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特斯拉續航驟減的探討:析鋰與BMS均衡取樣故障

去年5月份以來,一些早期Model S出現了一批車輛電池容量和續航里程突然衰減的問題,最初是小範圍的,後面隨著在網路上的不斷曝光與討論,不少的車主都發現了這個問題。這個問題有個明顯的共同點,就是軟體升級到2019。16。X,部分實際的衰減案例可參考《部分Model S車輛SOC/里程/充電功率陸續被強制“跳水”》這個文章。

而在此之前,特斯拉連續有3起自燃事件(4月21日,特斯拉上海車庫自燃;5月3日,特斯拉舊金山車庫自燃;5月13日,特斯拉香港停車場自燃),所以此次軟體更新還對部分Model S/X車型的充電功率和上限電壓進行了限制。

對於這次升級導致的電池容量和續航驟減等效能上的降級,特斯拉沒有進行正面迴應,有提到了說保護電池並延長電池的壽命。

2019。16。X軟體升級導致一系列效能降級的事件最終引發了受影響車主對特斯拉發起了訴訟,但尚沒有結果,訴訟材料詳細闡述了這個續航突然驟減的現象,同時也列出了特斯拉侵犯的消費者權益。對於這個材料這裡不做具體的介紹,需要了解詳情的朋友可以參考材料《Case 5:19-cv-04596,rasmussen vs tesla》

這裡重點來探討特斯拉昇級軟體可能想要解決的問題。簡單來說,特斯拉發現了電池系統可能潛在的問題,它想要來定位這些車輛,並識別出這些問題,從而提前解決。這主要是基於teslamotorclub上一位協助特斯拉來解決這些問題人的闡述:

An acknowledged expert, who has been posting in this thread, and has been working with Tesla on this issue, has stated that “

basically they (Tesla) went looking for X and found Z instead. X is pretty bad, but doesn't seem to have happened anywhere. Detecting X is definitely a good thing. Z is not good, but not as bad as X. The process of looking for X ended up finding a bunch of Zs as well. Z was not being looked for and wasn’t known. Detecting Z is still a good thing. The people with a rapid range loss have condition Z.

這個專家並沒有指出X和Z到底是什麼問題,基本的意思是特斯拉希望來識別和定位問題X,但在尋找X的過程中,卻發現大量的Z問題。這個就是網上一直在探討的、涉及到續航銳減的Condition X和Condition Z。

一、析鋰

由於自燃的連續發生,很容易讓人聯想到特斯拉是為了避免其他車型可能再發生的起火事故,從而對電芯的最高電壓Vmax進行了降低(比如,從當前的4。2V,降低到4。0V),這樣可以讓電芯在一個更安全的SOC內進行充放,減少過充帶來的風險;加之對快充功率進行限制,這樣又可以讓電芯處在一個更緩和的充放電過程。對Vmax進行降低直接觸發了一個問題,即整車的可用電量瞬間減少,體現出來的就是整車的續航里程突然減少了。

基於此,一個推測就是特斯拉可能意識到了一些電芯(主要是其使使用的第一代18650電芯Gen1)在多年使用後,出現析鋰極(即Condition X)有可能引發安全事故;在特斯拉尋找析鋰的過程中,他們發現了電芯的另一種問題(Condition Z,不確定是什麼問題)。結合發生事故的車型,這個推測還是比較說得通,但一直並沒有實際的證據和案例出來。

二、BMS均衡失效和取樣精度故障

這個推測來自於Jason Hughes,他透過自己長期以來對特斯拉的逆向破解和跟蹤,發現這個可能的問題,即:

Condition X:是指均衡MOSFET故障(或是可以導致電芯不斷對外耗電的故障);

Condition Z:是指取樣精度故障(可能的原因包括BMS板子受腐蝕、取樣故障、PCB板子故障等)。

Condition X:

A stuck balancing MOSFET (or other similar drain on a single cell group)

Condition Z:

Measurement accuracy failure on cell group (BMB sense failure, corrosion, mechanical PCB failure, etc)

為什麼是這兩個問題呢?我們需要這樣來理解下,無論是哪一個,它們都會導致在BMS判斷電壓時有誤差,而且是偏小的。對於電池容量來說(即BMS中涉及到效能的模組),這個影響可能不是很嚴重,但對於充電(即BMS中涉及到安全的模組)就非常致命了,因為BMS得到的Vmax電壓是4。2V,但實際電壓已經到4。3V了。因此,特斯拉需要把Vmax降下來,讓實際電壓處於安全範圍內。

我們看下在Condition X下,這個問題是如何發生的。Model S/X的電池管理系統為主從式,它的從控如下圖所示:

特斯拉續航驟減的探討:析鋰與BMS均衡取樣故障

其中第2個部分是它的均衡電路,總共有6個,我們把涉及到這個故障的均衡電路單獨拿出來,如下:

特斯拉續航驟減的探討:析鋰與BMS均衡取樣故障

粉色的框線是均衡電路,黃色框線是4個均衡電阻,紅色框線是2個MOSFET。特斯拉這個時間的BMS採用的均衡是透過電阻來將電壓高的電芯電能耗損掉,從而將各電芯電壓拉至一致。4個均衡電阻每個阻值為158 ohm,並聯後阻值為39。5 ohm,均衡電流大小約100mA。

在均衡時,需要MOSFET先開啟,這樣均衡才能工作。如果MOSFET發生了故障,如短路(開路的影響相對小),這時均衡電路會一直處於工作狀態,不斷地耗損電能,同時在採集時,由於均衡電路有一定的壓降(正常情況下,採集電壓時均衡電路是不工作的),致使BMS得到的電壓小於實際的電壓。這樣以來,電池的電量會不斷地減少,而充電時又容易造成過充。

這個故障只能透過更換BMS從控板子來解決,軟體無法得到根本解決。但後續的分析表明,ConditionX並不是主要問題,而是能造成類似電壓下降的Z問題。即因某種原因,致使BMS從控無法準確的得到電芯的電壓,如跳變。

特斯拉續航驟減的探討:析鋰與BMS均衡取樣故障

Jason Hughes的發現,將問題的本質拉離了電芯,轉移到了BMS上,這使得問題的性質變得不那麼嚴重,而且修復的代價也小得很。

無論是基於哪一方面的問題,特斯拉所出現的問題已經是個批次性問題,或許發生在其他車企身上已經開始召回了,就像現代汽車遭遇的LG電芯問題一樣。

目前,對於訴訟特斯拉還沒有結果,而如果特斯拉能夠透過軟體或更換硬體來解決他們發現的問題,那將是雙贏的局面;雖然我們還不能確定特斯拉發現了什麼、又想要解決什麼,但隨著解決方案的到來,對於其他企業來說,會是一份寶貴的經驗。

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