2008-2013年期間Tesla所申請的核心知識產權大都與電池安全控制系統相關，包括電池冷卻系統，安全系統，電荷平衡系統等。截止到2013年3月底Tesla所申請的此類專利數量達142項，另有258項專利正在審核過程之中。

除了電池管理系統以外，Tesla在電機和電控方面還有一些獨創性的技術。Tesla汽車所用電動機為自主研發的三相感應電機，擁有最優化的纏繞線性，能夠最大限度的減少阻力以及能量損耗。電機能量使用效率低，降低了高容量電池組所帶來的的動力性能優勢，需要強大的動力系統配備智能化的能量管理軟件將各個電池單體的電流數字化并將電池組電能有效轉換為汽車動能，提高能量利用效率。

變速箱為單極變速系統，能夠將交流感應電機所產生的扭矩與車速進行最優化的匹配，相比傳統的汽油變速箱具有更好的加速運動特性。另外Tesla汽車上安裝了較為完善的軟、硬件系統，包括轉動變頻器、數字信號處理系統以及充電系統，用來控制電動機的扭矩以及電池組的能量傳輸過程，是整個汽車機體的能量控制系統。通過一個高性能的數字信號處理器可以將汽車制動、剎車、加速、減速等要求轉變為數字信號，從而控制轉動變頻器將電池組的直流電與交流電相互轉換以帶動三相感應電動機提供相應的汽車動力，同樣通過轉動變頻器可以將再生制動系統所產生的的交流電轉換為直流電以完成充放電過程。

1.特斯拉的解決方案：小電池+BMS

Tesla 的電池采用的是松下的三元材料（鎳鈷鋁酸鋰），用的是比較成熟的18650型號（松下這種電池普遍用于筆記本之中）。與現在電動車電池的主流趨勢不同，Tesla是唯一一家直接采用18650型鋰離子電池的公司，其他的電動車都用的是大電池。只不過Tesla需要7000多節18650型鋰電池。普通家用筆記本電腦只要7~8節。

Tesla采用小電池的理由在于：

工藝成熟。過去15年多的時間里消費類產品所積累的先進技術能夠應用于車載電池領域，消費類產品可在推動需求、降低成本的同時提高能源密度。而目前許多剛剛開發出來的大容量方型電池，僅僅屬于實驗型產品，并未有過量產經驗，并不能達到成熟階段。松下是全球電池技術和規模最大的企業之一，產品缺陷最少，由于規模較大，也便于從中挑選出一致性好的電池。

性價比高。ModelS 85kWh車型電池動力系統總成本3萬美元左右，單位儲能成本400美元/kWh左右，是其他電動汽車儲能成本的一半左右。18650電池的生產商眾多，使得下游企業對上游廠商有較強的議價能力，電池的成本可以得到控制。而隨著電子消費類用品的普及，18650價格也會繼續下滑，特斯拉亦可從側面受益。

安全性能可控。每個電池單元的尺寸小，可每個單元的能量可控制在較小的范圍，與使用大尺寸電池單元時相比，即使電池組的某個單元發生故障，也能降低故障帶來的影響。

但是將眾多（7000多個）的小電池單體組成電池組，將會大幅增加電池單體之間的不一致性，導致單體溫度、電荷、電壓出現不平衡現象，引起個別電池過充、過放并產生靜電反應，從而降低電池組壽命以及安全性。

2. 核心技術：電池管理系統

這就是Tesla的核心技術—電池管理系統。Elon musk本身是學物理出身，又在硅谷招聘了上百名工程師，這是它技術領先的根本原因。Tesla建立電池檢測實驗室、數據信息中心對18650對其溫度進行智能監控。

2.1電池檢測實驗室：源頭增加鋰電池單體一致性

因標準18650電池單體容量較小（約10.4wh），Tesla Model S 85kWh版電動汽車就需要8000多顆電池單體。如此眾多的電池單體所組成電池組，會大幅增加單體之間的不一致性，容易導致個別單體過充、過放并產生靜電反應從而降低電池組壽命并產生安全隱患，從而對單體的一致性檢測提出極高的要求。

Tesla擁有一個獨立的鋰電池監測實驗室并依據鋰電池單體化學性能、形狀系數建立了一個完備的數據信息中心，通過這個實驗室以及數據中心將電池供應商Sanyo所提供的18650電池進行嚴格的性能測試以及一致性篩選，主要關注指標包括：單體容量大小，儲能持久性、功率輸出大小、電壓上下限等。其中一致性、安全性較好的電池作為電池組備用電池，從而在根本上保證電池組功率傳導的穩定性以及持久性。

