括六个部分：（1）动力电池热管理系统，其包括a）热管理系统结构；b）热管理的控制策略；c）热失控的防护措施。（2）电池系统充电控制。⑶电池系统集成方法，其包括a）总体系统布置与装配；b）排气系统；c）电池箱密封。（4）电池安全监测或改进。（5）单体电池结构优化。（6）电池其他方面的改进，主要包括电池的容错性设计，电池的绝缘电阻测量，电池箱的干燥等。电机相关专利包括：（1）电机控制，其主要包括电机的驱动管理。（2）电机的结构改进或制造，包括a）转子制造；b）电机绕组制造方法；c）转子的冷却。；（3）电机其他方面的改进，主要包括转子温度估计和电机连接件整车部分的专利包括：（1）整车驱动系统，主要包括a）双电机驱动模式；b）全驱动模式；（2）结构优化，主要包括碰撞吸能结构；（3）整车其他方面，主要包括整车热管理和空气悬架控制系统；在初步分析的专利中，未归类的其他类专利主要包括：发电系统，充电站管理、出风口设计。特斯拉公司在整车轻量化部分，没有专利申请的记录，其原因可能如下：（1）整车轻量化不是特斯拉公司的核心技术，在整车轻量化技术方面，特斯拉公司不如其他汽车厂商；（2）特斯拉电动汽车的车身参照了其他汽车企业的设计（例如莲花、菲斯克）。（3）专利分类分布情况在初步筛选后的360项专利中，各部分专利的数目和在总体内所占的比例如错误!未找到引用源。所示。图1-4总体分类的分布可以看出锂离子电池系统方面的专利占总体专利的50%以上（184项），是特斯拉公司专利战略的重点，也是该公司历年来研究工作的重点。特斯拉公司在宣传中多次提及自身独特的动力电池系统技术，在专利保护战略中可以看出与宣传是一致的。同时，特斯拉汽车独特的18650小容量电池成组技术虽在电动汽车业界存在不同的声音，但现阶段看，在商业应用上是成功的。（4）专利所有权初步筛选的360项专利中，特斯拉公司原申请了很多专利，并引进了一部分专利；但目前很大一部分专利做了抵押。其分布情况如错误!未找到引用源。所示：图1-5初步筛选专利所有权特斯拉公司在锂离子电池部分做了很重要的专利布局，申请了大量有关锂离子电池的专利，并引进了一部分专利；目前作为特斯拉公司战略重点的锂离子电池部分的专利，很大一部分做了抵押。其具体情况如错误!未找到引用源。所示。图1-6锂离子电池部分专利所有权由上可知，特斯拉公司已经失去了包括核心锂离子电池技术方面的大部分专利的所有权，至于其宣称专利公开，并不能完全消除侵权的可能性。重点专利介绍针对上述初步筛选的360个专利，进行了进一步的分析，进一步筛选出75项专利，作为重点专利，进行了创新点的整理。重点专利分布统计作为重点的专利，主要包括锂离子电池部分（58项）、电机部分（4项）、整车部分（6项）和界面控制系统（7项），其具体分类和分布情况如错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。所示：

图1-7重点专利分类明细图1-8重点专利分类分布在重点专利分析中，主要是对特斯拉核心技术—锂离子电池部分做了详细的专利解读，并分析了电机部分、整车部分的比较新颖的结构或控制和界面控制系统的组成。重点专利的专利所有权75项重点专利中，基本上都是特斯拉专利原有的专利，只有很少一部分是引进的。重点专利部分的所有权和重点专利中锂离子电池部分的专利所有权如错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。所示。图1-9重点专利所有权图1-10锂离子电池部分专利所有权由错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。中可知，重点分析的75项专利中，有绝大部分专利做了抵押，其中特斯拉核心专利—锂离子电池部分，也绝大部分都做了抵押。经咨询，多数专家认为，特斯拉此举在战略上是整合社会资源的一部分。锂离子电池电池热管理系统当前，锂离子电池是电动汽车动力电池应用的主体，其充放电性能、使用寿命等均受到温度的影响，如错误!未找到引用源。~错误!未找到引用源。［1］。电池在放电过程中，要放出一定的热量，动力电池箱在狭小的空间中集中大量的锂离子电池（特斯拉汽车使用了近8000块电池单体），快速有效的散热冷却系统是必不可少的。当电池的充放电倍率增加时，如产生的大量热量不能及时排出，会进一步加剧热量的集聚，严重时将导致热失控。热失控也可能由电池内部短路、不正当的使用、机械滥用、制造缺陷，或者长期暴露在极端温度下等引起。热失控的起始阶段，主要体现在电池内外部的温度的异常快速增加，以及电池内部副反应导致的气体排放引起的内压增加。单体电池出现热失控的时候，高温高压有可能足以破坏电池封装，出现着火、甚至爆炸事故。事故电池单体的高温在缺乏电池间隔离防护的情况下也会传播到邻近的电池单体（错误!未找到引用源。所示［2］）。图2-2不同温度下动力电池的循环放电图2-1不同温度下动力电池的放电特性容量图2-3不同温度下动力电池储能特性图2-4电池热失控的蔓延特斯拉公司公开的专利中涉及到电池热管理的专利共计68篇，其中热管理结构与控制策略共计36篇，热失控的检测及其防护措施共计32篇。具体的分类如错误!未找到引用源。所示。通过筛选，其中的28篇作为重点专利进行分析。图2-5热管理相关专利分布冷却系统结构优化特斯拉使用液体为导热介质，其冷却系统的形式多种多样。本类型专利包含了两种，一是利用导热管的空间布置对电池进行冷却；二是直接利用冷却液对电池进行冷却。导热管型冷却系统优化特斯拉专利针对圆柱形电池进行导热管的优化［3］［4］，错误!未找到引用源。为优化前的流道结构，错误!未找到引用源。优化后的流道结构。优化后的流道结构更适应电池的形状，从而提高空间的利用率，且增大了与电池的接触面积，提升了冷却效果。图2-6优化前水道布置图2-7优化后水道布置虽然上述流道结构具有多种优点，但是在加工制造过程中，流道的弧度难以达到与电池严丝合缝的贴合，这就会导致电池与导热管的接触面积减小，造成导热不通畅。采用热界面材料制成导热管的导热套，与导热流道结合，如错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。。锯齿形的界面材料，不仅增大了与电池的接触面积，而且降低了对导热管生产工艺的要求［错误!未定义书签。］。701—导热管；703—热界面；705—平滑面；707—非平滑面；901—波浪形凸起；903—局部放大图；905—701—导热管；703—热界面；203—单体电池平滑面热界面厚度；907—非平滑面热界面厚度图2-8导热管截面图图2-9热界面与电池表面接触图错误!未找到引用源。为导热管的截面图，导热套套在管道外面，利用导热套外侧锯齿形结构增大与电池的接触面积，如错误!未找到引用源。所示。电池单体单体插入冷却管道时也需有特定的方向才能达到热界面与电池表面良好的接触情况，如错误!未找到引用源。所示。701—导热管；703—热界面；901—波浪形凸起；1401—单体电池安装方向

