特斯拉专利解析报告

吉普车-奥迪a9

2023年11月21日发(作者：山东疫情最新消息)

特斯拉专利解析报告

1.1特斯拉公司简介 .................................................. 0

1.2特斯拉专利总体介绍 .............................................. 0

1.3专利初步筛选分析 ................................................ 1

1.4重点专利介绍 .................................................... 4

1.5重点专利分布统计 ................................................ 5

1.6重点专利的专利所有权 ............................................. 6

2锂离子电池 .......................................................... 7

2.1电池热管理系统 .................................................. 7

2.1.1冷却系统结构优化 ............................................. 8

2.1.2温度控制的结构 .............................................. 11

2.1.3温度控制的控制策略 .......................................... 14

2.1.4热失控的检测 ................................................ 18

2.1.5防止或抑制热失控蔓延的措施 .................................. 24

2.1.6小结 ....................................................... 43

2.2电池系统充电控制策略 ............................................ 43

2.2.1不同充电倍率的控制策略 ...................................... 43

2.2.2基于工况确定充电SOC阈值的控制策略 .......................... 51

2.2.3充电控制器 .................................................. 51

2.2.4过充保护系统 ................................................ 53

2.2.5小结 ....................................................... 54

2.318650电池单体结构改进报告 ...................................... 54

2.3.1针对电池端盖的改进 .......................................... 55

2.3.2针对电池外壳的改进 .......................................... 57

2.3.3针对电池中心销的改进 ........................................ 60

2.3.4小结 ....................................................... 61

冷却液泄露的检测和处理方法 ...................................... 642.5

2.5.1高压电解与低压电解简介 ...................................... 65

2.5.2低压电解的监测与响应 ........................................ 66

2.5.3高压电解的监测与响应 ........................................ 67

2.5.4小结 ....................................................... 67

2.6动力电池安全性检测技术 .......................................... 67

2.6.1电池箱安全防护措施 .......................................... 67

2.6.2安全性辅助评估技术 .......................................... 74

2.6.3小结 ....................................................... 75

3电机部分 ........................................................... 76

3.1电机电压超调估计反馈 ............................................ 76

3.1.1电机电压超调控制流程 ........................................ 76

3.1.2电机空间矢量调节SVM ........................................ 78

3.2基于电机转子组件温度估计的矢量控制 .............................. 78

3.2.1电机转子关键温度组件的替代物 ................................ 78

3.2.2电机关键温度组件替代物温度的测量 ............................ 79

3.2.3基于温度的电机转矩控制 ...................................... 80

3.3电机低速和高速加权控制 .......................................... 80

3.3.1整个速度范围电机磁通估计 .................................... 81

3.4低温下电机发热控制模式 .......................................... 82

3.4.1低温电机发热系统 ............................................ 82

3.4.2低温电机供热多通道系统 ...................................... 83

3.5总结 ........................................................... 84

4整车部分 ........................................................... 85

4.1驱动系统 ....................................................... 85

4.1.1电动车辆双电机驱动控制系统 .................................. 85

5.1界面控制系统介绍 .............................................. 108

5.1.1控制系统模块化 ............................................. 108

5.1.2控制界面个性化 ............................................. 109

5.1.3控制界面自适应化 ........................................... 111

5.1.4听觉反馈控制系统 ........................................... 114

5.1.5接近激活系统 ............................................... 114

5.1.6触摸屏在车内的安装位置 ..................................... 115

5.2总结 .......................................................... 116

参考专利 .............................................................. 116

5界面控制系统 ...................................................... 108

特斯拉专利简介

1.1 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MODEL S、ROADSTER，以及即将上市的MODEL X。

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MODEL S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。

1.2 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

图错

误!文档中没有指定样式的文字。-1

示：

图错误!文档中没有指定样式的文字。-1特斯拉世界范围内专利申请分布

1.3 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。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-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图错误

!文档中没有指定样式的文

字。-3

所示：

总体分类

外观设计类金属电池锂离子电池电机整车其他

车轮整动电电电单电电电其整结其

门毂车力池池池体池机机他车构他

电系系安电其控结驱优

池统统全池他制构动化

热充集检结方改系

管电成测构面进统

系控方或优的或

统制法改化改制

进进造

热

管

理

系

统

结

构

冷热总排电

却事体气池

结故系系箱

构预统统密

与防布封

控与置

制控与

制装

配

总体分类结构

图错误!文档中没有指定样式的文字。-3

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。(3)

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

如图错误所示。

!文档中没有指定样式的文字。-4

图错误!文档中没有指定样式的文字。-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。其分布情况如图错误

!文档中没有指

定样式的文字。-5

所示：

图错误!文档中没有指定样式的文字。-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

图错误!文档中没有指定

样式的文字。-6

所示。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-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。

1.4 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。

1.5 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图错误

!文档中没有

指定样式的文字。-7!文档中没有指定样式的文字。-8

和图错误所示：

重点专利分类统计

锂离子电池电机整车界面控制系统

动电动电动单电电速电整整

力池力池力体机机度机车车

电系电箱电电电转加低驱碰

池统池密池池压矩权效动撞

热充安封漏改超温磁工系结

管放全液进调度通作统构

理电检检反限估供

系控测测馈制计热

统制

冷热热充充过过电安高低

却控失电电充充池全压压

系制控优控保/箱性电电

统系检化制护放安辅解解

结统测策器系电全助

构和略统检防评

优预测护估

化防

图错误!文档中没有指定样式的文字。-7重点专利分类明细

图错误!文档中没有指定样式的文字。-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。

1.6 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

图错误和图错误

!文档中没有指定样式的文字。-9!文档中没有指定样式的文字。-10

所示。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-9重图错误!文档中没有指定样式的文字。-10

点专利所有权锂离子电池部分专利所有权

由图错误和图错误

!文档中没有指定样式的文字。-9!文档中没有指定样式的文

字。-10

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。

2 锂离子电池

2.1 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~

图错误!文档中没有指定样式的文字。-11图错误!文

档中没有指定样式的文字。-13

[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（

图错误!文

档中没有指定样式的文字。-14

所示）。

[2]

图错误!文档中没有指定样式的文字。-11图错误!文档中没有指定样式的文字。-12

不同温度下动力电池的放电特性不同温度下动力电池的循环放电容量

图错误!文档中没有指定样式的文字。-13 图错误!文档中没有指定样式的文字。-14

不同温度下动力电池储能特性电池热失控的蔓延

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

类如所示。通过筛选，其中的28篇作为

图错误!文档中没有指定样式的文字。-15

重点专利进行分析。

电池热管理系统

电池热管理系

统结构

电池热管理的

控制策略

热失控的

防护措施

冷热整

却管车

系理热

统系管

拓统理

扑拓结

结扑

构

结

构

电预

池加

冷热

却温

控度

制控

策制

略

策

略

热热热

失失失

控控控

的后后

检的的

测

防排

护气

及系

结

构

统

图错误!文档中没有指定样式的文字。-15热管理相关专利分布

2.1.1 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。

2.1.1.1 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]

图错误!文档中没有指定

样式的文字。-16图错误!文档中没有指定样式的文字。-17

为优化前的流道结构，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。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-16图错误!文档中没有指定样式的文字。-17

优化前水道布置优化后水道布置

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

图错误!文档中

没有指定样式的文字。-18图错误!文档中没有指定样式的文字。-19

和。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。

[4]

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—平滑面热界面厚度；907—非平滑面热界面厚701—导热管；703—热界面；203—单体电池

度

图错误!文档中没有指定样式的文字。-18图错误!文档中没有指定样式的文

导热管截面图字。-19热界面与电池表面接触图

图错误!文档中没有指定样式的文字。-18

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

图错误!文档中没

有指定样式的文字。-19

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

图错误!文档中没有指定样式的文

字。-20

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-20电池单体相对导热管安装方向示意图

2.1.1.2 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，如图错误所示。电池以冷却剂隔离墙

!文档中没有指定样式的文字。-21

[5]

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。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-21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。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-22图错误!文档中没有指定样式的文字。-23

电池模块隔离结构隔离墙与冷却液流动1

图错误!文档中没有指定样式的文字。-24图错误!文档中没有指定样式的文字。-25

隔离墙与冷却液流动2隔离墙与冷却液流动3

如所示，采用机械可压缩的导热材料

图错误!文档中没有指定样式的文字。-22

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

图错误!文

档中没有指定样式的文字。-23图错误!文档中没有指定样式的文字。-25

~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。

2.1.2 温度控制的结构

图错误!文档中没有指定样式的文字。-26

为温度控制系统的拓扑结构，其中

[1]

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，特斯拉对该结构进行了改进，在ESS内部布置多

[6]

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，如图错误

!文档中没有指定样式

的文字。-27

。

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-26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；

图错误!文档中没有指定样式的文字。-27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，其主要结构分为冷却子系统，控制子系统，电

[7]

池循环子系统和乘客舱循环子系统。如

图错误!文档中没有指定样式的文字。-28

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（Peltier Effect, 利用电流通过两种特殊物质的结点处而产生温度降

[8]

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-28集中式冷却系统结构示意图

将专利[6]与专利[7]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，如所示。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-29

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-29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，如图错误所示。驱动冷却子系统、电

!文档中没有指定样式的文字。-30

[9]

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；

图错误!文档中没有指定样式的文字。-30整车热管理系统

2.1.3 温度控制的控制策略

2.1.3.1 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。图错误

[6]

!文档中没有指定样

式的文字。-31

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，所以图错误给出

!文档中没有指定样式的文字。-32

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热（1505），若处于该范围则关闭冷却系统（715）。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-31 ESS温度分区控制策略

图错误!文档中没有指定样式的文字。-32 ESS 温度综合控制策略

2.1.3.2 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。

图错误为预加热系统拓扑结构，温度比

!文档中没有指定样式的文字。-33

[10]

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，如图错误

!文档中没有指定样式

的文字。-34

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-33预加热系统拓扑结构

图错误!文档中没有指定样式的文字。-34 预加热能耗和电池温度对时间的关系

2.1.4 热失控的检测

2.1.4.1 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。其原理实：

[11]

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，如图错误所示。将监测的电池箱内部

!文档中没有指定样式的文字。-35

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、1min、5min、10min。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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-35 内部压力检测流程图

（2）

热敏电阻检测法

图错误所示，热敏电阻（103）测量电池（101）

!文档中没有指定样式的文字。-36

表面的电阻值变化（阻值随温度而变化）；以测量到的电阻值的连续性作为第

[12]

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-36热敏电阻值检测原理

（3）

绝缘电阻检测法

图错误是通过检测电池包的绝缘电阻值的

!文档中没有指定样式的文字。-37

变化来判断是否发生了热失控的事件。绝缘电阻的变化过程如下所述，

[13][14]

（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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-37

电池包绝缘电阻阻值变化

（4）

电压检测法

图错误为热失控的电压检测方法。该装

!文档中没有指定样式的文字。-38

[15]

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；

图错误!文档中没有指定样式的文字。-38电阻阻值检测方法

图错误中，（103）由同轴的两种导体和中

!文档中没有指定样式的文字。-38

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

图错误提供了一种方法和装置可用于判断

!文档中没有指定样式的文字。-39

电池包中电池单体或多个电池出现异常的热行为。如热失控，该系统使用的

[16]

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-39光纤检测热失控方法

图错误所示，为了提高探测的灵敏度，对

!文档中没有指定样式的文字。-40

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。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-40光纤检测热失控方法