2.2電荷平衡系統：有效排除18650故障單體

每個鋰電池單體都有一個電壓上限和下限，電池在此范圍內可正常工作，但一旦單體電壓接近這一限值其化學性能將發生突變，必須立即停止放電或充電，否則電池將會受到不可逆的損壞，將會大幅增加電池的自放電率、產生靜電反應進而引起爆炸。

眾多電池單體所組成的電池組大大增加了單體之間的不一致性，導致電池電壓的安全范圍各不相同，安全性大幅降低。為此Tesla自主研發單體電荷平衡系統，可有效排除故障單體，保證整車安全性能。Tesla電池組尾部安裝有印刷電路板，內置眾多電源開關，每個電源開關一端連接某個18650電池單體，另一端連接一個中型的集電器（單體電荷監控器）。當電池組中某一電池因過充、過放、溫度過高導致電量與其他電池不同時，集電器就會將能量在電池之間進行相互轉移，防止其電壓超過安全范圍而產生異變。而當該電池真的產生異變時，電子集成器將控制電路板上相對應的電源開關彈開，從而將此電池單體隔離，避免產生靜電反應而引起爆炸。

2.3鋰電池溫度管理系統：提升整車安全性能

Tesla高達60kWh、85kWh的電池組容量使其運行過程中將會釋放更多的熱量，從而加大了電池組溫度過高引起爆炸的概率，這是Tesla電池管理系統解決的最為核心的問題之一。

電池組溫度檢測系統—智能溫度監測

電動汽車安全性能主要體現在對電池組溫度以及電流的控制上，尤其對于大容量的電池模組，當電池組過充、過放、碰撞以及運行過程中電池過度發熱都會引發電池組溫度過高而引發爆炸。

Tesla汽車電池組中的每一個電池單體都連接著一個熱敏電阻以及一系列的光導纖維，同時將熱敏電阻連接到電池監控器，將光導纖維連接到光敏感應器。當某個電池單體溫度超過安全標準時，熱敏電阻將產生一個電信號傳達至電池監控器以便啟動電池冷凝系統保證電池安全性能。當電池發生熱逃逸等現象時，將影響光導纖維中光束的傳輸，進而刺激光敏感應器發出相應信號進行熱度調節。而當汽車發生劇烈碰撞時，電池組與電機的能量傳輸路徑將被立即阻斷，電池組外保護層將保護電池組免受碰撞影響，從而避免發生劇烈爆炸。

電池組液體冷凝系統—實時溫度控制

Tesla自主研發的機體液體冷凝系統為雙模式冷卻系統，其中第一層冷卻回路專門為電池組降溫，電池回路將電池組與冷卻泵相連接，回路中充滿了冷卻劑，且延伸多個冷卻管覆蓋至每個電池單體。第一層冷卻回路將控熱系統，通風設備以及其他散熱裝置與電池組熱量管理系統連接起來，從而保證每個電池單體溫度低于其安全值以下，保證其散熱性以及安全性能。第二層冷卻回路包括第二冷卻儲液罐并與至少一個轉動部件進行熱交換，并立于第一個冷卻回路，保證電池組冷卻系統的獨立性。

Tesla公司承諾為Tesla ModelS電池組提供8年或是10萬英里的質量保證，其汽車其他部件提供4年或是5萬英里的質量保證。最近更是推出一項免費服務計劃，特斯拉將為因保養不善而遭到損耗的電池組提供保修，并將為客戶免費更換相同質量或性能更好的電池，其電池組質量可見一斑。

特斯拉387相專利清單

特斯拉公開專利已經過去好幾年了，2014年的一天，牛人馬斯克在Tesla網站上發布了一封公開信，宣布將免費公開其所有專利。特斯拉的專利，涉及到電動汽車綜合控制；電機控制制造及優化；電池單體技術、成組技術、均衡優化及壽命管理；整車系統控制；熱失控探測報警；多種電源配合應用技術；防止過充過放和其他電池濫用技術；高壓電氣連接及高壓安全技術等等，幾乎我們遇到的，實際上特斯拉在專利中都有所闡述。特斯拉公開的專利，包含不同專利類型，至今一共387相。專利名稱和專利號，詳見下表。

