在诸多厂家的 BMS 中，特斯拉的 BMS 系统是复杂度和技术难度最高的之一，这主要是由于特斯拉独特的大量小圆柱电池成组设计。 为什么特斯拉选用难以控制的小圆柱电池？早在特斯拉成立的早期，日本厂商在18650 小圆柱电池上积累了丰富的经验，一年出货量达到几十亿节，因而这类电池一致性较好，有利于电池管理。因此特斯拉在model S 上选用了小圆柱电池。出于技术积累等方面的原因，特斯拉在 model 3 上使用了仅比 18650 略大的 2170 电池，并且至今还在使用圆柱形电池。 由于特斯拉一直采用数量庞大的小圆柱电池来构造电池组，导致其 BMS 系统的复杂度较高。在 model S 时代，特斯拉全车使用了 7104 节电池，BMS 对其进行控制是需要一定软件水平的。根据汽车电子工程师叶磊的表述，在 model S 当中，采用每 74 节电池并联检测一次电压，每 444 节电池设置 2 个温度探测点。从汽车电子工程师朱玉龙发布的model S 诊断界面图也可以看出，整个电池组共有 16*6=96 个电压采样点，以及 32 个温度采样点。可以看到采样的数据是很多的，需要管理的电池数量也为其增加了难度，最终BMS 将依据这些数据设置合理的控制策略。高复杂度的电池组也让特斯拉在 BMS 领域积累了相当强的实力。与之相对，其他厂商的 BMS 复杂度就远不如特斯拉高，例如大众 MEB平台的首款电动车 ID.3 采用最多 12 个电池组模块，其电池管理算法相对会比较简单。
未来特斯拉的 BMS 是否会维持这样的复杂度？从目前趋势来看，随着采用的电池越来越大，BMS 需要管理的电池数量是越来越少的，BMS 的难度也有所降低。比如从 model S 到 model 3，由于改用 2170 电池，电芯数量出现了较明显的下降，长续航版电芯数量缩减到 4416 颗，中续航版 3648 颗，标准续航版 2976 颗。本次拆解的标准续航版配置 96个电压采样点，数量与 model S 相同，平均每 31 节电池并联测量一个电压值。整车 4 个电池组，每个都由 24 串 31 并的电池组组成，对电流均衡等方面提出了较高的要求。未来，随着 4680 大圆柱电池的应用，单车电芯数量将进一步减少，有利于 BMS 更精确地进行控制，或许能够进一步强化特斯拉的 BMS 表现。 尽管面临着最高的 BMS 技术难度，但特斯拉仍旧在这一领域做到优秀水准，而且还有超越其他公司的独到之处。比如特斯拉在电池管理的思路方面显得更加大胆，热管理方面是一个典型体现。特斯拉会在充电期间启动热管理系统将电池加热到 55 度的理论最佳温度，并在此温度下进行持续充电，相比而言，其他厂商往往更在意电池是否会过热，不会采用此类策略，这更加显现出特斯拉在 BMS 方面的实力。
特斯拉在充电或电能利用方面的用户体验设计是其 BMS 系统的另一个独到之处。比如特斯拉会用车身电池来使其他重要控制器实现“永不下电”，提高启动速度，改善用户体验。充电时，特斯拉采取的策略也更加灵活，会在充电刚开始时将电流提高到极大的程度，迅速提升电池电量，随后再逐渐减小充电电流到一个可以长期持续的水平，比如 model Y 可以在 40 秒内达到 600A 的超大电流充电（如图中黄绿色线所示）。相比而言，一般的车企甚至消费电子厂商通常会用一个可以长期持续的电流进行恒流充电。考虑到车主有时需要在几分钟内迅速补充电池电量，特斯拉的这种策略无疑是更有优势的，这也体现出特斯拉比传统车企思路更灵活，更能产生创新。
而具体如何实现这样优秀的 BMS 功能？前文所说的种种 BMS 管理策略依赖于软件，软件的基础在于特斯拉的 BMS硬件设计。特斯拉 model 3 的硬件设计包括了核心主控板、采样板、能量转换系统（PCS，由 OBC 和 DCDC 两部分组成）以及位于充电口的充电控制单元。BMS 部分所有电路均覆盖有透明三防漆以保护电路，导致电路元件外观光滑且反光。 主控板负责管理所有 BMS 相关芯片，共设置 7 组对外接口，包含了对充电控制器（CP）、能量转换系统（PCS）的控制信号，以及到采样板（BMB）的信号，另外还包含专门的电流电压采集信号。电路板上包含高压隔离电源、采样电路等电路模块。元器件方面，有Freescale 和 TI 的单片机，以及运放、参考电压源、隔离器、数据采样芯片等。