图2-10电池单体相对导热管安装方向示意图冷却水套型冷却系统优化冷却水套由一个空心的外壳组成，冷却液通过该壳体的入口和出口流入或流出，如错误!未找到引用源。所示[5]。电池以冷却剂隔离墙为界被划分若干组，冷却剂隔离墙将电池组和液体冷却剂隔离开流量控制器控制冷却液体流进和流出冷却水套的管道路径，例如使冷却剂流动路径在电池单体之间发生改变。图2-11冷却水套整体结构冷却水套的尺寸与其相应的电池单体数量相关，但也受制造工艺所限制，总体上来说，水套越大，对其进行密封就越难。此外，单个水套所能有效密封的单体数量受冷却液的体积及流速、单体和导热管之间的热接触面积、冷却液流入的温度、电池热负载及期望的单体温度范围所限制。图2-12电池模块隔离结构图2-13隔离墙与冷却液流动1图2-14隔离墙与冷却液流动2图2-15隔离墙与冷却液流动3如错误!未找到引用源。所示，采用机械可压缩的导热材料包裹每个单体即使单体和水套孔在温度变化时会以不同速率膨胀、收缩，这层材料可以确保获得必要的导热性。隔离墙可以控制冷却液的流动方向，以满足不同的功能需求，如错误!未找到引用源。~错误!未找到引用源。所示，通过改变隔离墙的位置可以得到如图所示的冷却液流动方式。温度控制的结构错误!未找到引用源。为温度控制系统的拓扑结构［错误!未定义书签。］，其中能量存储系统ESS在本文中指动力电池包。为将ESS(605)产生的热量及时疏散，特斯拉设计了两级冷却系统：右侧为电池冷却子系统(601)，通过冷却泵驱动冷却液对ESS进行液体冷却；左侧为制冷子系统(603),通过热交换器(605)，对右侧高温的冷却液进行冷却，加强冷却效果。若ESS温度处于第一温度范围内(较低温度范围，但需要冷却)，则开启液体冷却(617)和散热片(623)进行散热；若动力电池放电电流较大，发热量较高，使得ESS温度达到第二温度范围内，则在上述基础上增加风扇强制对流散热；若动力电池发热量进一步加大、或出现热失控，使得ESS温度高于第二温度范围，则在上述基础上开启制冷子系统，即双冷却系统，对冷却剂进行降温。在后续的专利申请中⑹，特斯拉对该结构进行了改进，在ESS内部布置多条流道结构1001、1003，通过节流阀控制流道内冷却剂的流量，可实现ESS内部的分区温度控制，提高其内部温度的均匀性，如错误!未找到引用源。。501-能量存储系统；601-电池冷却系统；603-制冷系统；605-热交换装置；607-压缩机；609冷凝室；611-

风扇；613-热平衡阀；615-干燥分离装置；617-导热管；619-冷却泵；621-冷却剂存储器；623-散热片；

625-风扇；627-加热器图2-16动力电池温度控制系统结构501-能量存储系统；601-电池冷却系统；603-制冷系统；605-热交换装置；607-压缩机；609冷凝室；611-

风扇；613-热平衡阀；615-干燥分离装置；617-导热管；619-冷却泵；621-冷却剂存储器；623-散热片；

625-风扇；627-加热器；1001，1003-导热管导热管；1005-节流阀；图2-17改进的动力电池温度控制系统结构为了满足电池的正常工作条件以及给乘客制热和制冷等需求，电动汽车一般需要多个独立的热管理系统，这使得其结构复杂、控制难度大。特斯拉针对上述情况提出了一种解决方法［7］，其主要结构分为冷却子系统，控制子系统，电池循环子系统和乘客舱循环子系统。如错误!未找到引用源。所示，冷却子系统(202)有多种降温的方法，例如，压缩制冷剂降温，制冷剂可以为四氟化碳或R134a(国际主流的环保制冷剂之一)等；通过电热方法如帕尔贴效应⑻(PeltierEffect,利用电流通过两种特殊物质的结点处而产生温度降低的现象)降温。乘客舱空调子系统(206)，用于为车厢降温。在传统汽车中，乘客舱空调子系统包括电风扇，导管和通风管等。如果该子系统中含有冷却剂，则子系统中还应有膨胀阀和蒸发器。可以通过电风扇吹过蒸发器使得蒸发器为车厢提供冷却空气。控制子系统用于管理冷却液或其他冷却介质在冷却子系统与电池循环子系统或车厢冷却子系统之间的流动。202—冷却子系统；204—电池循环子系统；206—车厢循环子系统；208—控制系系统

图2-18集中式冷却系统结构示意图将专利［错误!未定义书签。］与专利［错误!未定义书签。］结合，特斯拉给出了更广义的分区控制结构，通过程序(310)控制电磁阀(308)调节冷却系统对不同区域冷却剂的流量，实现不同区域的温度控制，如错误!未找到引用源。所示。302—冷却子系统；304—除电池以外需要冷却的区域1；306—电池区域；308—阀门；310—控制子系统

图2-19集中式冷却系统功能模块图在上述专利基础上，特斯拉从整车温度控制出发，建立了整车热管理的系统结构，如错误!未找到引用源。所示［9］。驱动冷却子系统、电池冷却子系统、乘客舱通风冷却子系统均以液体为主要的传热介质，并配有风扇和散热片。当散热量不大时，各子系统可自行完成温度控制；外界温度较高时，需要对驱动系统，乘客舱和电池箱进行散热降温，制冷子系统通过热交换装置，吸收电池箱和乘客舱冷却导管中的热量，达到降低冷却剂温度的作用，驱动系统中的冷却剂可通过节流阀，从乘客舱的冷却剂流道中引流低温冷却剂，从而加强冷却效果；环境温度较低时，需要对乘客舱进行加热，驱动系统发热量较大，需进行冷却，可联通节流阀(155)和(157)，将驱动冷却系统中已经加热的冷却液倒流到乘客舱中，待加热器和风扇将这部分热量散热至乘客舱后，再通过节流阀(159)将低温的冷却剂倒流回驱动冷却系统。通过节流阀调节各子系统冷却剂的流向，合理调配车辆运行中产生的热量，实现了低能耗下的整车温度的综合控制。101-驱动冷却子系统；103-制冷系统；105-电池冷却系统；107-乘客舱空调；133-热交换装置；109、

139、151导热管；141-冷却泵；155、157、159-节流阀；137-能量存储系统；

图2-20整车热管理系统温度控制的控制策略冷却系统控制策略针对不同复杂程度的系统结构，特斯拉给出了多个温度控制策略，有的仅以ESS内部温度作为参考，有的也将环境温度考虑在内，而且环境温度有多重获取方法如①传感器直接检测，②根据历史记录查表，③根据时间地点，去数据库查询等。本文给出了两个典型的温度控制策略［错误!未定义书签。］。错误!未找到引用源。为ESS分区温度控制策略流程图，首先判断ESS平均温度是否处于一定范围内（901），如高于该范围，则开启双冷却系统（903）；若低于该温度范围则关闭冷却系统（707）；若处于该范围内，则将环境温度与ESS分区内的平均温度进行对比（709），若环境温度高于分区平均温度则关闭该分区导热管导热管（1105、1107）；若环境温度低于分区内温度则开启分区流道，对该区域进行冷却（1109、1111）。低温下动力电池的充放电能力会下降，所以低温环境下应对动力电池进行加热，以提高其充放电性能，所以错误!未找到引用源。给出了带有加热系统的控制策略。若ESS平均温度低于第一个温度范围（T，T），则进一步判断是否低于12第二个温度范围（T，T）（1503）；若低于该温度范围则需要对动力电池进行加31热（1505），若处于该范围则关闭冷却系统（715）。图2-21ESS温度分区控制策略图2-22ESS温度综合控制策略加热控制策略动力电池预热的热量来源包括如下几个方面：①动力电池上附加加热器；②弱化或停止冷却系统；③从环境中吸热；④主电动机冷却系统中的冷却液；⑤将散热用的冷却剂加热。错误!未找到引用源。为预加热系统拓扑结构［10］，温度比较装置（208）监测动力电池温度并与预设温度值进行比较，当动力电池温度低于预设温度值则向控制回路（210）发出低温信号；控制回路会确定当前温度点至预设启动车辆时间点的剩余时间，并发出可预加热指令；根据该指令，控制回路驱动加热系统对动力电池进行预加热。能耗评估系统会检测预加热能耗因数，并与预设值进行比较，高于预设值时停止预加热，低于预设值时会重新发送可预加热指令至控制回路，继续进行预加热，如错误!未找到引用源。所示。若剩余时间低于一定数值时，预加热则不受能耗因数限制，直到加热至预设温度值。206-动力电池系统；214-加热系统；208-温度比较器；210-控制回路；212进一步控制回路；能耗评价回