特斯拉發布新電池專利：冗余電池管理系統

特斯拉發布一項新電池技術，打造一款強大、動態化的電池管理系統。特斯拉表示，該款電池管理系統可提供冗余通信路徑，主機可實現順時針和逆時針串聯客戶端的通信。此外，該系統或可實現電池管理系統內的動態冗余，提升新一代蓄電池組的可靠性。

特斯拉的電池專利是一款冗余電池管理系統，有一款客戶端及多信道、雙向、菊鏈式（daisy-chained）通信回路構成，特斯拉還羅列了在電池管理系統中識別故障位置的方法。特斯拉表示，電池管理系統可能包括一個主機端（例如：管控系統的微控制器）及客戶端（管控系統內電池電芯的電池管理集成電路）。

Model 3 2018款 基本型電池管理系統菊鏈式回路的原理為：主機和各客戶端（host and each client）可利用菊鏈式傳輸路徑回路實現指令的通信及響應，該菊鏈式回路可能包括一組線路，后者可傳輸電信號。菊鏈式回路還能將主機接口連接到各串聯客戶端接口，從而實現依序通信，可實現鏈路內的單信道或多信道通信。

特斯拉表示，電池管理系統可能包括一個主機端（例如：管控系統的微控制器）及客戶端（管控系統內電池電芯的電池管理集成電路）。該款電池管理系統可提供冗余通信路徑，主機可實現順時針和逆時針串聯客戶端的通信，冗余適用于雙信道。此外，該系統或可實現電池管理系統內的動態冗余，提升新一代蓄電池組的可靠性。

特斯拉極其出色的電池管理系統（BMS）

其一、熱管理系統。眾所周知，電動車所使用的動力電池對環境溫度的要求十分高，溫度過低會導致電池的性能大幅降低甚至無法使用，而溫度過高又會帶來極大的安全隱患。特斯拉在熱管理上巧妙的利用轉換閥門將加熱系統和冷卻系統實現無縫切換。根據環境溫度的不同和車輛工況選擇最優方案。

其二、充放電管理系統。一輛特斯拉上面有高達數千粒電芯，如果根據實際需要對這幾千顆電池進行充放電管理也是一門不小的學問。電芯最怕的就是“過充”或者“過放”。過度充電同樣會帶來較大的安全隱患，過度放電也會對電芯的使用壽命造成很大的傷害，甚至導致電池直接報廢。那么特斯拉的電池管理系統會測量每一節電芯的電壓，如果電壓低于標稱值會使其保持充電狀態，如果電壓過高，則會主動放電充給低電壓的電芯，使整個電池組達到一個平衡狀態。

其三、有了良好的充放電管理系統，還需要盡最大可能在各種條件中讓充電時間最短以提升用戶體驗。同時要能兼容多種電壓，讓用戶隨時隨地都能有電可充。特斯拉目前能夠提供超級充電樁、高功率充電墻和家用220伏充電等多種選擇。超級充電樁能夠提供較高的電壓和輸出功率，只需要1小時就可以使一輛特斯拉充滿大部分電量，而最弱的家用需要十多小時才能將車輛充滿，但優勢是可以使用隨處可見的220伏電源插座，而且部分地區可以很方便的在夜間充電以享受錯峰優惠電價。

特斯拉電池管理系統的優勢之處在哪

自從ModelS上市以來，似乎已經被拆解無數遍了，這也從一個側面印證了特斯拉(Tesla)在電動汽車市場初期的標桿地位。

一、動力總成構成：

ModelS動力總成主要分為這幾部分：動力電池系統ESS、交流感應電機DriveUnit、車載充電機Charger、高壓配電盒HVJunctionBox、加熱器PTCheater、空調壓縮機A/Ccompressor和直流轉換器DCDC。

ModelS采用三相交流感應電機，并且將電機控制器、電機、以及傳動箱集成于一體。尤其是將電機控制器也封裝成圓柱形，與電機互相對應，看上去像是雙電機。從設計上來看集成度高、對稱美觀。中間的傳動箱采用了固定速比(9.73:1)方案。85KWh版本電機峰值功率270KW，扭矩440Nm。