2.1.4.2 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，如图错误。测试电池单体

!文档中没有指定样式的文字。-41

（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（module housing）；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。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-41热失控检测系统的自检方法

该系统的控制策略如下：

将测试电池与电源连接

开始对测试单元充电（

以一定的电压、电流、

频率）

检测充电的电压、电流

计算电流产生的热量

将计算出来的，释放的

热量和预定义的放热曲

线进行比较

调整电压、电流使其与

预定义的放热曲线一致

图错误!文档中没有指定样式的文字。-42自检系统的控制策略

2.1.5 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。

2.1.5.1 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

[2]

，如图错误A、B所示。通过实验对比可有效

!文档中没有指定样式的文字。-43

的防止或减缓热失控的蔓延，和

图错误!文档中没有指定样式的文字。-14

图错误!文档中没有指定样式的文字。-44安装膨胀材料可抑制热失控的蔓延

。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。

A B C

图错误!文档中没有指定样式的文字。-43 动力电池单体加装膨胀材料结构示意图

图错误!文档中没有指定样式的文字。-44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，如图错误所示。此外分

!文档中没有指定样式的文字。-45

[18]

区隔板有多中结构方式，图错误A在隔热板中增

!文档中没有指定样式的文字。-46

加了导热管，在阻隔热量蔓延的同时，将热量导出；图错误

!文档中没有指定样

式的文字。-46

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；

A B

图错误!文档中没有指定样式的图错误!文档中没有指定样式的文字。-45圆柱形

文字。-46分区隔板的结构动力电池的热隔离结构

（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，如图错误。该隔热层具有良好的高温稳

!文档中没有指定样式的文字。-47

[19]

定性和隔热效果：环境温度为1000C时，其导热系数低于0.25W/mK。可在900C

高温下保持结构稳定，并能在1000C高温下坚持10s。隔热层具有分层结构，

如图错误。外侧是防水层（1305），内部靠近电

!文档中没有指定样式的文字。-48

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；

图错误!文档中没有指定样式的文字。-47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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-48 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]

图错误为某电池连接的俯视图。电池单体

!文档中没有指定样式的文字。-49

（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。

图错误为电池传热数学模型。电池（202）处于

!文档中没有指定样式的文字。-50

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/R?1

(1)

202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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-49某电池连接的俯视图

图错误!文档中没有指定样式的文字。-50电池传热数学模型

2.1.5.2 防止热失控蔓延的电池固定装置

图错误为传统的电池固定方式，动力电池

!文档中没有指定样式的文字。-51

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。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-51传统的电池固定方式

A B C

图错误!文档中没有指定样式的文字。-52动力电池单体隔板结构示意图之一

图错误为一种动力电池单体隔板结构示意

!文档中没有指定样式的文字。-52

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。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-53动力电池单体隔板结构示意图之二

图错误!文档中没有指定样式的文字。-53

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

安防沟槽就形成了图错误所示的结构，该结构

!文档中没有指定样式的文字。-54

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]。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-54动力电池单体隔板结构示意图之三

2.1.5.3 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。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-55 电池连接方式

（2）

熔断材料

如所示，可变形的电池连接结构（12），

图错误!文档中没有指定样式的文字。-56

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99.99%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（0.011-0.16英寸），截面尺寸（0.030.03或者

0.080.008英寸）。

12-电池连接件；14电池单体；16-电流汇集板；18-卡座

图错误!文档中没有指定样式的文字。-56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，

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。

如为一种灭弧的结构形式，电池单

图错误!文档中没有指定样式的文字。-57

[24]

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；

图错误!文档中没有指定样式的文字。-57灭弧结构

2.1.5.4 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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-58电池包布置示意

图错误为电池系统在车上的布置图，其中，

!文档中没有指定样式的文字。-58

（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

图错误!文档中没有指定样式的

文字。-59

中的排气口总成（307）将气体沿（123）所示的方向直接排出；而

[25]

对于（107）处的电池包，则可通过电池包排气系统先将气体集中到图错

[26-27]

误中（203）处的结构中，然后通过图错误

!文档中没有指定样式的文字。-60!文档

中没有指定样式的文字。-60

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-59电池包支撑结构

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-60电池包

（2）

电池包定向排气系统

图错误所示的电池排气总成安装在

!文档中没有指定样式的文字。-61图错误!

文档中没有指定样式的文字。-59

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图错误

!文档中没有指定样式

的文字。-58

中（123）所示的方向排出。

①排气口总成

图错误~图错误

!文档中没有指定样式的文字。-61!文档中没有指定样式的文

字。-65图错

为排气口总成805的多个视图。排气口总成（805）的排气过程如

误!文档中没有指定样式的文字。-66

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 2-55 b)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 2-55

c)所示。

1003—密封件或伞阀，用于密封排气口；1005—

901—阀承载体，遇到高温时熔化；903—电池包底

板；905—排气口；907—阀承载体孔；909—阀延栓提供支撑；此图为阀承载体901的外部视图，安

伸区域装在排气口1001上

二通压力平衡阀；1007用于为固定盖板1301的螺

图错误!文档中没有指定样式的文字。-61图错误!文档中没有指定样式的文字。-62

电池包内部阀承载体安装视图电池包外部阀承载体安装视图

图错误!文档中没有指定样式的文字。-63图错误!文档中没有指定样式的文字。-64

伞阀伞阀侧视图

1201—伞状部分；1203—倒钩部分，勾在阀承载

体孔907上；1205—尖端部分

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-65阀总成盖板安装示意

a)b)c)

图错误!文档中没有指定样式的文字。-66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，经过图错误

文档中没有指定样式的文字。-67

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-67图错误!文档中没有指定样式的文字。-68

车辆最前部电池包示意电池包分区中排气口总成示意

（3）

电池包排气系统

图错误~图错误

!文档中没有指定样式的文字。-69!文档中没有指定样式的文

字。-71图错误!文档中没有指定样式的文字。-59

所示的排气阀总成安装在中的

[25]

排气口总成(305)处（图错误中的（305）为其放

!文档中没有指定样式的文字。-68

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图错误所示。正

!文档中没有指定样式的文字。-72

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，如图错误 a)所示；

!文档中没有指定样式的文字。-72

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，如图错误 b)所示；随着电池包内压力的

!文档中没有指定样式的文字。-72

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，如图错误 c)所示；随着高温气体沿排气

!文档中没有指定样式的文字。-72

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，如图错误 d)所示。

!文档中没有指定样式的文字。-72

图错误!文档中没有指定样式的文字。-69图错误!文档中没有指定样式的文字。-70

伞阀伞阀侧视图

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-71阀承载体

1201—排气口；1203—电池包底板；1205—气体流通区域；1207—气体流通路径

图错误!文档中没有指定样式的文字。-72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将多个排气口中

[26]

的气体集中起来，如图错误、图错误

!文档中没有指定样式的文字。-73!文档中没

有指定样式的文字。-74

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-73图错误!文档中没有指定样式的文字。-74

电池包下部排气导向结构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集中起来后，需经过排气引导结构通过统一的排

[26][27]

气口（703）排出，如图错误、图错误

!文档中没有指定样式的文字。-75!文档中没

有指定样式的文字。-76!文档中没有指定样式的文字。-77

所示。高温气体通过图错误

中505(a)（即图错误中的203）所示的空心结构

!文档中没有指定样式的文字。-60

集中后，从排气口（703）（即图错误中的207）

!文档中没有指定样式的文字。-60

处统一排出。图错误为图错误

!文档中没有指定样式的文字。-78!文档中没有指定

样式的文字。-77

中703处的剖视图。

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

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-75排图错误!文档中没有指定样式的文

气引导结构字。-76排气引导结构剖视

701

—电池包角落部件；703—排气口 —压力平衡阀；805—阀保持件；807—排气口盖，

801—单个空腔，其与空腔507-510均相通；803

其在热失控时打开

图错误!文档中没有指定样式的文字。-77排图错误!文档中没有指定样式的文

气口字。-78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由密封件、SMA保

[28]

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—O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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-79排气口总成剖视图

图错误!文档中没有指定样式的文图错误!文档中没有指定样式的文

字。-80SMA保持件变形前视图字。-81SMA保持件变形后视图

图错误为图错误

!文档中没有指定样式的文字。-80!文档中没有指定样式的文

字。-79!文档中没有指定样式的文字。-81

中A区域的细节放大图；图错误为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，如图错误所示。

!文档中没有指定样式的文字。-82

图错误!文档中没有指定样式的文字。-82SMA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

图错误为电池箱结构示意图，电池单体

!文档中没有指定样式的文字。-83

[29]

（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）。主要的失效结构如表错误

!文档中没有指定样式的文

字。-1

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-83动力电池箱结构示意图

表错误!文档中没有指定样式的文字。-1热失效结构举例

序号主视图侧视图原理

密封剂601将端盖503固定于失效端口

1 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。

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。

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。

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 动力电池箱501连接，内部高温或高压

失效端盖1101通过螺栓或铆钉1103与

的作用下连接会失效，端盖脱落。

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

6 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。

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

7 池发生热失控时，在高温高压的作用下，

②电池箱外部冷却结构

薄壁1505处首先失效断开，第二阶段

1503弯曲，从而散热降压。

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，如图错误

!文档中没有指定样

式的文字。-84

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。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-84电池箱外部气体冷却结构

2.1.6 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。

2.2.1 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℃（磷酸铁锂电池）或-20℃（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，专利中

[30]

针对电池在0C以下的充放电特性，建立了锂离子电池的等效电路模型：

图错误!文档中没有指定样式的文字。-85锂离子电池的等效电路

其中OCV：电源电动势；：直流内阻；

Noal

..：端电压；：充放电电流

Vcell

bad

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与温度的关系，认为它是温度T

bad

的函数。通过试验测试可以得到在不同SOC和温度时的数值。基于该阻抗

bad

值，对电池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?V?i?R

maxbad

得到如图所示的充电曲线：

图错误!文档中没有指定样式的文字。-86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?i?R

maxbad

进行适当的转换得到：

i=(V?V)/R

maxbad

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，将看作是温度T和SOC的函数，对

bad

锂离子电池传统的充电模式进行了修改，提出了新的充电方案：将电池的充

[31]

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。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-87充电控制策略

恒压阶段采用的恒压充电，并将N设定为比较大的值，

V?V?i?R

maxbad

[30]

则该充电曲线可以转化为如图1-4所示。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-88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Y

CC?CC

FinalInitiol

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，恒压阶段则采用来避免电池的过充和过流现象。

V?V?i?R

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

图错误!文档中没有指定样式

的文字。-89

所示，外部电源（310）通过功率连接器（303）对电池充电的时

[32]

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-89整车中的充电控制策略

外部功率源

辅助系统最佳倍率

工作充电

最佳倍率

充电

系统参数<预

定值

关闭辅助系

统

系统参数>预

定值

图错误!文档中没有指定样式的文字。-90简化后的工作流程图

如所示简化后的工作流程图，每次给

图错误!文档中没有指定样式的文字。-90

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-91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，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

[32]

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。

即将进行快充

确定快充条件

切换到预快充

模式

启动快充启动快充

电动汽车在预

快充模式

图错误!文档中没有指定样式的文字。-92快速充电流程图

专利[34]结合了专利[32]和[33]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：

能量源

电动汽车充电站

充电加强系统

通信系统

交互界面

充电站控制系统

用户

图错误!文档中没有指定样式的文字。-93 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：

图错误!文档中没有指定样式的文字。-94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就显得十分必要。