路；用户界面图2-23预加热系统拓扑结构图2-24预加热能耗和电池温度对时间的关系热失控的检测热失控的检测方法探测热失控最好的方法就是尽可能提前预报热事件，这样可以提供充裕的时间消除或降低对电池的伤害。以下专利分别采用不同的方法预报热失控，依据不同的检测参数可分为：气体压力检测法、热敏电阻检测法、绝缘电阻检测法、电压检测法、光纤检测法。（1）气体压力检测法通过检测电池包内部气体压力变化来判断是否发生了热失控［11］。其原理实：在一个密闭的电池箱内，检测发生热失控时箱内气体压力的变化。通过拟合检测的压力曲线（拟合的时间段是8-13秒），判断其是否按照指数衰减的，如果是按指数衰减则未发生热失控；如果不是按指数衰减，则表示出现热失控。其检测流程，如错误!未找到引用源。所示。将监测的电池箱内部最近100秒的压力数值与压力数据进行比较（303）；若压力异常，则拟合压力曲线（305）；将拟合的压力曲线与热失控时的压力曲线比较，是否是按照指数衰减；如果是，做出非热失控的响应（313）；如果不是，则有可能是热失控引起的事件，再次检测二次的响应（505）；若再次确认的二次影响在一定的时间内，则确认发生了热失控并做出响应（309）。为了避免外界环境或者其他因素的影响，需要二次检测系统，它利用温度、湿度、冷却液的温度作为参数，辅助判断热失控。检测周期可分别设定为5s、30s、lmin、5min、lOmin。记录温度、时间、压力，并输出：警告、启动热管理系统、传输时间信息、灭火、功率输出管理等信号。301-开始压力检测；303-压力异常检测；305-拟合压力曲线；313-非异常响应；501-二次影响检测；503-时间检测；309-热失控响应图2-25内部压力检测流程图（2）热敏电阻检测法错误!未找到引用源。所示，热敏电阻（103）测量电池（101）表面的电阻值变化［12（］阻值随温度而变化）；以测量到的电阻值的连续性作为第一判断条件，当温度升高的时候，电阻值的连续性被打断（由于阻值的突然增大）；并结合第二判断条件：温度变化速率、温度值（避免功率输出带来的温升）。（301）是一个已知温度特性的热敏电阻，用来监督装置（105）是否正常工作，在正常工作时可以显示准确的（301）电阻值。101-电池；103热敏电阻；105电阻检测；109-控制系统；113-报警系统；115-负载控制；117-冷却系统；119-火控系统；121-系统检测；123输出系统图2-26热敏电阻值检测原理（3）绝缘电阻检测法错误!未找到引用源。是通过检测电池包的绝缘电阻值的变化来判断是否发生了热失控的事件［13］［14］。绝缘电阻的变化过程如下所述，（703）表示绝缘电阻降。由于电池箱内部过热产生的导电气体，（705）是由于排气阀打开导电气体释放，使得绝缘电阻值恢复至初始值；基于第一次的后续的导电气体的释放，（707）绝缘电阻值下降，导致第二次的导电气体的释放，恢复过程有些缓慢。但是若发生了热失控，则出现（709）绝缘电阻值降低后是无法恢复的。703-绝缘电阻降；705-绝缘电阻升；707-绝缘电阻降；709-失控时绝缘电阻图2-27电池包绝缘电阻阻值变化（4）电压检测法错误!未找到引用源。为热失控的电压检测方法［15］。该装置将一个绝热导电部件置于或接近电池或电池组的外表面。电压测量系统（105），测量导热部件内部导电电芯（301）的电压，若电池或电池组处于预定温度范围内，则电压测量系统输出第一种信号；若电池或电池组超过或低于预定温度范围内，则电压测量系统输出第二种信号。101-电池；301-导电体；303-导电体；305-绝缘部件；图2-28电阻阻值检测方法错误!未找到引用源。中，（103）由同轴的两种导体和中间的绝缘物质组成，其中的一个导体（301）连接着参考电压源和限流电阻，另一个导体（303）与电压测量装置连接。（105）是电压测量装置，（107）是参考电压值，（301）和（303）分别是两种不同的电导体，（305）是绝缘物质。在发生热失控时，（305）绝缘的物质会融化，这样使得（303）与（301）连接到一起，在（105）监控（303）的电压会变化，由此判断热事件的发生。如果是两个导体分别包裹着不同融化温度的绝缘物质，则可检测到两种不同的热事件的温度。（5）光纤检测法错误!未找到引用源。提供了一种方法和装置可用于判断电池包中电池单体或多个电池出现异常的热行为［16］。如热失控，该系统使用的光纤安装在靠近或接触要监控的电池或电池组的外表面。光纤103一端耦合一个光源105，探测器107，通过检测光纤另一端的输出光的强度确定电池的健康状态。101-电池；103光纤；105-光源；107-接收器；109-控制系统；113-报警系统；115-负载控制；117-冷却

系统；119-火控系统；121-系统检测；123输出系统图2-29光纤检测热失控方法错误!未找到引用源。所示，为了提高探测的灵敏度，对温度变化的灵敏度，添加了滤光片（301），（301）是一个带通滤光片；所以在发生热事件使得温度上升时，波长变化带较窄，就容易判断出温度的变化。为进一步增加探测的灵敏度，添加了滤光片（403），（403）是一个带通滤光片。增加了分光片（501），把一束光分成两束光，这样可检测两种不同波长的光束，不同光束对温度变化的敏感度不同，由此可以提供更多的温度变化信息。为了增加系统的可靠性采用了斜置的分光片，把光源（105）发出的光引回到系统控制器。这样在（10）7探测到光强度变化时，需要参考引回到的光是否是正常光源（105）发射的光。防止误判断的发生。图2-30光纤检测热失控方法热失控检测系统的自检方法为保证上述热失控检测系统安全可靠的运行，专利［17］给出了对于热失控检测系统的自检方法，如错误!未找到引用源。。测试电池单体（105）由专门的外部电源（111）供电，控制器（113）根据预设程序，对测试电池充电，模拟充电热失控状态。此外，该外部电源也可以是负载，通过控制器，模拟电池放电热失控状态。101-电池组包；105-测试电池单体；103-模型外壳（modulehousing）；107-电池；109-测试导线；111-