充電系統支持三種充電方式：

1.超級充電樁DC快充

超級充電樁可直接輸出120KW對ESS進行充電，一個小時以內能充滿。

2.高功率壁掛充電

在后排座椅下面有兩個車載充電器，一主一從。主充電器屬于默認開放使用，功率10KW，差不多8小時能充滿。slave充電器的硬件雖然已經安裝在車上了，但需要額外支付1.8萬才能激活，可使充電能力翻倍。這種硬件早已配置好，之后通過license收費的方式和IBM的服務器如出一轍。目前Tesla已經把這個策略用在了動力電池上，60版本上實際裝了70多度電，預留的那部分容量剛好避免滿充滿放，有助于延長電池壽命,因此入手低配版也是一個有性價比的選擇。

3.220V家用插座充電

充電功率3kw左右，充滿電大概30個小時。把充電器放在車上，即使到了完全沒有充電基礎設施的地方也能利用普通家用插頭充上電。

熱管理部分有意思的地方在于ModelS用一個四通轉換閥實現了冷卻系統的串并聯切換。其目的我分析主要是根據工況選擇最優熱管理方式。當電池在低溫狀態下需要加熱時，電機冷卻回路與電池冷卻回路串聯，從而使電機為電池加熱。當動力電池處于高溫時，電機冷卻回路與電池冷卻回路并聯，兩套冷卻系統獨立散熱。這樣的熱管理方式還是比較巧妙的。

二、電池PACK

先看一下未拆解前的電池包(PACK)，對外一共有3組接口。分別是低壓接口、高壓接口、冷卻接口，并且全部采用了快插式方案。說明Tesla在設計電池組系統的時候充分考慮了換電模式的技術要求，即便現在很少有換電的需求但這個基因始終保留了下來。高壓接插器中較粗的Pin一方面起到了定位的作用，同時也是接地點，較細的Pin用于實現高壓互鎖功能。

PACK前部頂面上設計了防水透氣閥，利用氣體分子與液體及灰塵顆粒的體積大小數量級差，讓氣體分子通過，而液體、灰塵無法通過，從而實現防水透氣的目的，避免水蒸氣在PACK內部凝結。

PACK上部用了非常多的固定螺絲，因此白色的絕緣墊通過膠粘在了PACK上，除了起到了絕緣防火的作用以外，還可以起到一定的防水的作用。PACK的上蓋是死死用膠粘住的，即使卸了所有螺絲依然無法打開。記得在14年的炎炎夏日里我們七八個人“生掰硬撬”一小時才得以破壞性的扒開。當時覺得Tesla在設計的時候一定是抱著破釜沉舟的考慮，根本沒打算之后的維修，所以PACK上自然也沒有手動維修開關，僅僅留了一個保險絲更換口。

Tesla下托盤以鋁合金型材作為主要承載框型骨架，骨架底部焊接整塊鋁板。拆解的是一款85KWH高配版，最右側多堆疊了兩個模塊(Module)。PACK兩側布置了大量防爆閥(共85個)。在拆解的過程中發現PACK里總是用零散的絕緣板將高壓器件隔開，而固定絕緣板的方式通常是膠水，像是用狗皮膏藥把PACK里面打滿了補丁，很難想象在這樣復雜工藝在量產過程中是如何進行的。猜測是在設計之初考慮的不充分導致了后續只能無奈的通過打補丁的方式進行了。

電池管理系統(BMS)在PACK內部幾乎是完全裸露的，也許是為了減輕重量吧，但也帶來一定的風險。

Module之間的水冷系統采用的是并聯結構而不是互相串聯，其目的在于確保了流進每個Module的冷卻液有著相近的溫度。

Module之間的高壓電氣連接采用左右交錯的排布方式，而不是從PACK尾部到頂部，再從頂部回到尾部這種比較簡單的連接方式。猜測是為了防止形成大電流回環從而產生較強輻射干擾。

電流采樣僅僅采用了一個ISAscale工業級的Shunt，通過SPI總線與BMU進行通信。此前對標榮威E50上A123動力電池的解決方案，其采用了shunt和Hall雙備份的措施。畢竟電流值在ESS系統中是一個極其關鍵的參數。

三、電池Module

由于選用了NCA的電芯，在能量密度上Tesla可謂是遙遙領先，Pack的能量密度比很多車型的Cell都高出一截。下圖是高配和低配在module上的差異，低配module每并少了10顆cells，串聯數量都是6串，因此對于電池管理而言并沒有太大差異。從匯流板可以看出與Busbar相連的部分顏色明顯不同，此處是在表面進行了鍍鎳處理，防止氧化。