[35]

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-95 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

图错误!文档中没有指定样式的文

字。-96

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-96 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，如所示。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-97

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。-97 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）。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-98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。

2.2.4 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，额外增加的过充电保护装置OPD（overcharge protection device），

[37]

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）。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-99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）。

2.2.5 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。

2.3 18650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，针对电池外壳的改进以及针对电池中心销

[38-40][41-43]

的改进。

[44]

2.3.1 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。下面详细介绍几种实施例。

[38]

图错误!文档中没有指定样式的文字。-100几种电池盖示意图

如图错误 a)所示，200为铝制电池盖，热

!文档中没有指定样式的文字。-100

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。

图错误 b) 所示电池盖包括环(305)、顶(310)

!文档中没有指定样式的文字。-100

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。

如图错误 c)所示，电池盖(400)由一个顶板

!文档中没有指定样式的文字。-100

(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。

如图错误 d)所示，电池盖（500）包括一

!文档中没有指定样式的文字。-100

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。通过该系统，

[39]

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。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-101电池泄压和端部隔离集成系统原理图

图错误!文档中没有指定样式的文字。-101

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。

图错误!文档中

没有指定样式的文字。-102

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]

图错误!文档中没有指定样式的文字。-102电池单体改进实施例

如图错误所示，钢制端子盖（127）以及

!文档中没有指定样式的文字。-102

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。

2.3.2 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。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-103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”。 “对层”中包含一个隔热层（501）

[41]

和一个强度层（503）。同时电池的外层也有小孔，热失控时电池里面的高压气

体通过电池外壳上的孔排出去。隔热层在内部，强度层在外部。隔热层的材料

一般有以下几种：玻璃纤维、矿物棉、硅石纤维、硅、石英纤维、氧化铝、凯

夫拉尔，诺梅克斯，硅酸钙，硅酸镁钙纤维、陶瓷、塑料、聚合物。强度层的

材料一般有以下几种：工程钢、高强度结构钢，镀钢、不锈钢、钛、钛合金和

镍合金。

通过取消覆盖在传统电池侧面的绝缘材料，用一个绝缘阻隔层来取代，从

而改善因传统绝缘层覆盖面积大导致的影响散热、增加重量和成本等问题。

[42]

其覆盖电池壳体侧面少于20%的表面积。绝缘阻挡层可由过盈材料或模塑材料

构成，包括合成聚合物（如聚烯烃、尼龙、橡胶等）、合成含氟聚合物（如聚四

氟乙烯）和聚酰亚胺（如卡普顿Kapton，一种轻型耐高温塑料品牌）。绝缘阻隔

层可通过过盈配合、粘接、摩擦配合或以其他方式与电池外壳连接。绝缘阻挡

层接近电池端子，可以防止端子与电池外壳边缘之间发生短路，从而显著改善

电池的传热效率，同时提供了更好的表面（即裸露的电池壳体），在电池组装配

时利于电池间的连接。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-104电池单体结构改进

如图错误所示，（201）为传统绝缘层，其

!文档中没有指定样式的文字。-104

覆盖整个侧面、底面的一部分以及电池盖总成的一部分。（401）为本专利所介

绍的绝缘阻隔层，其覆盖壳体顶部边缘部分。

a) b)

301—套袖式外包；303—电池侧面；305—电池底部；401—罐式外包

图错误!文档中没有指定样式的文字。-105具有外包装置的电池单体剖面图

通过在电池外表面加装外包，可以有效降低热失效时由电池侧面通孔向

[43]

周围电池的热传导功率，进而，显著降低引起周围电池热失效的风险。如图错

误所示，图a)为套袖式单层外包；图b)为罐式

!文档中没有指定样式的文字。-105

单层外包。外包材料为高强度材料，室温下屈服强度为250MPa，或1000℃下

屈服强度为250MPa，或室温下屈服强度为500MPa，或1000℃下屈服强度为

500MPa。该外包材料可以为工程用钢、电镀钢、不锈钢、钛合金、镍合金等。

该外包可以为单层结构、同种材料构成的多层结构以及多种材料构成的多层结

构。

2.3.3 针对电池中心销的改进

电池在过充电，内部短路，热失控等情况下会形成局部高温点，导致其邻

近区域产生变形，由于传统电池的中心销具有一定刚度，所以电池会向外侧变

形并膨胀，可能导致电池破裂，一旦破裂，后果将非常严重。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-106具有中心销的电池单体剖视图

特斯拉对中心销进行了改进，改进后的中心销材料具有电池在正常温度

[44]

范围内工作时，中心销保持其刚性；但当电池温度超过其正常工作温度范围时，

中心销变形或熔化的特性。从而可以使电池向中心膨胀，避免向外膨胀导致电

池破裂。

中心销可由这样的材料制成，其熔化温度处于这样的温度范围内：

100~200℃，或者100~300℃，或者75~150℃。中心销材料玻璃态转变温度可能

处于这样的温度范围内：25~150℃，或者25~100℃，或者25~75℃，或者0~75℃。

中心销材料密度小于：5g/cm3，或者2.5g/cm3，或者2.5g/cm3，或者1g/cm3。

中心销材料可能具有负的热膨胀系数，或者小于200ppm/℃的线性热膨胀系数，

或者小于150ppm/℃的线性热膨胀系数，或者小于100ppm/℃的线性热膨胀系

数，或者小于200ppm/℃的线性热膨胀系数。中心销可以由聚合物材料制成，如

聚丙烷、聚对苯二甲酸、对丙二酸酯。中心销可能由纤维强化材料制成，如酚

醛树脂或玻璃纤维/塑料复合材料。

2.3.4 小结

特斯拉对于电池单体结构的改进主要集中在三个方面，（1）针对电池端盖

结构的改进，通过喷射结构，泄压和端部隔离装置，在发生热失控时，有效的

将过压气体排出，从而减小对电池的进一步损坏；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），可以减少加工成本，减

轻自重，同时也可减轻电池外壳和电池正极短路的风险。（2）针对电池外壳的

改进，通过在电池外壳增加隔热层和绝缘阻隔层，有利于减少热失控的概率及

其带来的危险，通过取消覆盖在传统电池侧面的绝缘材料，用一个绝缘阻隔层

来取代，从而改善因传统绝缘层覆盖面积大导致的影响散热、增加重量和成本

等问题。（3）通过改进中心销材料，使其在高温时变形或熔化，从而可以使电

池向中心膨胀，避免向外膨胀导致电池破裂。

2.4 电池箱密封

电池箱需具备一定的防护等级，以防止泄漏及水、氧气、二氧化碳或其它

材料带来的污染。

针对电池箱的密封结构与方法，特斯拉公司申请了5项专利，去除内容相

似的专利后，最终对2项专利进行了较为详细的分析。

2.4.1 电池包外用密封胶方法及装置

2.4.1.1 基本内容

专利[45]提供一种简化电池组封装的方法和装置。电池包壳体由两个部分组

成，每个壳体件包含诸多电池约束结构，电池末端安装在电池约束结构中。电

池包壳体上有多个凸起的密封剂注入口，其高出各自的壳体件的表面，确保注

入口在注入密封剂的过程中及注入完成后均不会被密封剂堵住。

2.4.1.2 注入口结构

如图错误及图错误

!文档中没有指定样式的文字。-107!文档中没有指定样式的

文字。-108

所示，密封剂注入口（109）凸出电池包壳体底部内表面（105），使

其在注入密封胶前及注入密封胶前均不会被密封胶堵住，从而能够完成正常的

密封工作。又如图错误所示，电池箱壳体上分

!文档中没有指定样式的文字。-109

布有很多密封剂注入口（403），可同时通过多个注入口进行注胶工作，可大大

提高工作效率。

101—电池安装孔；103—通孔，位于101底部；105—底部内表面；107—倒角；109—密封剂注入口。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-107电池包下部壳体部分视图

103—单体下方的通孔；105—底部内表面；201—电池单体；301—密封剂；109—密封剂注入口；111

—密封剂注入口的凸起部分；303—注入口的末端部分。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-108安装电池单体并注入密封材料的视图

401—单体电池约束孔；403—凸起的密封剂注入口。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-109完整的壳体部件

2.4.1.3 注入过程

图错误!文档中没有指定样式的文字。-110注入第一层密封胶后的视图

400、500为电池包壳体部；403、503为密封剂注入口；801、901为密封剂。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-111注入第二层密封胶后的视图

如图错误所示，通过密封剂注入口（503）

!文档中没有指定样式的文字。-110

注入密封材料801，而后密封材料801在壳体部件（400）的表面流动，密封材

料包围电池下端，且在此过程中下部的密封剂注入口保持打开；当密封材料

（801）完全固化后，翻转电池包总成，如图错误

!文档中没有指定样式的文字。-111

所示；通过密封剂注入口（403）注入密封材料（901），而后密封材料（901）

在壳体部件（500）的表面流动，密封材料包围电池下端，且在此过程中下部的

密封剂注入口保持打开，当两层密封材料（801、901）均完全固化后，即完成

注胶过程。

总的来说，整个密封剂注入过程就是从上部的密封剂注入口注入下层密封

材料，使电池下端固定。但是，此密封剂注入过程并未考虑电池包内导热管路

等其他结构的安装，这些结构会与本上述密封剂注入过程干涉。

2.4.2 密封的电池包壳体

如图错误所示为一种密封的电池箱结构

!文档中没有指定样式的文字。-112

[46]

，包括上、下壳体部件、密封垫片等。图错误

!文档中没有指定样式的文字。-113

所示为另一种密封垫片结构，比图错误中的

!文档中没有指定样式的文字。-112

（107）多了压缩限位块（201），可有效防止密封垫片（107）被过压缩。

101—多个单体；103—下部壳体部件；105—上部壳体部件；107—不可压缩、不透水密封件；109—下

部壳体凸缘部分；111—螺栓；113—电气连接器；115—冷却管路连接器；117—干燥剂；119—二通安

全阀。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-112电池包各部件示意

201—压缩限位物，防止密封垫片107过压缩。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-113替代密封垫片示意

2.4.3 小结

本部分内容主要给出了1.凸起的密封剂注入口结构以及可批量化注胶的注

入结构，具有一定的借鉴意义；2.电池包密封结构，其中，密封垫片限位结构具

有一定的借鉴意义。

2.5 冷却液泄露的检测和处理方法

在应对冷却液泄露方面，特斯拉公司共有4个专利，分别对应冷却液泄露

后，高压电解的监测和应对措施；低压电解的监测和应对措施。

2.5.1 高压电解与低压电解简介

当冷却液泄漏后，冷却液被高压电解称为“高压电解”，被低压（电压不超

过5V）进行电解称为“低压电解”。两种电解方式的本质相同，即冷却液被电解。

但由于反应条件不同，其反应特点也不同，造成的后果也有一定的差别。

在低压电解过程中，冷却液被分解为氢气和氧气。如果处理不当，容易发

生爆炸等严重危害。一般应对措施也是阻止电解继续发生，防止氢气燃烧造成

爆炸事故。

[47][48]

在高压电解过程中，在产生氢气和氧气的同时，还伴随着大量的热量产生。

一方面高压电解产生的热量直接在电池组中传播，另一方面产生的热量促使冷

却液沸腾产生蒸汽，加速热量在电池组内部传播。加大电池组发生热失控事故

的概率。

[49][50]