测试电源；113-控制器；115-存储器；117-人机交互系统。图2-31热失控检测系统的自检方法该系统的控制策略如下：图2-32自检系统的控制策略防止或抑制热失控蔓延的措施18650动力电池单体发生热失控后，可在短时间内释放30kJ热量，这些热量若不能及时散出，将引起周围电池的温度升高，进而发生热失控的蔓延，若整箱动力电池均出现热失控，将释放240MJ的热量，这将对乘客带来致命的伤害，所以必须采取措施阻止或抑制热失控的蔓延。出现热失控后，电池箱狭小的控制限制了散热。特斯拉提出了热屏障和热熔断两种方法，用于防治热失控的蔓延。防止热失控蔓延的热屏障在电池单体之间、电池组（电池模块）之间、电池箱与乘客舱之间设置热屏障，提高热失控电池向其他电池传热的热阻，可达到阻碍热失控蔓延的目的。（1）电池单体之间的热屏障膨胀材料在受热的情况可吸收热能，在动力电池外侧或内侧加装膨胀材料［错误!未定义书签。］，如错误!未找到引用源。A、B所示。通过实验对比可有效的防止或减缓热失控的蔓延，错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。。膨胀材料也可设计为多层结构，如图C所示。（801）和（803）为不同的热膨胀材料，其材料属性有以下几种搭配方式：①内层热熔高于外层，内层可及时吸收动力电池的热量，电池进一步产热可由外层吸收；②内层膨胀临界温度低，外层高。内层可及时吸收动力电池热量，使其维持在较低温度环境下，若电池继续发热，温度升高，可由外层继续吸收；③导热能力内高外低，内层高导热能力材料可迅速将热量导出，外层材料可起到热隔离作用。这几种方式均可起到延缓热失控蔓延的作用。ABC

图2-33动力电池单体加装膨胀材料结构示意图图2-34安装膨胀材料可抑制热失控的蔓延（2）电池组之间的热屏障为了加强电池箱的强度，在电池箱中加入了分区隔板，每个分区中有一定数量的电池。分区隔板采用耐高温、低传热率的材料制成，可有效的阻碍热失控蔓延到其他分区，如错误!未找到引用源。所示［18］。此外分区隔板有多中结构方式，错误!未找到引用源。A在隔热板中增加了导热管，在阻隔热量蔓延的同时，将热量导出；错误!未找到引用源。B将隔热板做成分层结构，外层具有较好的导热特性，可及时的将热量导出，而中间层的导热能力较低，使传递到相邻区域的热量最小。201-分区隔板；203动力电池；205、208、207-电池箱外壳；图2-35圆柱形动力电池的热隔离结构图2-36分区隔板的结构（3）电池包和乘客舱之间的热屏障若上述方式没有有效的阻碍热失控的蔓延，使电池箱内出现大范围的热失控。为防止热量会扩散至乘客舱，在电池箱与乘客舱之间添加一层阻燃的隔热层，如错误!未找到引用源。［19］。该隔热层具有良好的高温稳定性和隔热效果：环境温度为lOOOoC时，其导热系数低于mK。可在900oC高温下保持结构稳定，并能在lOOOoC高温下坚持10s。隔热层具有分层结构，如错误!未找到引用源。夕卜侧是防水层（1305），内部靠近电池箱的一层是隔热层（1303），大约6毫米厚，由二氧化硅和氧化钙的纤维与粘合剂组成；靠近乘客舱的一层经过高度压缩的塑料层（1301）,大约3毫米厚，由闭孔发泡聚氨酯片材构成。此外，隔热层还具有良好的降噪减震作用。101-动力电池箱；202-电池箱与乘客舱隔板；图2-37动力电池与乘客舱的分隔结构403乘客舱；501-动力电池箱；1301-高压缩塑料层；1305-防水层；1303-隔热层图2-38电池箱与乘客舱分隔层结构示意图（4）差异化传热阻碍热失控蔓延前文讲述的抑制热失控蔓延的措施可归结为增大热量向电池外部传播的热阻。若将该方法与电池箱内的冷却系统有效的结合，使热量差异化的传播也可有效的阻碍热失控的蔓延［20］。错误!未找到引用源。为某电池连接的俯视图。电池单体（202）通过连接线将正负极连接起来，实现动力电池的串并联；导热管通过热界面材料（TIM）216与电池进行热交换。电池单体之间存在空气间隙D1和D2。错误!未找到引用源。为电池传热数学模型。电池（202）处于电池箱的角落，由于电池箱外壳的限制该电池的散热环境最差。若电池（202）出现热失控，其热量会通过TIM（热阻为R1）传播到导热管，也会传播到相邻电池上（热阻为R2）。若要求热量尽可能多的通过导热管导出，则有如公式（1）要求，也就是使热量大部分通过导热管传递至电池箱以外，而不是传递到相邻电池。R/R1（1）21202电池单体；204、206-导热管；215-正极板；217-负极板；220-busbar；216-热界面材料

图2-39某电池连接的俯视图图2-40电池传热数学模型防止热失控蔓延的电池固定装置错误!未找到引用源。为传统的电池固定方式，动力电池单体（101）固定于支架103和（105）上，出现热失控时，电池单体会释放大量的热，电池温度会迅速升高的900C这将导致电池支架变形，电池单体之间的间隙无法保证，可能会出现接触。导热方式就由辐射换热和对流换热转变成了热传导，这将大大加快热量传播的速率。因此，要防止热失控的蔓延还应支架内增加电池单体的隔板结构，采用耐高温材料，即使支架已经变形，隔板依然能够保持动力电池位置。图2-41传统的电池固定方式ABC图2-42动力电池单体隔板结构示意图之一错误!未找到引用源。为一种动力电池单体隔板结构示意图。曲型隔板（306）置于两行动力电池之间，动力电池上下方向的位置分隔由隔板厚度实现固定；左右方向的位置分隔通过隔板的曲线弧度实现固定。该隔板由高熔点、低导热性的绝缘材料构成，例如：基于氧化铝的织物、芳纶纸、玻璃纤维等。该隔板高度可与电池高度等高，也可分为上下两部分，分别安装于上下支架（401、303）上。图2-43动力电池单体隔板结构示意图之二错误!未找到引用源。给出另一种隔板示意图，圆形孔703内放置动力电池，电池之间的距离由短杆（705）保证。该隔板根据电池箱尺寸以及电池位置单独加工。装配时先将隔板放入电池箱支架（701）上，再将电池放入圆孔中。在此结构的基础上，将定位孔和支架结合，在支架上加工短杆的安防沟槽就形成了错误!未找到引用源。所示的结构，该结构减轻了系统质量也保证了强度。此外还有多个隔板结构，请参照专利［21］。图2-44动力电池单体隔板结构示意图之三防止热失控蔓延的熔断结构另一种防止热失控蔓延的方法是利用热失控产生的高温，将电池之间的连接导线熔断，断开连接，从而阻止热失控的蔓延。（1）熔断策略专利［22］提出了一种用于熔断电池连接的电池连接方式，其中（150）和（140）为两个导体面，（118）和（120）为绝缘材料，用来对电池固定。导电线（144）由可熔断材料如铝镍合金构成，比传统的保险丝更加易于更换。允许通过的最大电流比电池所允许的最大电流略高。当电池发生短路的时候，电流超过可熔断的线的可承受值时，导电线熔断，保护其他电池的安全。图2-45电池连接方式（2）熔断材料如错误!未找到引用源。所示，可变形的电池连接结构（12），可以在危险工况下自动短路，连接部件通过超声波焊接连接到电池（14）与导电汇集板（24）。在发生撞击变形或者短路时，通过应力或者热应力使其断裂，隔离故障单体电池，避免短路危险［23］连接部件（12）的截面积，可以是圆形，方形等形式，材料：铝合金材料（纯度%等，1%的硅元素），其中还可掺杂镁金属（增加连接强度），金属镍（增强抗腐蚀），长度尺寸（英寸），截面尺寸（X或者X英寸）。12-电池连接件；14电池单体；16-电流汇集板；18-卡座图2-46电池连接结构（3）灭弧的方法电池连接熔断时会产生电弧。如果不能迅速灭弧，由此会产生大量的热量，201—201—电池包顶部部件；203—中空侧面结构部件，用于排气；205—边缘部件；207—电池包后部角落即使不能使材料燃烧，也会对其造成损害。所以需要采取一些预防措施，如开关，继电器，保险丝等添加的电池组的设计中。如错误!未找到引用源。为一种灭弧的结构形式［24］，电池单体两端用保险丝（309,311）连接，选择特定的单体电池最后断开连接（保证其连接的阻抗最小），通过改变连接311的截面积和长度，保证其最后断开，利用了快速灭弧方法。301-电池箱体；303-电池单体；305/306-电流汇集板；309-保险丝；311-改进保险丝；313-隔离套；