在 BMS 的控制下，具体对电池组进行监测的是 BMB 电路板，对于特斯拉 model 3而言，共有 4 个电池组，每一组配备一个 BMB 电路板，并且 4 个电路板的电路布局各不相同，彼此之间可以很容易地利用电路板上的编号进行区别，并且按照顺序用菊花链连接在一起，在 1 号板和 4 号板引出菊花链连接到主控板的 P5 和 P6 接口。我们本次拆解的model 3 单电机标准续航版电池组较短，沿着每个电池组都布置了一条 FPC（柔性电路板），并且在其沿线设置了对电池进行采样的采样点，每个采样点都用蓝色聚氨酯进行覆盖保护，最后在 FPC 上方覆盖淡黄色胶带进行保护。需要注意的是，标准续航版尽管每个电池组仍有两条淡黄色胶带，但只有其中一条下面有 FPC，另一条仅起到对下方电池触点的保护作用。而对于长续航版本，由于电池较多，每个电池组都需要分成两条 FPC 进行采样。
具体到 BMB 电路方面，标准续航版和长续航版也有所不同，我们以元器件较多的 4号采样板为例进行说明。首先，在采样点数量方面就有所不同，标准续航版共设置 24 个采样点，因此 FPC 上有 24 个触点与 BMB 进行对应。长续航版的电池组顶格设置，4 个电池组当中，中间两组较长，左右各设置 25 个采样点，共 50 个，两边的电池组略短一些，共设置 47 个采样点，一侧 24 个，另一侧 23 个，因此长续航版的 BMB 需要在两侧都设置触点。 其次，电路布置和元器件数量也有较大不同。经过触点传来的信号需要由 AFE（模拟前端）芯片进行处理，这是整个 BMB 电路的核心。标准续航版每个 BMB 有两颗定制的AFE 芯片，其配置有些类似 Linear Technology（ADI）的 LTC6813 芯片但不完全相同，同时配置了 3 颗 XFMRS 的 BMS LAN 芯片用于与其他电路板的信号传输。长续航版 BMB由于两侧均有触点，信号数量较多，因此为每个 AFE 另外配置了两颗简化版的 AFE 芯片（图中橙色长方形），用来辅助信号处理。同时 BMS LAN 芯片的数量也增加了 1 颗。
BMS 体系的另一个重要组成部分是充电控制，特斯拉为此开发了充电控制器，位于左后翼子板充电口附近。该控制器有三个对外接口，负责控制充电口盖、充电枪连接状态与锁定、充电信号灯、快慢充控制及过热检测等。电路方面则包括了 Freescale 的 MCU 和ST 的 HSD 芯片等。
BMS 还有一个重要功能就是电能转换，包括将高压直流电转化成低压直流电来供给车内设备，或者将高压交流电转化为高压直流电用于充电等，这一部分是通过能量转换系统（PCS，也称高压配电盒）完成的。PCS 包括两个主要部分，分别是将交流电转化成直流电的 OBC（车载充电器，On Board Charger）和进行直流电压变换的 DCDC。这部分电路中主要是各种大电容和大电感，也包含了整车中十分罕见的保险丝。
从元器件层面来看BMS系统，最核心的主要就是AFE芯片和各类功率器件/被动元件。其中 AFE 芯片领域，国内最主流的是三家美国公司产品，Linear Technology（被 ADI 收购）、Maxim（被 ADI 收购）、TI，所以其实还是归结于全球最大的两家模拟芯片公司。此外 NXP/Freescale、Intersil 等大型厂商也有一定份额。随着国内产业发展，国产 AFE 芯片通道数和产品稳定性逐渐提高，也有望获得发展空间。功率器件方面，我国产业已经有一定市场地位，在汽车领域仍可以进一步突破。 从电路和系统层面来看，依据汽车电子工程师朱玉龙的说法，BMS 真正的核心价值，其实是在电池的测试，评价，建模和后续的算法。整个 EE 的软硬件架构，已经基本是红海，未来产业不需要大量的 BMS 公司，长久来看还是电池厂商和车厂能够在 BMS 领域获得较高的地位。随着汽车产业崛起，未来我国电动汽车厂商在 BMS 领域也有望获得更深厚的积累。 |