高压电解和低压电解的监测和响应系统的在结构形式上较相似。其结构如

图

错误!文档中没有指定样式的文字。-114

所示。

120-冷却系统；110-电池组；115-电池单元

130-监测系统；125-控制器；135-补救系统

图错误!文档中没有指定样式的文字。-114电解监测和响应系统结构图

首先通过电解监测系统（130）对冷却系统进行检测，判断系统是否存在高

压电解或者低压电解。如果发现存在某种形式的电解，然后根据其应对措施对

冷却系统采取补救措施。

尽管高压电解和低压电解的监测和响应结构相同，但是其监测和响应的方

法存在明显差异，也相互独立。

2.5.2 低压电解的监测与响应

系统对低电压的控制方式如下图所示。

205-监测低压电解信号；210-是否存在低压电解；215-通知控制器低压电解

图错误!文档中没有指定样式的文字。-115系统对低电压电解的监测控制系统

低压电解的监测是通过一系列传感器构成，传感器采集到相关数据，并传

递至控制器进行判定，确定是否发生了低电压电解。如果存在低压电解，则执

行相应的低压电解响应。低压电解主要的特征是电解产生氢气，所以监测是否

有氢气产生，是否有冷却液泄漏，并对电压、电流、冷却液的流速等信号进行

监测。

电解产生的氢气是低压电解的主要危害，所以低压电解的响应主要是去除

氢气，和移除冷却液。

氧气置换系统结构如所示。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-117

405-为电池箱边界；410-为惰性气体入口；

415-为惰性气体；420-为气体出口，425-为排出气体

图错误!文档中没有指定样式的文字。-116氧气置换系统

2.5.3 高压电解的监测与响应

高压电解会产生大量的热量，随着热量的累积，会造成冷却液沸腾，产生

大量的蒸汽，加快热量在电池组中的传播。增大了电池组热扩散事故发生的概

率。

高压电解的监测是通过温度传感器，压力传感器，湿度传感器综合进行的。

其应对措施除了防止氢气燃烧外，还要向冷却系统中添加冷却液和水，稀释聚

乙二醇的含量，从而达到降低温度，减小热失控风险的作用。

2.5.4 小结

本系统，在应对冷却液泄露问题时，根据高压电解和低压电解的不同特点，

建立了两套独立的监测和应对系统。从而将冷却液泄漏的后果降至最低，保障

电池的安全。

传统汽油汽车上也会面对类似的问题，但冷却液在传统汽车上泄露只会导

致其铝制部件腐蚀，后果相对较轻，其检测方法和应对措施也较为简单。一般

汽车采用定期手动检查的方法来解决此类问题。由于电车上冷却液泄露危害巨

大，尤其高压电解存在产生电池热失控或者电池爆炸的风险，所以防止冷却液

电解的研究十分必要。

2.6 动力电池安全性检测技术

在正常使用过程中，合格的锂离子动力电池不会出现安全问题，但是在严

重过充电、过放电、局部温度过高或电池内部短路等滥用条件下，电池会发生

起火、爆炸等安全事故。

关于动力电池安全性检测技术部分的专利一共有22项，其中(1)电池箱的安

全防护措施专利共17项，主要包括过充放电的检测与响应、电池箱内电池单元

的编址、电压错误的诊断方法、过流短路的防护装置、故障电池的隔离等技术，

其中，过充放电的检测与响应专利共4项，包括在串联电池单元中异常充电事

件的稳态与瞬态检测及针对过充电、过放电事件的响应；(2)动力电池安全性辅

助评估技术专利共5项，主要包括电池直流阻抗、容量及充放电范围的估计。

2.6.1 电池箱安全防护措施

电池箱的安全防护措施具体有过充放电的检测与响应技术、电池包

[51][52][53]

内电池模块编址技术、电池电压的错误诊断技术、过流短路检测技术和

[54][55][56]

停用故障电池的方法。

[57]

在能量储存系统的整体结构下，通过这些安全防护检测措施实现电压、电

流等电池参数的诊断，对于出现异常或错误的电池单元进行编址定位，在响应

处理策略的原则下，标记并储存异常事件，停止充放电或停用故障电池，有效

保障电池组(或能量存储系统)的整体寿命。

过充放电的检测与响应技术，主要叙述串联电池组发生异常充放电

[51][52][53]

事件时的瞬态检测以及响应处理方法。首先，介绍能量存储系统和异常事件检

测器。

（1）

具有多个锂离子电池单元串联的可再充电能量存储系统ESS

115-ESS正极；120-ESS负极；105-电池单元；110-电池管理系统BMS；130-事件检测器；

125-电压检测和均衡系统VMBS

图错误!文档中没有指定样式的文字。-117能量存储系统

该储能系统(如所示)包括N个锂离

图错误!文档中没有指定样式的文字。-117

子电池单元串联和一个电池管理系统BMS，BMS包括异常事件检测器、电压检

测和均衡系统VMBS，通过传感器和控制元件实现数据采集和锂离子电池单元

的监控。

（2）

异常充放电事件检测器

该检测器连接到数据采集系统，通过控制器实现异常充放电事件的响应。

图

错误!文档中没有指定样式的文字。-118

是异常事件的检测和响应系统。系统包括能

源整体结构(505)，由能量存储系统(100)、控制系统(510)、能量转换器(515)和维

护系统(520)组成。系统(500)还包括充电设备(525)，典型的是充电站，为能量存

储系统(100)提供交流电输入。

系统的异常事件判断依据是对比电池参数与参考值，然后通过控制器件标

记异常事件并响应处理，停止对锂离子电池组进行放电或者充电，从而实现锂

离子电池组充放电异常事件的响应处理，延长了电池的使用寿命，如

图错误!文

档中没有指定样式的文字。-119

所示。

505-能源整体结构；100-能量存储系统；510-控

制系统；515-能量转换器；520-维护系统；525-

充电设备

605-获取参考值；610-确定电池单元的参数值；

615-对比参数与参考值；620-判断是否是异常事

件；625-返回检测过程；630-标记异常事件

图错误!文档中没有指定样式的文图错误!文档中没有指定样式的文

字。-118 字。-119

异常事件检测器异常事件的判断

操作过程为：查找对应电池单元SOC值的阻抗值范围，如果SOC超过指

定范围，那么控制器检测到异常事件（过充电或过放电）。由于阻抗随SOC的

变化不是线性的，并且可能随温度变化而有所不同，所以一些实现方法可以依

赖参数（电压、电流等）变换为一个相应的SOC，然后通过SOC评估异常充电

事件。

过充电响应包括以下十种：1、电池管理系统BMS停止储能系统ESS的任

何充电信号；2、通过电池管理系统BMS的诊断码(DTC)或故障指示灯(MIL)，

采取纠正措施；3、锁定充电，并不是停止充电，而是充电被限制，以减少过充

电的风险；4、电压策略和均衡系统VMBS在电池管理系统的控制下使用泄放电

路，确保电池单体不发生过充电；5、通过每个充电周期信息的采集，纠正SOC

值，调整电压目标值，防止过充电；6、类似于第五种，降低最大SOC或目标

电压；7、使用电池管理系统BMS测量和数据采集系统记录各种事件，包括温

度、SOC、电压、时间和充放电率等数据，发送到数据中心进行处理；8、调整

受影响的电池单元的参数（例如，电压增益或电压偏移因子）；9、利用热控制

系统，强制冷却；10、提供参数（如电压）测量系统不工作情况下的备用响应。

过放电响应包括以下七种：1、控制或限制下次充电，因为过放电会影响随

后的充电周期；2、矫正SOC或调整电压目标；3、通过电池管理系统增加SOC

的下限或电压目标值；4、记录事件，发送到数据中心；5、调整受影响的电池

单元的参数（例如，电压增益或电压偏移因子）；6、提供参数（如电压）测量

系统不工作情况下的备用响应；7、电池管理系统限制最大电流消耗。

100-电池组；105-电池模块；115-连接器；120-电池单体；125-处理子系统；130-网络；110-电池

检测系统

图错误!文档中没有指定样式的文字。-120 电池包结构

电池包内电池模块编址技术专利的权利要求保护

[54]

图错误!文档中没有指定

样式的文字。-120

中所示装置，由多个电池模块串联在一起，每个模块包括具有

阳极连接器的壳体和阴极连接器，其中第一模块的阳极连接器被连接到第二模

块的阴极上，每个特定模块的参考位置属性标识与模块一一对应。

该装置包括一个处理系统连接到每个模块上，用于确定当前电池模块的位

置属性；包括一个比较器，连接到上述处理系统中，用于比较与特定的一个电

池模块相关联的特定基准位置属性；还包括一个显示器，其连接到比较器上，

用于标记电池模块的参考位置属性，当前的位置是通过不同的电流位置属性获

取的。每个电池模块位置属性ID的确定与判断流程图如

图错误!文档中没有指定

样式的文字。-121

所示。

电池电压的错误诊断技术通过检测电池电压、充电时间和充电状态，确

[55]

定一定充电时间内电池电压的变化，然后再将计算的结果和预定的结果进行比

较，如果相差比较大，就会报错。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-123

是电池电压错误诊断流程，系统需

要监控电池电压(402)，该监控可以是持续的或间断的，可能还需要考虑时间和

电池的荷电状态。根据获得的电池信息生成电池当前的状态(404)，包括电压随

时间的变化dV/dt。将电池当前的状态与预期数据进行对比(406)，判断是否相似。

若存在实质性差异(408)，则报错(412)，否则，无误报(410)。

200-电池ID分配处理流程；205-

确定电压；210-确定位置属性；

215-给电压序列分配ID；220-写

图错误!文档中没有指定样

式的文字。-121图错误!文档中没有指定样式的文字。-122

分配电池ID 电池ID的判断

300-电池ID判定处理流程；305-确定电压；310-确定位置属性；315-

给电压序列分配ID；320-读取ID；325-对比读取的ID与计算的ID

值；330-标记位置不符

400-电池电压错误诊断方法；402-监控电池电压；404-生成电池状态数据；406-比较电池状态数据；

408-判断是否有实质性差距；410-没有误报；412-报错

图错误!文档中没有指定样式的文字。-123 电池电压诊断流程

利用模式识别实现过流短路检测技术专利中，电池箱内电池单体先串联

[56]

再并联，组成电池模块；多个电池模块再串联，组成一个电池包，其中在电池

模块之间串联一个保险丝，结构如所示。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-124

200-电池组；205-高电压电池外壳；100-电池模块；210-电流传感器；215-熔断器；220-接触器；225-

电池管理系统BMS；230-电源连接器；255-内部短路；235-冷却剂回路；240-泵；245-二次能源储存系

统；250-独立控制器

图错误!文档中没有指定样式的文字。-124 过流短路检测结构

图错误!文档中没有指定样式的文字。-125 过流短路判断依据

根据获取过流短路的判断依据，

图错误!文档中没有指定样式的文字。-125

(1)(305)表示电池组工作电流限值；(2)(310)为保险丝熔断限值；(3)潜在危险区间：

(315)冷却功能完好时，高功率输出；(4)(320)冷却功能失效时，高功率输出。其

判断方法是：检测单体电池端电压，若出现电压降0.3-1V，结合(1)电流检测；

(2)电压变化速率；判断是否出现短路；当出现短路，则(1)熔断保险丝；(2)启动

强制冷却系统。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-126 停用故障电池单元的方法

在电动车辆的电池组中停用故障电池单元的方法，如

[57]

图错误!文档中没有

指定样式的文字。-126

所示，包括：(1)检测弱短路的电池单元(14)；(2)利用前述

电池包内电池模块编址技术(16)，判断已经发生弱短路电池单元的具体位置

[54]