307/308-导线；图2-47灭弧结构热失控后的排气系统动力电池发生热失控时每块电池单体会释放5L高温可燃气体（以18650电池为例），一辆电动汽车需使用近8000块电池单体，将释放大量的高温可燃气体。为快速将气体释放，特斯拉公司在电池箱的多个位置设计了失效排气结构。发生热失控时，高温易燃气体可破坏失效端口，并由此排出，降低热失控的危害。（1）排气系统总述101—传动系；103—电池包；104—车辆底盘；105—功率控制模块；107—电池隔间；107A—前部电池包分区；109—电池包中央部件；111—典型的电池包模块；113—单独的电池；115—排气口；117—压力平衡阀；

119—排气路径；121—车辆外廓；123—定向排气路径；125—电池包内墙图2-48电池包布置示意错误!未找到引用源。为电池系统在车上的布置图，其中，（107A）处有两个电池包上下叠放在一起。当热失控发生时，为尽快将电池包内产生的高温气体、物质排放出去，每个电池包分区均应能够排气。为此，特斯拉公司为每个电池包分区（107A、107）设计了相应的排气系统。对于（107A）处的电池包，可直接通过电池包定向排气系统通过错误!未找到引用源。中的排气口总成（307）将气体沿（123）所示的方向直接排出［25］；而对于（107）处的电池包，则可通过电池包排气系统［26-27］先将气体集中到错误!未找到引用源。中（203）处的结构中，然后通过错误!未找到引用源。中（207）处的排气口统一排出。301—电池包内部横梁；303—中央部件；305、307—排气口总成；309—电池包分区，内有6个排气口总成

305；311—电池包分区，内有3个排气口总成307图2-49电池包支撑结构图2-50电池包2）电池包定向排气系统错误!未找到引用源。所示的电池排气总成安装在错误!未找到引用源。中的排气口总成307处，包括一个集成的排气口、一个覆盖排气口的阀承载体以及多个阀。当高温气体通过阀承载体孔排出时，阀承载体熔化，使得高温气体能从更大的排气口沿错误!未找到引用源。中（123）所示的方向排出。①排气口总成错误!未找到引用源。~错误!未找到引用源。为排气口总成805的多个视图。排气口总成（805）的排气过程如错误!未找到引用源。所示，阐述如下：如图2-55a）所示，正常状况下，伞阀1003紧贴阀承载体（901）表面，使阀保持密封；热失控初始阶段，电池包内的压力增大到一定程度后，弹性伞阀（1003）会离开阀承载体（901）的表面使气体能够流出，如图2-55b）所示；随着电池包内压力的继续增大，最终伞阀（1003）会沿着（1403）所示的路径弹出，高温气体、物质流过排气口时，由盖板（1301）及阀承载体（901）会熔化，形成更大的排气路径，如图2-55c）所示。1003—密封件或伞阀，用于密封排气口；1005—二通压力平衡阀；1007用于为固定盖板1301的螺栓提901—阀承载体，遇到高温时熔化；903—电池包底板；供支撑；此图为阀承载体901的外部视图，安装在905—排气口；907—阀承载体孔；909—阀延伸区域排气口1001上图2-51电池包内部阀承载体安装视图图2-52电池包外部阀承载体安装视图1201—伞状部分；1203—倒钩部分，勾在阀承载体孔907上；1205—尖端部分图2-53伞阀图2-54伞阀侧视图1301—用于保护阀1003的盖板，遇到高温时熔化；1303—通孔，保证当阀打开时空气可流过阀总成；1305

—螺栓；1307—延伸部分

图2-55阀总成盖板安装示意图图2-59伞阀图2-60伞阀侧视图图2-56伞阀剖视图②排气导向结构热失控发生时产生的高温气体在电池包内部压力的作用下，经过错误!未找到引用源。中的排气导管（803）从排气口总成（805）排出。801—车辆前进方向；803—排气导管，其盖住了排801—电池包分区横梁密封件；每个排气口总成305气口总成805包含一个密封件901，此处为伞阀；1101—载体图2-57车辆最前部电池包示意图2-58电池包分区中排气口总成示意（3）电池包排气系统错误!未找到引用源。~错误!未找到引用源。所示的排气阀总成［错误!未定义书签。］安装在错误!未找到引用源。中的排气口总成（305）处（错误!未找到引用源。中的（305）为其放大图），由密封阀、阀承载体及排气引导结构组成。正常情况下密封阀将排气口密封，而当热失控发生时，高温易燃气体、物质使得阀承载体熔化，形成大的排气口，高温气体即进入排气引导结构，最终将气体排出。①排气阀总成排气阀总成的排气过程如错误!未找到引用源。所示。正常情况下，伞阀（901）置于排气口（1201）内，倒钩部分（905）紧扣在阀承载体孔（1103）内，使阀保持密封，如错误!未找到引用源。a）所示；当伞阀（901）受到电池包内的一定大小的压力后发生变形，使气体沿路径（1207）排出，如错误!未找到引用源。b）所示；随着电池包内压力的继续增大，最终伞阀（901）会沿着路径（1209）弹出，高温气体通过更大的路径排出，如错误!未找到引用源。c）所示；随着高温气体沿排气口（1201）排出，阀承载体（1101）熔化并从排气口（1201）喷出，为高温气体、物质的流出提供更大的开口，如错误沬找到引用源。d）所示。903—伞状部分；905—倒钩部分，勾在阀承载体孔907上；907—尖端部分

1101—阀承载体；1103—阀承载体孔；1105—阀承载体的卡扣部分1101—阀承载体；1103—阀承载体孔；1105—阀承载体的卡扣部分图2-61阀承载体905c)1201—排气口；1203—电池包底板；1205—气体流通区域；1207—气体流通路径图2-62伞阀的剖视图②排气导向结构气体从排气阀总成排出后，需经过一定的排气导向结构［错误!未定义书签。］将多个排气口中的气体集中起来，如错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。所示。1601—排气引导结构，其安装在电池包下方；1603—螺栓，其将1601连接到电池包外部；1605—凹槽安装部件，其连接到车辆底盘或电池包上；1607—排气孔，与排气口1201有一定距离；1609—1601的表面；1611为排气路径图2-63电池包下部排气导向结构图2-64排气导向结构剖视图③排气引导结构及排气口气体经排气导向结构［错误!未定义书签。］集中起来后，需经过排气引导结构［错误!未定义书签。］通过统一的排气口（703）排出，如错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。所示。高温气体通过错误!未找到引用源。中505（a）（即错误!未找到引用源。中的203）所示的空心结构集中后，从排气口（703）（即错误!未找到引用源。中的207）处统一排出。错误!未找到引用源。为错误!未找到引用源。中703处的剖视图。