Module熱交換設計上由于Tesla選擇了18650電池必然導致了Coolantpipe必須設計得異常復雜，并且電池是用膠水牢牢固定于Module中，完全不具備維修和梯次利用的可能。而選用方形電池的I3和Volt更便于電芯和冷卻系統的集成。

Volt在每個電芯間設計了散熱曡層，使得熱交換面積更大效果更好，推測這種方案在未來可能成為主流。

四、電池管理系統BMS

BMS采用主從架構，主控制器(BMU)負責高壓、絕緣檢測、高壓互鎖、接觸器控制、對外部通信等功能。從控制器(BMB)負責單體電壓、溫度檢測，并上報BMU。

BMU具備主副雙MCU設計，副MCU可檢測主MCU工作狀態，一旦發現其失效可獲取控制權限。比較幽默的是BMU上居然有一個手動reset的按鈕，剛看到的時候簡直不敢相信這是汽車產品級ECU，更像是是個電腦主板。而且把過強電電流的預充電接觸器直接放在了BMU上也是一個大膽的設計。

下圖是Tesla、BMWi3、A123三家的模塊監控BMB的對比。具體參數如下：

傳說中Tesla檢測了7000多節的電池電壓，其實只是將74節電池并聯檢測一個點，傳說監控了每個單體的溫度，其實444節電池僅有兩個溫度探測點。傳說中能均衡住每一節電池，實際上均衡電流僅0.1A，對于230Ah的電池來說杯水車薪。尤其是在電壓監控冗余設計上，BMW(preh)采用了LT6801，A123采用IC8進行了硬件比較，一旦MCU失效或者通信異常時可以直接在硬件上觸發報警。相比之下Tesla設計得更簡單。尤其是采用了UART通信而不是CAN，更像是IT公司的解決方案。

五、單體電池Cell

從松下提供的Spec上看在0.5C充/1C放(100%DOD)的條件下500cycle后容量降至BOL狀態時的68%，衰減比較嚴重。

同樣是1C/1C充放150cycle的實驗，上圖I3和ModelS電池的比較。上面幾張循環壽命數據很好的說明了為什么ModelS突破性的在乘用車內裝進了85kwh這么巨大的電池。因為松下18650電池在1C左右的倍率下循環壽命很差。所以必須將通過高容量以降低同等工況下的倍率，保證更久的循環壽命;同時大容量的電池也確保了車輛在全生命周期里循環次數足夠少。按百公里電耗20KWH計算，20萬公里對于85KWH的PACK而言也不過只有470cycle。

隨著更多的電池企業針對汽車領域定制電池的標準化和批量化，18650電池所具備的低成本和高一致性的優勢將迅速消失，即使Tesla一度希望通過開放專利的方式拉攏技術路線站隊，但看似并不成功。開放專利噱頭和宣傳效果大于實際意義。

不過在那個電動汽車供應鏈還不成熟的年代，Tesla幾乎是憑著極佳的技術集成思路硬是在各種非汽車級選型中“湊”出了一輛跨時代意義的產品。所以硬要說Tesla在動力電池上比傳統車企做得好，倒不如說Tesla做了他們不敢做的事;傳統車企完善的供應鏈體系、長期積累的標準規范、龐大的市場占有量這幾個方面就推動電動汽車這件事上看反而成了包袱。Tesla可以毫無負擔放棄汽車供應鏈在工業級產品中選型，可以暫時將Autosar、ISO26262等放一放，可以不用像傳統車企一樣擔心在電動車技術走得太激進，導致出了起火事、失控等事故而影響傳統車型的銷量。但此后Tesla和傳統車企競爭優勢依然是這套歷史條件制約下的解決方案么?我想肯定不是。

一旦從工程師的立場去看產品，往往能揭穿企業想要營造出的完美。畢竟產品設計的過程必然是一個妥協和取舍的過程，而企業在產品營銷上往往試圖用”不妥協“、”不將就“之類的概念(比如國內的某些手機公司)，與設計的本質相違背。但當自己是一個消費者的時候，Tesla依然對我有著極強的吸引力，其吸引力的來源根本不在于運用了先進或是落后的技術;而是凌駕于技術堆疊和性能參數之上的產品氣質，這個氣質是眾多人想要而其他車型無法給予的感受，我想這是Tesla最成功的地方吧。