(18)；(3)最后，利用跨接装置将上述检测到的故障电池单元从电池组里断开(20)。

2.6.2 安全性辅助评估技术

安全性辅助评估技术，主要包括利用直流阻抗评估电池健康状态、电池

[58]

容量估计方法和设备，通过这些技术可以辨识电池是否发生故障，为响应策

[59]

略提供指导性依据。

利用直流阻抗评估电池健康状态的主要内容，是通过周期性地检测电池

[58]

的直流内阻，来确定直流内阻的衰减，并结合电池温度、SOC和电池的使用寿

命对电池的健康状况进行一个评估。

关于内阻的测量过程：(a)通过周期测量电池的直流内阻，以确定电池的直

流内阻的变化规律；(b)将测量的直流内阻阻值和参考直流内阻相比，建立内阻

退化系数；(c)在使用电池和对一组电池的属性进行响应的过程中，获得电池的

操作参考内阻；(d)将内阻退化系数应用到操作参考内阻上，获得实时有效电池

阻抗。

101-电池；103-温度传感器；105-电压传感器；107-电流传感器；109/111/113-模数转换；115-

处理器；117-存储；119-显示；121-时钟

图错误!文档中没有指定样式的文字。-127 电池容量估计设备

图错误!文档中没有指定样式的文字。-128 使用加权函数精确估算电池容量

电池容量估计方法和设备(如所示)

[59]

图错误!文档中没有指定样式的文字。-128

主要通过检测电池的温度、电压和电流参数，提出了一种使用加权函数精确估

算电池容量的方法，再利用处理器储存数据并显示。该系统可监测动力电池的

电流，使用该电流可计算动力电池的荷电状态（SOC/Ah）。该系统也可测量动

力电池搁置时的开路电压（OCV/V），电池的SOC可根据开路电压计算。加权

函数就是基于这两种方法并将误差考虑在内，得到一种更加精确的电池容量计

算方法。

2.6.3 小结

特斯拉在动力电池安全性检测技术重点解析的专利中，(1)提出了利用异常

事件检测器(微处理器)能够瞬态检测电池箱内动力电池的过充放电异常，同时提

出10种过充电响应和7种过放电响应；(2)提出了电池单元编址技术，利用枚举

在不增加系统复杂性的前提下实现快速编址和获取电池单元的位置属性；(3)提

出了电池电压错误诊断、过流保护、停用故障电池的技术，全面了电池箱的安

全防护措施；(4)提出了利用直流阻抗评估电池的健康状态和利用加权算法精确

获取电池容量的方法，为电池状态及故障判断提供了依据。

3 电机部分

特斯拉MODEL S电动汽车采用的3相4极交流感应电机，可在5.6秒内从

0加速到100公里/小时，最高车速可到200公里/小时。交流调速系统具有如下

优点：交流电机便于日常维护；交流电机坚固耐用、重量轻，适合动态响应高

的场合；调速性能好、经济可靠；功率因素高、谐波小。其缺点是调速复杂，

调速装置成本高。

特斯拉对电机的研究如图错误所示，关于

!文档中没有指定样式的文字。-129

电机部分的专利一共有23项，其中(1)电机控制4项；(2)电机结构改进13项；

(3)电机其他部分6项。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-129电机专利分类结构图

主要研究内容是电机控制中的电机转子温度估计、电机磁通估计、电机转

子运行控制和电机其他部分下的低温电机耗散模式。

3.1 电机电压超调估计反馈

电压超调系统在电压信号超出实际可供最大电压时，对电压信号进行调节。

当电压指令大于电池能提供的实际电压时，利用空间矢量加脉宽调制SVPWM

对电机电压超调进行控制的方法，脉宽调制的占空比信号可以从0%到100%。

[60]

3.1.1 电机电压超调控制流程

电机电压超调控制流程如图所示。

302—控制模块；304—调制单元；306—电池；

308—逆变器；310—电机；312—电压估计器；314—磁通估计器

图错误!文档中没有指定样式的文字。-130电机电压超调控制流程

(1)控制模块（302）产生电压指令，电压指令传递给调制单元（304）；

(2)调制单元（304）利用矢量加脉宽调制SVPWM，产生调制的信号

d,d,d

abc

(可以是占空比信号：0%到100%)；

(3)调制信号传递给逆变器（308），逆变器（308）基于控制信号和电池（306）

总线电压产生相电压，控制电机（310）；

bus

v,v,v

abc

(4)调制的信号经三相转两相变换器（316），转换为两相电压信号，

d,d,d

abc

电压估计器（312）基于经316转化的信号和电池（306）总线电压信号，估

bus

计电机相电压；

est

(5)估计的相电压传递给磁通估计器（314），磁通估计器（314）估计电

est

机（310）磁通

est

，传递给控制模块（302）。

3.1.2 电机空间矢量调节SVM

空间矢量调制SVM和超调技术示意图如

图错误!文档中没有指定样式的文

字。-131

所示。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-131空间矢量调制SVM和超调技术示意图

SVM将逆变器视为一个单元，可以被8个状态驱动，其中6个状态可以被

状态电压矢量（402）在d-q坐标轴系内表示；另外两个是空状态。六边形（400）

代表逆变状态的峰值电压。

参考电压矢量（404）沿着环形轨道（406），没有超出峰值电压，不需要超

调；电压矢量（408）沿着圆形轨迹（410），超出峰值电压，需要超调。调制器

调制高于参考电压矢量（404）约10%(可以是5%~20%)的电压信号是最理想的。

3.2 基于电机转子组件温度估计的矢量控制

在电机的驱动控制中，需要管理电机的输出转矩，以防止电机关键组件温

度过高。如交流感应电机，其转子轴和电磁铁可以工作在很高的温度，但是和

轴耦合的轴承却只能工作在较低的温度，因而要控制电机输出转矩，避免轴承

温度过高。

3.2.1 电机转子关键温度组件的替代物

电机的结构如图错误所示。

!文档中没有指定样式的文字。-132

305—电机架；310—定子；315—转子；320—

轴

325—轴承；330—接线板；335—风机叶片；340—端盖；345—端环

图错误!文档中没有指定样式的文字。-132电机结构示意图

电机的轴承（325）是关键组件，电机（300）的操作，要避免轴承（325）

达到或者超过关键温度。但是直接测量轴承（325）的温度会增加不必要的复

[61]

杂性，可以通过轴承（325）的热力学替代物评估轴承温度。采用电机的端环（345）

作为轴承的替代物。

3.2.2 电机关键温度组件替代物温度的测量

三节点热力学模型结构图如图错误所示。

!文档中没有指定样式的文字。-133

505—定子绕组温度结点；510—转子硅钢片结点；515—转子铜条结点；520—定子绕组温度测量器；525

—气隙热阻抗；530—机械旋转速度；535—转子硅钢片的热电容；540—转子铜条的热电容；545—转子

钢片到转子铜条的热阻抗；550—热源；555—补偿器；

图错误!文档中没有指定样式的文字。-133三节点热力学模型结构图

图错误是三节点热力学模型（500），用于

!文档中没有指定样式的文字。-133

估计交流感应电机端环（345）的温度。模型包括：(1)定子绕组温度结点（505）；

(2)转子硅钢片温度结点（510）；(3)转子铜条结点（515）。

定子绕组温度测量器（520）确定结点（505）的温度；转子硅钢片热电容

（535）确定结点（505）的温度；转子铜条热电容（540）确定结点（515）温

度。可变的气隙热阻抗（525）将结点（505）和结点（510）耦合在一起；热阻

抗（545）将结点（510）和结点（515）耦合在一起。

转子铜条的温度耗散可以由下面公式得来：

dis

其中是转子铜条的电阻；是转子的电流，在磁场定向控制中可以由

定子电流得来。

3.2.3 基于温度的电机转矩控制

H?i?r

disrotorrotor

（1）

rotor

stator

热估计器结构如图所示。

205—电机；210—电机控制器；215—转矩控制计算器；220—通用热估计器

图错误!文档中没有指定样式的文字。-134热估计器结构图

热估计器（220）响应三节点热力学模型（500），确定端环（345）的温度；

rCu

转矩控制计算器（215）中的功率、转矩和电流限制算法都以温度为驱动产

rCu

生转矩控制；电机控制器（210）结合转矩信号和其他信号，控制电机（205）

cmdcmd

相电流、输出功率和输出转矩，以避免轴承325）的温度过高。

3.3 电机低速和高速加权控制

电机可低速运行和高速运行，低速和高速是相对的概念，在低速和高速之

间有从低速向高速转换的过程，称为速度过渡阶段。电机的控制可以分为低速

控制、高速控制以及速度过渡阶段的加权控制。在速度过渡阶段的加权控制，

要综合低速控制和高速控制的优点。电机过渡速度阶段的判定

[62]

速度过渡阶段的长度和定位可以是预先设定的，也可以是随着使用情况而

改变的。一些情况下，过渡范围可以从500RPM到1500RPM，或者是从1000RPM

到2000RPM。过渡范围受诸多因数影响，如：电机类型和尺寸、车辆重量和车

身的空气动力学性能、其他驱动电机的布置、电机温度、电池温度、电池电压

水平以及其他因素。这些因素可以用来确定固定的过渡范围，也可以一直影响

过渡范围，动态调整过渡范围。

3.3.1 整个速度范围电机磁通估计

电机转矩的计算框图如图错误所示。

!文档中没有指定样式的文字。-135

202—低速模块；204—高速模块；206—加权模块；302—控制器；304—控制模块；306—电机

图错误!文档中没有指定样式的文字。-135电机转矩计算框图

电机控制电压基于转矩控制信号，而转矩控制信号来自于驾驶的实际操作。

为了准确获得电机（306）的转矩输出需要电机的磁通值。磁通值无法测量，只

能通过估计得来。低速模块（202）是基于电流的控制，利用测量的相电流和电

机速度来估计电机磁通；高速模块（204）是基于电压的控制，利用相电压来估

计电机磁通。

低速模块（202）和高速模块（204）各有优缺点。稳定性和准确度是影响

低速模块（202）和高速模块（204）使用的两个因素。低速模块（202）在高速

时不稳定，但是在低速时较稳定；高速模块（204）在低速时不准确，但是在高

速时准确。加权模块（206）结合低速模块（202）和高速模块（204）估计磁通，

可以增强控制电机的性能。

在低速时，加权模块（206）只采用低速模块（202）的磁通；在高速时，

加权模块（206）只采用高速模块（204）的磁通；在速度过渡阶段，加权模块

（206）综合考虑低速模块（202）的磁通和高速模块（204）的磁通，其权值可

以是线性变化的，也可以其他方式变化。

3.4 低温下电机发热控制模式

低温条件下，锂离子电池的性能会下降，例如低温下，电池因内阻增加，

很难进行充电。需要对电池组进行加热，以提高锂离子电池的性能；同样在低

温条件下，也需要对电动汽车的其他位置(如驾驶室)进行加热。

专利给出了电池预热的方法和系统，电池预热的方法包括：(1)、利用加

[10]

热器给电池预热；(2)、弱化或停止冷却系统；(3)、利用环境中的热量，比如充

电、周边环境、大气；(4)、利用主电机工作产生的热量。特斯拉又提出了一种

控制主电机处于低效模式下工作产生热能的方式，对电池或者其他车体部件

[63]