501—车辆结构件；505—电池包侧面中空结构件；507—上部空腔；508—中部空腔；509—下部空腔，无穿孔；511—电池包上部空腔507穿孔，与上部空腔507相通；513—电池包中部空腔508穿孔，与中部空腔508相通；510—下部外腔，其上表面605及下表面607均有穿孔；515—部件505内壁，上有511及513

穿孔图2-65图2-65排气引导结构图2-66排气引导结构剖视701—电池包角落部件；703—排气口图2-67排气口701—电池包角落部件；703—排气口图2-67排气口压力平衡阀；805—阀保持件；807—排气口盖，其

在热失控时打开图2-68排气口剖视(4)使用SMA密封圈的电池包排气口使用形状记忆合金(SMA)密封圈的电池排气口总成［2&由密封件、SMA保持件、密封圈等组成。正常状态下，SMA保持件处于其初始形状状态，抓住密封件末端部分，并使密封件处于排气口内；当SMA保持件被加热到其相变温度时，它从第一形状变形到第二形状，而第二形状释放密封件的末端部分，使得热失控发生时，密封件从被喷出，排气口打开。①排气口总成905—排气口，为圆柱形；907—排气口末端部分；909—螺母；911—0环；1001—密封件；1003—密封件

上端部分；1005—连续的沟槽；1007—SMA保持件；1009—保持件卷曲部分，与1005配合；1011—加热元

件，可在检测到热失控时主动加热1007图2-69排气口总成剖视图图2-70SMA保持件变形前视图图2-71SMA保持件变形后视图错误!未找到引用源。为错误!未找到引用源。中A区域的细节放大图；错误!未找到引用源。为SMA保持件(1007)被加热到其相变温度后的视图，此时SMA保持件(1007)不再抓紧密封件(1001)，使得增大的压力能够迫使密封件(1001)离开排气口(905)，形成最终的排气路径。②SMA触发系统为使SMA能在热失控发生时及时排气，还配有SMA主动触发系统。当热失控检测系统（1603）检测到热失控，或碰撞检测系统（1605）检测到碰撞事故等可能严重损伤电池包的行为，而存在潜在的引发热失控的可能性时，系统控制器（1601）就会触发SMA加热电路（1607）,使得SMA保持件发生变形，则SMA保持件从排气口喷出，如错误!未找到引用源。所示。图2-72SMA保持件主动触发系统（5）具有热失控释放系统的电池包壳体①热失效排气装置错误!未找到引用源。为电池箱结构示意图［29］，电池单体（303）安装于动力电池箱中，可压缩垫片（309）置于电池箱下壳体（305）的法兰（311）上，与电池箱上壳体（307）连接时可起到密封的作用。电池箱通过电气连接器（315）与外部电气设备连接，通过冷却装置连接器（317）与冷却系统连接。双向减压阀（319）用于调节电池箱内部压力。但是，动力电池出现热失控时，电池箱内温度和压力迅速升高，减压阀无法满足降压需求，于是设计了热失效排气装置（321）。主要的失效结构如错误!未找到引用源。所示。303—电池单体；305—电池箱下壳体；307—电池箱上壳体；309—可压缩垫片；311—法兰；315—电气连接器；317—冷却装置连接器；319—双向减压阀；321—热失效排气装置图2-73动力电池箱结构示意图表2-1热失效结构举例序号主视图侧视图原理1密封剂601将端盖503固定于失效端口上,当内部温度或压力高于预设数值时，密封剂失效端盖脱落。2加工制造动力电池箱时，将预设失效端口位置加工成薄壁结构，当动力电池发生热失控时，在高温高压的作用下，破坏薄壁，从而散热降压。3加工制造动力电池箱时，将预设失效端口位置加工出环形豁口，当动力电池发生热失控时，在高温高压的作用下，破坏豁口，从而散热降压。4端盖901由塑料或低熔点金属制成，在内部高温作用下会融化。5失效端盖1101通过螺栓或铆钉1103与动力电池箱501连接，内部高温或高压的作用下连接会失效，端盖脱落。6采用两种不同熔点的密封剂1303和1301将失效端盖与动力电池箱连接。密封剂1301熔点较低，受内部高温高压气体作用首先失效，而1303未融化，从而即可放热泄压，且不丢失端盖。7加工制造动力电池箱时，将预设失效端口位置加工成结题厚度结构，当动力电池发生热失控时，在高温高压的作用下，薄壁1505处首先失效断开，第二阶段1503弯曲，从而散热降压。②电池箱外部冷却结构通过上述热失效排气装置（321）可有效释放电池箱内部气体，但是由于电动汽车空间狭小，高温气体无法快速扩散到大气环境中。为了防止电池中的热量进入乘客舱，可设计电池箱外部气体冷却结构，如错误!未找到引用源。所示。控制器（2107）根据电池箱内温度传感器（2105）采集的温度信号控制风扇的启停，当动力电池箱内部温度高于一定值时，风扇启动，加快空气流动，防止电池中的热量进入乘客舱。图2-74电池箱外部气体冷却结构小结虽然18650电池单体的生产工艺成熟，但是将近8000块电池单体成组使用，依然会大幅增加电池单体之间的不一致性，导致单体温度、电压出现不均衡的现象，引起个别电池过充、过放，降低电池组寿命；在极端情况下，甚至出现热失控。为此，特斯拉开发了可覆盖电池单体的电池管理系统。在电池热管理方面，特斯拉以液体为导热介质，建立了多区域、多级别的冷却系统，并从整车的温度控制方面入手，合理的调配车内热量，建立了整车温度控制系统，降低了能耗且实现了温度控制目标。针对动力电池的热失控，提出了多种检测方法，以及一种热失控检测系统的自检方法，可预判电池的热失控，及时采取防护措施。一旦出现热失控，特斯拉提出了增加热屏障、电池固定装置、热熔断、排气等防护措施，降低热失控的危害。2.2电池系统充电控制策略锂离子电池是常见的消费类电子产品的储能载体，具有高比能量、高比容量、无记忆、寿命长等优点。不同的充电控制方法对锂离子电池的性能、寿命都将产生重大的影响。特斯拉公司根据电池在工作过程中表现出来的不同特性，对电池充放电控制策略进行了研究，这方面的主要专利有8篇，其中电池的充放电倍率分析5篇，充放电深度1篇，充电器的设置1篇，过流保护1篇。不同充电倍率的控制策略锂离子电池在不同的温度下表现出不同的工作性能。室温和高温的工况下，电池能表现出很高的工作效率，电池可接受的充放电倍率的能力也比较强，但是随着温度的降低，特别是在-10°C（磷酸铁锂电池）或-20°C（锰酸锂电池）的充放电能力大大减小。针对锂离子电池的上述弊端，研究人员从锂离子的充电控制策略入手，保障电池安全性能的前提下，提出了多种充电方式，专利［30］中针对电池在OoC以下的充放电特性，建立了锂离子电池的等效电路模型：图2-75锂离子电池的等效电路其中OCV：电源电动势；R:直流内阻；Nom.inal..：端电压；Vcell：充放电电流R是动力电池的交流阻抗值，主要受到电池所处的温度、soc和老化程度bad等因素的影响。电池在低温条件下表现出来差性能的主要原因就在于该阻值对温度的敏感性。所以专利中主要研究了R与温度的关系，认为它是温度T的函数。bad通过试验测试可以得到R在不同SOC和温度时的数值。基于该阻抗值，对电池bad传统的充放电模式进行修改：CC：恒流充电：当电压达到V时，转为恒压充电；CV：恒压充电：当电流达到设定值时，停止充电；其中：V二V—ixRmaxbad得到如图所示的充电曲线：图2-76调整后的电池充放电曲线该方法可以有效的减小电池在低温条件下发生过充过放的现象，可以根据电池自身的充放电接受能力对电池充电，有效地提高电池的实用寿命。文中通过试验得到了电池在低温下的电流上限和电压上限，然后利用公式：V=V-iXRmaxbad进行适当的转换得到：i=(V-V)/Rmaxbad基于上述公式，与电池的最大电流和最大电压相结合，调整电池常规充电模式的电流值和电压值，得到新的充放电控制策略。由于电池在不同的SOC、老化程度和环境温度下，对充放电倍率的接受能力也不同。利用同样的等效电路模型，将R看作是温度T和SOC的函数，对锂离bad子电池传统的充电模式进行了修改，提出了新的充电方案［31］：将电池的充电模式有原来的CC-CV两端充电模式，转变为N端，例如N=4时，充电模式可以变为：CC-CV-CC-CV，即恒流-恒压-恒流-恒压，如图1-3所示。图2-77充电控制策略恒压阶段采用V=V-ixR的恒压充电错误未定义书签。］，并将N设定maxbad为比较大的值，则该充电曲线可以转化为如图1-4所示。图2-78调整后的充放电曲线其中：605：理想的充电电压曲线，610：理想的充电电流曲线。该方法可以人为设定电池的充放电时间或者电池的充电斜率YCC-CCFinalInitiolt4由于电池在充电初期即SOC比较低的时候，电池的充放电接受倍率比较高，可以将电池的充放电倍率提高一倍，大大减小了电池的充放电时间，而到了较高的SOC时，恒压阶段则采用V=V-iXR来避免电池的过充和过流现象。maxbad该方法的优点是可以有效地缩短电池的充电时间和延长到电池的使用寿命。该专利只是举了n=4这一种情况，可以根据需要，随意设置n的数值。上述充电控制策略的基本理念是在电池接受能力比较弱的时候，调整电池的充电电流，避免对电池造成过流现象。电池应用到整车中后，需要考虑到工作环境对电池性能的影响。针对这种情况，研究人员提出了具体的功率分配优化系统，如错误!未找到引用源。所示［32］，外部电源（310）通过功率连接器（303）对电池充电的时候，功率分配优化系统（317）首先要检测电池的环境状况（313），判断温度是否超过设定最高温度的阀值或者低于最低温度的阀值，如果没有超过最高温度要求或者低于最低温度要求时，辅助系统就不开启，此时外部功率就会以最佳的充电功率对的电池进行充电；如果超过最高温度或者低于最低温度，那么功率分配优化系统就会开启电池的辅助系统（315）对电池进行制冷或者加热，外部功率就被分为两部分，此时外部功率源对电池包提供除去辅助元件所需功率后的剩余功率进行充电。进而保证电池能够处于较佳的工作环境中，可以有效地提高电池的使用寿命和性能。同时该系统是在电池的使用或者充放电过程中周期性的进行检测，在不间断地进行循环检测中，一旦发现环境状况超出预设值，就开启/关闭辅助系统进行调节，所以可以对电池的性能实时给予保证。317-功率分配的优化系统；301-外部功率源；303-外部功率连接器；313、305、307为电池包功率要求系统；315、309、311为电池包的辅助系统图2-79整车中的充电控制策略图2-80简化后的工作流程图如错误!未找到引用源。所示简化后的工作流程图，每次给电池充电时，先通过功率分配优化系统判定电池所处的工作状态是否达到要求，图中只给出了两次判定的循环方式，在实际应用中可以设定一个定时循环检测的路径，对电池进行定期的检测，判定出适应的工作电流。基于上述理论，可以对电池包充电发展趋势进行了预测，其中将电动汽车进行了简单的分块整理，如图所示［33］。105-能量存储系统；110-电机；115-能量转换器；120-管理系统；