进行加热的方法，缓解低温条件下电池性能的衰退。

3.4.1 低温电机发热系统

专利中对电动汽车的设计和实现，并不是使得电机处在最佳效率模式下，

而是通过设计合适结构的方法，在低温下安全地使得电机发热，并将热量传递

给电池系统。

[62]

如图错误，(1)转矩控制器(215)产生转矩控

!文档中没有指定样式的文字。-136

制信号；(2)最佳效率模式(220)接收产生最佳效率磁通

cmd

eff

；(4)耗散模式

(230)由最佳效率模式(220)派生而来(设计中也可以分开)，产生耗散磁通

waste

，

使得电机发热；(5)模式控制器(235)选择最佳效率磁通

λλ

effwaste

和耗散磁通，产

生磁通信号和磁通信号

cmd

；(6)磁场定向电机控制器(210)结合转矩控制信号

cmd

为电机(205)每相输出合适的控制电压信号

V,V,V

abc

。

205—电机；210—磁场定向电机控制器；215—转矩控制器；

220—最佳效率模式；225—开关；230-耗散模式；235—模式控制器

图错误!文档中没有指定样式的文字。-136 耗散模式控制结构

3.4.2 低温电机供热多通道系统

电机供热通道系统如图错误所示。

!文档中没有指定样式的文字。-137

505—电机；510—驱动逆变器；515—阀门；520—阀门

525—动力电池；530—隔区；535—集液槽；540—隔区；545—泵；550—散热器

图错误!文档中没有指定样式的文字。-137电机供热通道系统

如图错误中的多通道，将热量从驱动部件

!文档中没有指定样式的文字。-137

取出，经冷却回路输入电池系统，这里的驱动部件除了电机还可以包括逆变器。

(1)耗散模式使得电机(505)和驱动逆变器(510)产生热量；(2)系统利用阀(515)

和阀(520)引导热的冷却液，从驱动部件出来进入动力电池(525)，然后进入集液

槽(535)中的隔区(530)；(3)从隔区(530)出来的冷却液，被阀(520)重新引导，进入

集液槽(535)的隔区(540)；(4)隔区(540)中冷的冷却液通过通道进入电机(505)和驱

动逆变器(510)参加循环。

在耗散模式下，阀(515)使得热的冷却液不经过散热器(550)。

3.5 总结

在电机方面控制，特斯拉提出了利用空间矢量加脉宽调制SVPWM的磁场

定向控制方法，对交流感应电机的电压超调进行反馈调节，具有一定的先进性。

关于转子温度组件估计，利用转子端环作为替代物估计转子轴承的温度，建立

转子端环到转子轴承之间的热力学模型，具有一定的新颖性。关于低速和高速

的磁场估计，结合低速模块估计磁通的稳定性和高速模块估计磁通的准确性，

对从低速到高速过渡范围的速度阶段进行综合磁场估计，在控制模式和思想上

具有一定的参考价值。(4)关于电机控制模式方面，将电机的控制分为最佳效率

模式和低效发热模式。在低温下，控制电机处于低效发热模式，将电机产生的

热能供给电池系统，以提升电池系统的性能。这种控制模式和思想具有一定的

新颖性，可作为后续实车开发的参考。

4 整车部分

4.1 驱动系统

驱动方式是电动汽车设计的核心之一，现阶段主流车型采用的是单电机驱

动的方式。从技术发展趋势上看，正在逐步向双电机、多电机方向发展。

特斯拉公司在该领域申请专利6项，通过筛选，对2项专利进行重点分析。

4.1.1 电动车辆双电机驱动控制系统

4.1.1.1 驱动系统结构

图错误所示为双电机驱动系统[64]的结构

!文档中没有指定样式的文字。-138

简图。图中的双电机驱动系统先通过动力耦合装置将两个电机（601、603）的

动力输出耦合在一起，然后将此耦合在一起的动力经过传动、差速装置（607）

传输到传动轴（605）上，进而驱动两个车轮（609、611）；而不是两个电机分别

直接驱动两个车轮。另一方面，此处的驱动系统所用的两个电机其输出特性不

同，功能互补，如701—电机601的扭矩曲线；703—电机603的扭矩曲线；705

—电机601及603的合成扭矩曲线；707—扭矩曲线703的拐点

图错误!文档中没

有指定样式的文字。-139

、801—电机601的功率曲线；803—电机603的功率曲线；

805—电机601及603的合成功率曲线，如

图错误!文档中没有指定样式的文字。-140

所示。其中一个电机其输出扭矩、功率特性与普通电动车辆上所用的电机相似

——在整个转速范围内，扭矩（703）先恒扭矩输出，而后逐渐减小；输出功率

（803）先逐渐增大，而后接近恒定。但另一个电机的输出特性却截然不同——

输出扭矩（701）在整个转速范围内保持恒定，输出功率（801）则逐渐增大。

这样选配电机的目的是，使一个电机为主驱动电机，而另一个恒扭矩输出的电

机为辅助电机，其可补偿主电机在车辆高速行驶时的扭矩损失，保持车辆的动

力性。

601、603—电机；605—传动轴；607—传动、差速装置；609、611—车轮；613—ESS/功率控制模块

图错误!文档中没有指定样式的文字。-138电动车辆双电机驱动系统

701—电机601的扭矩曲线；703—电机603的扭矩801—电机601的功率曲线；803—电机603的功

曲线；705—电机601及603的合成扭矩曲线；707—率曲线；805—电机601及603的合成功率曲线

扭矩曲线703的拐点

图错误!文档中没有指定样式的文字。-139字。-140电机功率曲线

电机扭矩曲线

图错误!文档中没有指定样式的文

对图错误所示的车辆结构进行扩充，添加

!文档中没有指定样式的文字。-138

逆变器（903、909）、电机控制模块（905、911）、扭矩控制模块（1301）及各种

传感器等，最终车辆结构如图错误所示。此结

!文档中没有指定样式的文字。-141

构为双能量存储系统（ESS）（1401、1403）配置，这种配置带来的好处有：有

利于重量分配；每个ESS所需容量较小；每个ESS可设计成不同尺寸；每个ESS

的充放电特性可不同。相应地，如果再配上一个双向DC/DC逆变器，则可带来

以下优点：电机（601）可从ESS（1403）获得能量；可使用不同类型的能量源，

如ESS（1401）使用锂离子电池包，而ESS（1403）使用超级电容模块；再生

制动充电时，可选择性地对ESS（901）或ESS（907）充电；可提供灵活的驱

动系统设计，如两个电机可具有不同的名义电压。

1301—扭矩控制器；1303~1306—车轮旋转传感器；1307、1311—电机温度传感器；1309、1313—电

机转速传感器；1321、1323—电机控制模块温度传感器；1325—制动传感器；1327—加速度传感器；

1329—转向传感器；1331—换挡传感器；1333—模式选择传感器；1335—车辆稳定性控制模块；903、

909—逆变器；905、911—电机控制模块；1401、1403—能量存储系统；1405、1406、1407及1409、

1410、1411—ESS温度、电压、电流传感器

图错误!文档中没有指定样式的文字。-141扭矩控制系统

4.1.1.2 驱动系统策略

关于驱动系统策略方面的介绍包括：扭矩控制器（1301）、扭矩分配算法及

牵引力控制单元等。

图错误为图错误

!文档中没有指定样式的文字。-142!文档中没有指定样式的文

字。-141

中扭矩控制器（1301）的原理图。扭矩限制单元（1503、1505）、车辆

扭矩命令生成单元（1501）、牵引力控制命令生成单元（1509）利用各种传感器

输入信号，产生两个电机的最大可用扭矩（C_maxtorque1及C_maxtorque2）、

总的电机扭矩需求（C_torque）、计算车速（C_vspeed）信息；经过最佳扭矩分

配单元（1507）处理后生成两个电机的优化分配扭矩（C_torque1e及

C_torque2e）、两个电机的磁通命令（C_flux1及C_flux2）；两个电机的优化分

配扭矩（C_torque1e及C_torque2e）以及两个电机的最大可用扭矩

（C_maxtorque1及C_maxtorque2）、计算滑转率误差（C_sliperror）、一些传

感器输入信息，经过牵引力控制器（1511）处理后生成两个电机的扭矩命令

（C_torque1及C_torque2）；两个电机的扭矩命令（C_torque1及C_torque2）

以及两个电机的磁通命令（C_flux1及C_flux2）、一些传感器输入信息，经过两

个电机控制模块（905、911）处理后，产生电机控制信息，从而实现对电机的控

制。

图错误为图错误

!文档中没有指定样式的文字。-143!文档中没有指定样式的文

字。-142

中牵引力控制单元（1511）的结构框图。牵引力控制单元的输入为两个

电机的优化分配扭矩（C_torque1e及C_torque2e）、总的电机扭矩需求

（C_torque）以及电机速度传感器信号，输出为两个电机的扭矩命令（C_torque1

及C_torque2）。牵引力控制单元包括三个部分：一阶牵引力控制部分、二阶牵

引力控制部分和电机及再生扭矩限制部分。其中，一阶牵引力控制部分利用一

个反馈控制系统（1801，如PID控制器）使计算滑转率误差（C_sliperror）最

小化。此部分还包含瞬变扭矩混合前馈和反馈控制回路，其可在车辆瞬变操作

时改变施加到驱动轴上的扭矩大小，并改变其中一个电机的效率优化扭矩请求，

这一功能利用一个前馈控制器（K1）和一个反馈控制器（K2）来实现。前馈控

制器(K1)的功能类似于一个低通单位增益滤波器，而反馈控制器(K2)的功能类似

于一个具有零低频增益的高通滤波器。二阶牵引力控制部分利用高通滤波器

(1803、1804)和补偿控制器(1805、1806, PID控制器)使得电机速度干扰最小化。

电机及再生扭矩限制部分的扭矩限制器根据两个电机的最大可用扭矩

（C_maxtorque1及C_maxtorque2）来限制扭矩命令（C_torque1及C_torque2），

扭矩命令（C_torque1、C_torque2）即为最终的输出。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-142扭矩控制器

图错误!文档中没有指定样式的文字。-143牵引力控制单元框图

4.1.2 全驱电动车辆控制系统

4.1.2.1 驱动系统结构

图错误所示为全驱系统结构简图。图中

!文档中没有指定样式的文字。-144

[65]