125-功率连接器；130-外部功率；135-环境控制系统

图2-81整车简化图外部功率（130）通过功率连接器（125），利用能量转换器（115）对电机（110）或者能量存储装置（105）进行充电，其中管理系统（120）主要是检测能量存储系统的健康状态和外部电源的电压参数等信息，然后对外部环境参数进行检测对比，最后对能量转换器（115）发出指令，进而对电池进行充电。该专利也是采用了不断循环检测的方式采集能量存储系统的数据信息和工作环境参数，例如温度、外电压等，然后进行对比，判断此时最佳的充电方式。相对于专利［错误!未定义书签。］，主要是由原来单一的采集温度检测扩展到对电池SOC值、电池的温度、电池的端电压等对电池健康状态影响比较大的因素的采集，这样可以实时得到电池在此时刻可接受的充放电倍率。具体的流程如下图所示。首先根据当先的要求来判定是否需要进行快速充电，如果不是，则进行循环判定；如果是，则确定当前参数值，然后将电动车切换到预快充状态，然后根据检测到的能量存储系统的状态信息和环境状况判定是否需要进行快充，如果是，则启动快充，如果不是，则继续保持预快充模式，并进行循环判定。图2-82快速充电流程图专利［34］结合了专利［错误!未定义书签。］和［错误!未定义书签。］的想法，即充电站对电池充电时，实时检测电池的工作状态和充电站设备自己的总功率需求，通过预设的优化算法，对电池的充电曲线进行调整，主要包括如下的结构：图2-83充电系统结构图充电站可以周期性采集电池的SOC数据、充电站自身的充电能力及其优化参数。软件的核心部件是充电站控制系统，它可以根据采集的数据和优化参数，自动设定充电目标，输出最优充电曲线；当充电目标发生变化或者采集的信息显示需要改变充电目标时，充电控制系统可以根据目标变化，输出新的充电曲线；此外，该系统应包含便携式无线控制设备，能够随时直接或者间接于控制系统通信以修改充电设置；当需要满足首要充电目标时，控制系统可以实现快速充电模式；当需要考虑次要充电优化控制目标时（电池的老化，温度等问题），控制系统可以实现慢速充电模式。具体的工作流程如下：图2-84充电控制策略2.2.2基于工况确定充电SOC阈值的控制策略当电池充电倍率确定以后，对电池寿命和充电效率影响比较大的就是电池的充放电深度。例如，当电池经常处于40%-80%的SOC工作状态中，寿命将会是全充全放的几十倍，对电池包SOC的工作范围进行限制［35］就显得十分必要。205-要求的范围/目标；210-车辆使用效率；215-基于寿命的最佳SOC范围；220-范围偏差/效率偏差