的电动车辆全驱系统利用两个电机（103、109）分别经过传动、差速装置（105、

111）将动力分别传输到传动轴(101、107)上，进而驱动四个车轮。由图错误

文档中没有指定样式的文字。-145!文档中没有指定样式的文字。-146

、图错误可知，

此处两个电机的特性与专利[错误!未定义书签。]相似，均为一个主驱动电机，一

个辅助电机。同样的，对图错误所示的车辆结

!文档中没有指定样式的文字。-144

构进行扩充后，最终得到如图错误所示的车辆

!文档中没有指定样式的文字。-147

结构。

101、107—传动轴；103—主电机；105、111—传动、差速装置；109—辅助电机；113—ESS/功率控

制模块

图错误!文档中没有指定样式的文字。-144电动车辆全驱系统

201—主电机103的扭矩曲线；203—辅助电机109301—主电机103的功率曲线；303—辅助电机109

的扭矩曲线；205—主电机103和辅助电机109的的功率曲线；305—主电机103和辅助电机109的

合成扭矩曲线；207—扭矩曲线201的拐点合成功率曲线

图错误!文档中没有指定样式的文字。-145图错误!文档中没有指定样式的文

电机扭矩曲线字。-146电机功率曲线

401—能量存储系统；403—主控制模块；405—第二控制模块；407—扭矩控制器；409~412—车轮旋转

传感器；413、417—电机温度传感器；415、419—电机转速传感器；421、423、425—ESS温度、电压、

电流传感器；427—主控制模块温度传感器；429—第二控制模块传感器；431—制动传感器；433—加速

度传感器；435—转向传感器；437—换挡传感器

图错误!文档中没有指定样式的文字。-147扭矩控制系统

4.1.2.2 驱动系统策略

图错误所示为图错误

!文档中没有指定样式的文字。-148!文档中没有指定样式

的文字。-147

中扭矩和牵引力控制器(407)的原理图，各部分功能与专利[错误!未

定义书签。]中图错误类似。图错误

!文档中没有指定样式的文字。-142!文档中没

有指定样式的文字。-149

所示为简单的最佳扭矩分配算法。首先执行步骤701，最

佳扭矩分配单元读取总的电机扭矩需求(C_torque)、计算车速(C_vspeed)、两个

电机的最大可用扭矩(C_maxtorque1及C_maxtorque2)；再执行步骤703，确定

主电机的临时扭矩(C_temtorque1)和辅助电机的临时扭矩(C_temtorque2)，以及

主电机和辅助电机的磁通命令(C_flux1及C_flux2)，这一步骤通过一个查询表中

的数据插值来实施；然后执行步骤705，分别将两个电机的临时扭矩

(C_temtorque1及C_temtorque2)与最大可用扭矩值(C_maxtorque1及

C_maxtorque2, 由主、辅扭矩限制单元算得)对比，如果临时扭矩值小于最大可

用扭矩，则临时扭矩值输出为C_torque1e、C_torque2e；如果临时扭矩值大于

最大可用扭矩，则最大可用扭矩值输出为C_torque1e、C_torque2e。主、辅电

机的磁通命令值也是步骤709的输出。

图错误为图错误

!文档中没有指定样式的文字。-150!文档中没有指定样式的文

字。-148

中牵引力和稳定性控制单元611的结构框图，与专利[错误!未定义书签。]

中的图错误相似，只是多了动态提升部分。其

!文档中没有指定样式的文字。-143

中，一阶牵引力控制部分利用一个反馈控制系统(901、902，如PID控制器)分别

使车轮滑转率误差(C_sliperror1、C_sliperror2)最小化。二阶牵引力控制部分利

用高通滤波器(903、904)、补偿器(905、906, PID控制器)使得电机速度干扰（电

机速度干扰可由车轮过度滑转时电机轴上负载的突然大幅减小或车轮突然被卡

住而使得电机轴上负载的突然大幅增大而引发）最小化。一阶部分和二阶部分

之间有一个瞬变扭矩提升前馈控制回路（即比专利[错误!未定义书签。]多的动态

提升部分），这可增加每个轴上的扭矩。扭矩的增加量与一阶牵引力控制部分之

后的驾驶员扭矩请求和总的电机扭矩需求(C_torque)的差值成比例，比例常数

K1、K2分别用于两个轴。电机及再生扭矩限制部分的扭矩限制器(907、908)根

据两个电机的最大可用扭矩(C_maxtorque1、C_maxtorque2)来限制扭矩命令

(C_torque1、C_torque2)，扭矩命令(C_torque1、C_torque2)即为最终的输出。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-148扭矩控制器

图错误!文档中没有指定样式的文字。-149最佳扭矩分配算法

图错误!文档中没有指定样式的文字。-150牵引力和稳定性控制单元框图

4.2 整车碰撞防护结构

动力电池是影响电动汽车安全性能的关键部件，在车辆发生碰撞时，可能

会造成电池短路、电解液泄露、燃烧爆炸等事故。因此，电池系统防护结构研

究具有重要意义和实用价值。

电池系统安装于电动汽车乘客舱地板下面，其所提供的防护结构用于增加

车辆结构的刚度，同时通过该结构吸收和分散冲击载荷，提供车辆的耐碰撞性

能。电池系统防护结构由电池组外壳、侧梁、横梁等部件组成，外壳顶部面板、

底部面板、侧梁和横梁组成的区域为整个结构提供了较高的强度和刚度，并通

过隔离电池模块之间的热事件，限制了可能导致电池组损坏的热失控的传播。

该结构的上部是一个隔离层，用来隔热、隔离噪声和阻尼振动，显著提高乘客

的舒适性。该结构底部安装有防冲击罩，用于保护电池组免受道路碎石的冲击

[65~67]

。

载客车辆必须具有较高的碰撞防护能力，在车辆发生碰撞时对乘客给予保

护。特斯拉介绍了几种碰撞防护装置，在发生碰撞时，碰撞防护装置产生变形

吸收和传递能量，对车辆和乘客起到保护作用。下面对电池系统防护结构及

[69]

碰撞防护装置进行详细的介绍。

4.2.1 电池系统防护结构

安装在电动汽车乘客舱地板下面的电池系统防护结构，如图错误

[66][67]