图2-85典型的充/放电控制图通过用户接口得到要求的范围或者要求的目标值（205），然后结合车辆运行效率（210），确定出基于电池寿命的最佳SOC范围（215），由于电池SOC预测和车辆运行效率的估算（220）存在一定偏差，所以结合上述数据，最终确定出修改后的最佳SOC范围（225）。由于每个人的驾驶习惯、平均日行驶里程、路况等都不相同，所以本专利主要基于整车日常运行所耗费电池容量的概率分布值，确定出SOC的日常运行范围。主要的充放电流程包括四个方面：1.获得整车性能；2.获得电池组的性能；3.建立充放电方案；4.应用充放电方案。通过这种测试方案，进一步优化不同的算法，得到如图所示的结论。2.2.3充电控制器一种新的充电控制器的设置被提出［36］，如错误!未找到引用源。所示。105-能量源；115-能量转换器；110-电机；120-管理系统；125-电源连接器；130-外部功率源图2-86整车能量图能量转换器（115）在管理系统（120）的监控下，可以根据要求对电池（110）和能量源（105）之间进行能量的传出和输入，同时，通过电源连接器（125）与外部功率源（130）连接。其中能量转化器（115）结构比较复杂，包括升压级和隔离阶段两个子系统，如错误!未找到引用源。所示。205-交流电压源；210-滤波器；220——升压级；225-隔离级；230-将压级；235-能量存储系统；240-电压调节器；245-控制器；250-继电器图2-87能量转化器的工作原理图主要是通过继电器（250）来实现将交流电压源输出的功率通过升压级/降压级/隔离级等连接到电压调整器上面，通过整理后，是电压达到合适的范围，然后施加到能量存储系统（235）上面。如图2-88所示，在充电启动阶段，测量各相的交流输入电压，计算泄漏值，将得到的计算值与泄漏值进行比对，判定是否超出了阀值；若未超出阀值，则进一步检测峰值电压是否超过了能量存储系统的电压值（330），若也没有超出电压值，则关闭接触器（250）；如果在（325）或者（330）判定中，超出了阀值，则需要断开打开接触器（250）。图2-88工作流程图该方法可以有效的避免谐波和噪声对能量存储系统和电机动力系统的影响，起到了很好的对能量存储系统地保护作用。过充保护系统电池过充电在电池使用过程中最严重的破坏事件，在电池内部会产生不可预知的化学反应和产生大量的热量。如果对此异常反应不做任何探测，热量会迅速的增加，以至于散热系统无法带走全部的热量，通常这样会导致热失控。此外，迅速聚集的热量会达到一些材料的自燃温度，使得电池和某些材料燃烧。在大多数的充电系统中都有过充电保护装置，但是仍然有过充电的风险。所以需要额外的过充电保护装置。如图所示，除了充电机（车载、非车载）端与电池系统端内置的过充电保护装置外［3刁，额外增加的过充电保护装置OPD（overchargeprotectiondevice）,在正常情况下，OPD处于休眠状态不起到保护作用即OPD内部是断开的；OPD连接到充电机输出两端或者电池系统两端，当检测到过充电时OPD两端联通，相当于把电池包两端强制短路，使得电池系统短路（保证短路时产生的能量）熔断保险丝113（保险丝集成在电池系统外部）。图2-89附加的过流保护装置该OPD装置可有集中形式：功率器件IGBT、接触器（多个来增加可靠性）、跳闸电路（RC无源低通滤波器）；判断过充电的条件是：SOC、温度等（没有具体介绍）。小结对电池包寿命和性能影响比较大的主要因素有：温度、充放电倍率、SOC、充放电深度以及电池经常所处的工作状态。特斯拉公司结合电池的充放电特性，从上面众多因素中，逐个研究分析，分别得到了电池在不同状况下的工作特性。但从电池内部电化学特性分析来看，不论是低温，还是高状态的SOC都是对电池可接受充电倍率的影响，所以要想找出最佳的充放电方式，就要使充电电流时时接近电池的可接受能力，这样既可以为充电节省时间，提高充电倍率，同时也延长电池的使用寿命。2.318650电池单体结构改进报告为避免电池出现热失控，特斯拉对电池单体结构进行了改进，主要包括：针对电池端盖结构的改进［错误!未定义书签。-错误!未定义书签。］，针对电池外壳的改进［错误!未定义书签。-错误!未定义书签。］以及针对电池中心销的改进［错误!未定义书签。］。针对电池端盖的改进电极组件(或其它部分)在密封的电池单体内会在一定条件下燃烧，这将产生多种气体和(或)物理碎片。材料燃烧过程具有燃烧温度、燃烧压力等性质。通过在密闭的电池单体内设计一个喷射结构，使其对一种或几种燃烧性质产生机械响应，形成喷射孔，将燃烧气体和碎片通过预设的路径排放出电池单体之外［38］。下面详细介绍几种实施例。图2-90几种电池盖示意图如错误!未找到引用源。a)所示，200为铝制电池盖，热失控时会熔化；205为侧壁；210为粘接部分，其连接(粘、焊等)到侧壁(205)上；215为结构性肋。220为排气口。错误!未找到引用源。b)所示电池盖包括环(305)、顶(310)及侧壁(315)。部件(305)可以由低熔点材料(例如铝)制成，而其他部件(如顶310)由强度更大的可焊接材料(例如钢)制成。低熔点环(305)将会在热失控时熔化，以释放顶(310)。相反地，顶(310)可由低熔点材料制成，而环(305)由强度更大的材料制成。此时，顶(310)会熔化，使得可燃材料能喷出。环(305)可通过激光焊、超声焊、摩擦焊等方式连接到顶(310)和侧壁(315)上。如错误!未找到引用源。c)所示，电池盖(400)由一个顶板(405)，卷曲到体(410)上，电池盖总成通过连接到侧壁(415)而卷曲到电池内。此例中，低熔点材料制成的顶板(405)或体(410)也会熔化，而使顶板(405)脱离电池单体。如错误!未找到引用源。d)所示，电池盖(500)包括一个孔(505),其尺寸允许气体排出，其足够小以确保热失控时电池盖(500)内会产生压力，压力增大到一定程度，就会开口使得可燃物排出；刻痕(510)确保顶部(515)会在一定压力下脱离。电池泄压和端部集成系统也是对电池端盖进行了改进设计［39］。通过该系统，可以在过压事件发生时将高压气体排出，同时断开电池单体与电池组之间的连接。图2-91电池泄压和端部隔离集成系统原理图错误!未找到引用源。中101为电池，103是电池固定板的一部分，105为公共连接板。107是电池端部，109为可中断连接器。电池端部（107）通过可中断连接器（109）与公共连接板（105）相连。错误!未找到引用源。中只显示了一个电池单体，而一个电池组是由许多电池单体组成，这些电池单体都通过电池固定板固定到电池组上。连接板将这些电池单体连接到一起。电池（101）通过端部（107）进行泄压。当发生过压事件时，端部（107）的区域（111）会破裂。可中断连接器（109）与区域（111）相连，当电池单体（101）排气时，可中断连接器（109）处受到足够压力而断裂，从而使电池单体与电池组产生断路。通过对电池端盖简化设计，取消电流中断装置（CID）和正温度限流元件（PTC）,减少加工成本，减轻自重，同时也可减轻电池外壳和电池正极短路的风险［40］。图2-92电池单体改进实施例如错误!未找到引用源。所示，钢制端子盖（127）以及CID、PTC元件均被取消。末端区域（201）是通过绝缘垫片（205）定义的，垫片（205）比常规电池中的响应部分更靠近电池中心轴。垫片（205）覆盖元件（203）上表面面积至少50%，75%更好，90%更好，95%更好。端子（203）（包括区域（201））相对于单体（200）最上面的平面（即平面AA）凹陷进去。在图示的示例中，电池端子（203）是平的。绝缘垫片（205）的制造材料包括合成聚合物、合成含氟聚合物以及聚酰亚胺。针对电池外壳的改进如果在电池单体内部产生大量的热量。热量会向其附近扩散，温度会快速上升。如果温度过高会把这段熔开。即使温度没有达到电池外壳材料的熔点，也会在这个位置产生一个鼓包。一旦产生鼓包，电池内部的高温气体很容易在这里聚集，这个鼓包会越来越大。最后把这里撑破。图2-93改进后电池单体剖面图为了减少热失控的概率及其带来的危险，对电池外壳可以做如下改进：在电池外壳（101）外面至少有一“对层”［41］。“对层”中包含一个隔热层（501）和一个强度层（503）。同时电池的外层也有小孔，热失控时电池