文档中没有指定样式的文字。-151

所示。该结构包含一

个电池组外壳、侧梁和不同尺寸的横梁。其中电池组外壳由顶部面板、底部面

板和多个侧部构件组成，它位于车辆前悬架和后悬架之间，和车体之间通过机

械联接。横梁将电池组分割成多个电池模块。电池系统防护结构的上部是一个

隔离层，用来隔热、隔离噪声和阻尼振动，显著提高乘客的舒适性。该结构底

部安装有防冲击罩，用于保护电池组免受道路碎石的冲击。

100-车辆；403-车辆地板；601A-601H-横梁 607-电池组前部

图 -151位于车辆地板

错误!文档中没有指定样式的文字。

下面的电池组剖面图

（1）

系统防护结构概述

图错误显

!文档中没有指定样式的文字。-152

示了去掉顶部构件的电池组（101），图中601 A- 601 H为横梁。横梁的数量基

于在电池组内的电池单体/电池模块的数量和电池组的期望结构特征而定。电池

组侧面构件（405）包括延伸区域（407）、电池组顶部面板（501）和电池组的

底部面板（605），其都由轻质金属制成，例如铝或铝合金，也可以使用其它材

料作为电池组组件的部分或全部材料，例如钢。底部面板（605）可以通过焊接、

铜焊、锡焊、粘接或以其他方式连接到侧部构件（405）上，使得面板（605）

和构件（405）有较好的密封性，并且足够牢固使底部面板（605）能支持包含

在电池组中的电池。顶部面板（501）通常用螺栓或类似的方式和构件（405）

相连，从而简化了电池的更换，并且允许电池互连、电池组组件、冷却系统部

件和其他的电池组的组件进行维修和(或)更换。

横梁（601 A- 601 ?）有几个好处。首先是与侧碰撞相关，横梁（601 A- 601

?）为电池组和电池组与车辆联接的机械结构提供强度和刚度。此外，横梁（601

A- 601 h）通过为电池单体之间提供热障，同时减少区域（603）之间的气流来

帮助分隔热事件。区域（603）是指横梁、侧构件（405）、顶部构件（501）和

底部部件（605）之间的区域。通过隔离在成组的电池单体之间的热事件，限制

了作为导致电池组损坏潜在因素的热失控的传播。

101-电池组；601A-601H-横梁；605-底部面板； 607-电池组前部

图 -152去除顶部面板

错误!文档中没有指定样式的文字。

后的电池组透视图

（1）

电池组上部隔离层及下部防护罩

图错误显

!文档中没有指定样式的文字。-153

示了四种实施例中电池组（101）的局部详细剖面图，可以看到电池组外壳上部

和下部的结构。上部隔离层（1201）插在电池组（101）和车辆地板（403）之

间，一个下部的防冲击罩（1203）位于电池组（101）下部表面和路面之间。每

个组件在下文都会单独讨论，因为它们可以单独使用或一起使用。

a)实施例一 b)实施例二

c) 实施例三 d) 实施例四

防冲击罩；1205-托脚

101-电池组；403-车辆地板；501-电池箱顶部面板；901-电池单体；1001-冷却管道；1201-隔离层；1203-

图 -153几种电池组局

错误!文档中没有指定样式的文字。

部剖视图

① 电池组上部隔离层

隔离层（1201）是一个多用途的层，可通过隔离噪声和阻尼振动显著提高

乘客的舒适性。隔离层（1201）还是电池组（101）和地板（403）之间的热障，

尽管大部分的电池组外壳包括电池组内的各个部件，有助于乘客舱隔离路面噪

声和其他外部噪声，但许多噪声通过电池组（101）穿过或者传播。除了提供完

善的隔离，层（1201）还提供减震。层（1201）还提供了热隔离，从而确保乘

客的舒适性，并在电池组发生热失控时确保乘客的安全。为了满足上面所述的

目标，特别是插入和阻尼损耗，层（1201）必须被压缩，最好是在30％的量级。

此外，通过压缩层（1201），实现了地板（401）与电池组结构之间的牢固的机

械连接，从而增加了电池组外壳的刚性来增强底板的刚性，为乘客舱提供了刚

性更大的地板。

在第一种实施例中，当电池组（101）安装到车底时，层（1201）由一个6

毫米的覆盖层被压缩到约4毫米。对于这个压缩量，该材料的压缩模量优选为

足够低，以允许层（1201）“流”入车辆的地板（403）和电池组顶部面板（501）

之间。

在第二种实施例中，层（1201）由两层（1301 / 1302）组成。层（1301），

优选位于靠近底板（403）的下侧，它由一个低模量、不易变形的泡沫制成。层

（1302），优选位于邻近电池组（101）的顶板，由陶瓷纤维片材构成。在一个

实施例中，层（1301）大约3毫米厚，由闭孔发泡聚氨酯片材构成，层（1302）

大约6毫米厚，由二氧化硅和氧化钙的纤维与粘合剂保持在一起。

在第三种实施例中，层（1201）是由一个可压缩陶瓷纤维片材，例如，一

种用粘合剂（例如一种有机粘合剂）将二氧化硅和氧化钙的纤维编织制成。适

合于制造层（1201）的材料包括二氧化硅/二氧化硅纤维、氧化铝、芳纶?（一

种芳族聚酰胺纤维的商品名）、Nomex?（一种芳族聚酰胺纤维的商品名）产品

和钙-镁-硅酸盐纤维。（第四种实施例中隔离层（1201）与第三种是一样的，底

部防冲击罩进行了优化）。

② 电池组底部防冲击罩

虽然电池组外壳（101）是为了保护包含在其中的电池，由于电池组（101）

位于车辆的地板下面，道路上的碎石可能会产生大的冲击力使电池组的下部表

面（603）产生凹痕或变形，并且会潜在损坏电池单体(901)和电池单体之间的互

联以及冷却导管等。因此，附加的防冲击罩(1203)被安装在下面，并且距离电池

组(101)有一段距离，从而对电池系统提供保护。

防冲击罩(1203)使用重量相对轻的材料，例如重量轻的金属（如铝、铝合金

等）或复合材料如碳纤维/环氧复合材料的制成。或者，层(1203)可以由玻璃纤维

或塑料（例如，聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等）构成。

防冲击罩(1203)可以直接安装到车辆(101)的下侧或经由托脚安装到电池组

(101)的下侧。不管防冲击罩(1203)的边缘是否被安装在车辆底盘或给电池组上，

最好是多个托脚使防冲击罩(1203)与电池组(101)的下部隔开。在图中第一种实施

例和第二种实施例显示的托脚(1205)代表托脚，增加了防冲击罩(1203)的刚性。

最好的托脚在横梁旁边，从而有助于防止在托脚位置发生碰撞引起电池组和它

包含的元部件产生变形，横梁的形状及尺寸请参照专利[68]。

在上述防冲击罩结构的修改实施例（第三种实施例）中，一种可压缩材料

层(1401)被插入到底(603)和电池组(101)和防冲击罩(1203)之间。尽管层(1401)可

以用于与托脚(1205)联接，层(1401)应作为托脚(1205)的替代者，如第三种实施例

所描述的那样。除了在车辆的正常运行时减小阻尼振动，当有物体碰撞防冲击

侧(1203)时，层(1401)也可以减小和分散碰撞的能量，从而从另一个层面保护电

池组(101)。优选层(1401)用容易变形的可压缩材料制成。可压缩材料的变形可以

是弹性的或非弹性的。在一个实例中，层(1401)由塑料制成，例如，使用注射成

型。在另一实例中层(1401)由泡沫体（例如，一种闭孔聚氨酯泡沫）制成。

第四种实施例为第三种实施例的改进方案。如图所示，层(1501)在电池组

(101)和防冲击罩(1203)之间，包括多个突起(1503)（例如，指状物或凸起物）与

两个表面(603)和防冲击罩(1203)相连，以及多个凹陷的(1505)只与两个表面中的

一个相连（例如，或者是如图所示的电池组底层(603)，或者是防冲击罩(1203)）。

层(1501)通常使用被称为“蛋箱形”的形状。

4.2.2 碰撞防护装置

车辆被钝物壁障撞击时产生变形，使得碰撞防护装置在碰撞时吸收能量，

阻止能量传递到车辆[69]。碰撞防护装置安装在车辆的支撑结构上，如本文所用

的术语“支撑结构”，可指在车辆上的一个电池托盘、车架或一体式车身。下面

详细介绍专利中所述的几种碰撞防护装置的设计实例。

（1）

实施例一

实施例一所描述的碰撞保护装置如图错误

!文档中没有指定

样式的文字。-154

所示，能量吸收轨108的内导轨(110)与电池支撑

盘(90)相连，外导轨(120)连接内导轨(110)。内导轨和外导轨都是多腔体结构。局

部吸能结构(130)的外轮廓(132)通常对应于能量吸收导轨(108)的其中一个腔的内

轮廓(124)。局部吸能结构(130)的外轮廓(132)允许局部吸能结构(130)和能量吸收

轨(108)之间紧密匹配。局部吸能结构(130)可以是多腔结构，例如，具有第一和

第二局部管腔(134a，134b)，当负载被施加到局部吸能结构(130)上时，具有第一

和第二局部管腔(134a，134b)的局部吸能结构(130)比没有第一和第二局部管腔

(134a，134b)的抗弯曲阻力要大。图错误

!文档中没有指定样式

的文字。-154

b）描述了能量吸收导轨(108)经历与钝物壁障(70)的碰撞

事件。如图所示，外轨(120)和钝物壁障接触。第一个外腔(124a)弯曲并且超过它

的临界载荷极限。另外，由于局部吸能结构(130)被定位在外轨(120)的第一外管

腔(124a)内，如果第一外腔(124a)变形，局部吸能结构(130)也变形。局部吸能结

构(130)的屈曲增加了沿着能量吸收导轨(108)接触区域的能量消耗，从而使能量

吸收导轨(108)和钝物壁障碰撞所产生的能量减少。局部吸能结构(130)中能量耗

散的增加可能会降低碰撞产生的能量，由于能量可能传递到电池支撑托盘(90)，

从而减小电池组（未显示）损坏的可能性。

a)实施例一侧视图

b)碰撞保护装置剖视图

70-钝物壁障；90-电池托盘；94-托盘底板；96-横向支撑件；100-碰撞保护结构；108-能量吸收轨；

110-内轨；120-外轨；124-腔体；125-隔板；128-缓冲区域；130-局部吸能结构； 134a，134b-腔

体

100

图 -154碰撞防护装

错误!文档中没有指定样式的文字。

置实施例一

（2）

实施例二

图错误描述了另一个包括多个局部吸能

!文档中没有指定样式的文字。-155

结构(230)的碰撞防护装置(100)的实施例。在本实施例中，局部吸能结构（230）

安装在车辆的电池支撑托盘(90)上。相邻的局部吸能结构(230)相互重叠，使得局

部吸能结构的顶部和底部彼此交织。局部吸能结构(230)相对于电池支撑托盘(90)

偏置，使得第一个局部吸能结构（230）的后部（236）垂直距离低于第二个局

部吸能结构（230）的前部（237），其中第一个局部吸能结构（230）被定位在

第二局部吸能结构（230）的前方。局部吸能结构（230）的这种定位可创建一

个“偏移嵌套”，通过增加局部吸能结构（230）来吸收钝物壁障（70）撞击时

所产生的碰撞能量，增加了对碰撞的保护。虽然局部吸能结构（230）彼此接触，

局部吸能结构（230）可以隔开彼此提供间隙摆脱碎片，例如水、雪、道路尘垢

等。局部吸能结构（230）可以是多腔结构，增加吸能结构的碰撞防护能力。

101

90-电池托盘；230-局部吸能结构；237-局部吸能结构前部；238-局部吸能结构后部

图错误!文档中没有指定样式的文字。-155碰撞防护装置实施例二

当车辆（60）的局部能量消耗结构（230）受到钝物壁障的碰撞载荷的制约

时，局部吸能结构（230）与钝物壁障接触变形。局部吸能结构（230）发生弹

性和（或）塑性变形时，施加于局部吸能结构（230）的负载超过了它的弯曲载

荷极限，使得局部吸能结构（230）由于受钝物屏障施加的压应力而弯曲。因为

局部吸能结构（230）被彼此独立地安装到电池支撑托盘（90）上，可能一个局

部吸能结构（230）弯曲，而相邻的局部吸能结构（230）没有弯曲。

（3）

实施例三

102

394-定位槽；430-局部吸能结构；432-430的外部轮廓；434a，434b,434c-腔体；442-互锁片；444-

互锁槽

图错误!文档中没有指定样式的文字。-156碰撞防护装置实施例三

图错误描述了另一个电池支撑盘（90）和

!文档中没有指定样式的文字。-156

局部吸能结构（430）的实例。如图错误 a)所示，

!文档中没有指定样式的文字。-156

电池支撑托盘（90）的端板（92）具有定位槽（394）。定位槽(394)沿电池支撑

托盘(90)的侧面延伸。如图错误 b)所示，局部

!文档中没有指定样式的文字。-156

吸能结构(430)的支撑板(440)远离其腔体结构。该局部吸能结构(430)的外部轮廓

(432)的形状使得局部吸能结构(430)可以彼此交织。当局部吸能结构(430)被安装

在电池上的支持托盘(90)位置，支撑板(440)插入到端板(92)的定位槽(394)里。通

过将支撑板(440)置于定位槽(394)中，局部吸能结构(430)的位置和方向可以相对

于电池支撑盘(90)和彼此保持连接。

如图错误 b)，局部吸能结构(430)可以包括

!文档中没有指定样式的文字。-156

互锁片(442)，其从局部吸能结构(430)的顶部或底部表面延伸，互锁槽(444)沿着

局部吸能结构(430)的底面或顶部表面延伸。当局部吸能结构(430)被装配在电池

支撑托盘(90)的适当位置上时，互锁片(442)定位在互锁槽(444)内，使得相邻的

局部吸能结构(430)联锁彼此。环环相扣的相邻局部吸能结构(430)可以协助耗散

能量。

（4）

实施例四

在本实施例中，碰撞防护结构(300)的多个细长锥体(310)连接到车辆的电池

支撑托盘(90)上，如图错误

!文档中没有指定样式的文

字。-157!文档中没有指定样式的文

a)所示。图错误

103

字。-157

b)显示碰撞防护装置300的细长锥体(310)具有截头棱锥形状，其

侧面(312)向外延伸到远端的接触面(318)。细长锥体(310)包括四个侧面(312)。细

长锥体(310)的安装凸缘（314）与安装支架（322）连接。安装凸缘（314）包括

多个定位基准面（316），以帮助细长锥体（310）对准固定到安装支架（322）

上。

碰撞防护装置（300）还可以包括多个支撑板（320）与相邻的细长锥体（310）

连接。支撑板（320）通过远端表面（318）和相邻细长锥体（310）相接触将碰

撞产生的载荷分配到远离碰撞点的位置，从而将载荷分散，加强碰撞防护装置

（300）的性能。支撑板（320）可通过机械紧固件、结构胶粘剂、结构点焊、

或它们的组合连接到细长锥体（310）的连接点(323)。细长锥体(310)的内部空间

可以是中空的，也可以填充吸能材料。

104

300-碰撞防护结构；310-细长锥体；312-侧面；314-安装凸缘；318-远端接触面；320-支撑板；

322-安装支架

图 -157碰撞防护结构

错误!文档中没有指定样式的文字。

实施例四

4.2.3 与国内专利比较

国内有关电池系统防护结构方面的专利并不是太多，本文主要针对北汽集

团持有的相关专利进行比较分析。

为了在发生碰撞事件时保护电池系统，设计了一种动力电池箱结构，它

[70]

包括托盘底板(1)、车身纵梁(2)、安装螺栓(3)、撑杆(4)。托盘底板(1)与车身纵梁

(2)通过安装螺栓(3)连接，托盘底板设有至少三个全向滚轮，安装螺栓包括安装

螺栓六角头、安装螺栓齿轮段、安装螺栓螺纹段，所述撑杆包括撑杆齿条段和

撑杆前端。当电动车辆发生剧烈碰撞时，通过螺栓与撑杆的有效配合，可以使

电池箱自由脱落，从而有效降低碰撞过程中对动力电池的损害。如图错误

文档中没有指定样式的文字。-158

的结构比较简单，利于实现和生产。

所示。该专利所设计

105

1-托盘底板；2-车身纵梁；3-安装螺栓；4-撑杆

图 -158一种动力电池

错误!文档中没有指定样式的文字。

箱结构

一种碰撞防护装置，包括：由第一材料制成的碰撞装置本体(1)，其呈圆

[71]

柱状，包括第一部分(11)和第二部分(12)，其中第二部分(12)的直径小于第一部分

(11)的直径，第二部分套设有由第二材料制成的溃缩部(2)，其在受到碰撞力时会

破碎。该装置在低烈度撞击时整体结构具有一定刚性，在高烈度撞击时有足够

的溃缩量，起到缓冲作用，保护车辆及乘员。该装置结构简单、易于实现，可

以整合到车身结构中。

2-溃缩部；3-碰撞部；11-第一部分；12-第二部分；14-倾斜面；31-第二倾斜面

图错误!文档中没有指定样式的文字。-159一种碰撞防护装置

4.3 总结

本部分解析的2项驱动系统相关专利均使用两个电机，其中，辅助电机在

106

其工作范围内恒扭矩输出，这种辅助电机的使用以及主、辅电机配合工作的原

理具有一定的新颖性。

而与电池系统防护结构相关的专利，（1）安装于电动汽车乘客舱地板下面

的电池系统，其所提供的防护结构用于增加车辆结构的刚度，同时通过该结构

吸收和分散冲击载荷，提供车辆的耐碰撞性能。该结构上部的隔离层，用来隔

热、隔离噪声和阻尼振动，显著提高乘客的舒适性。该结构底部安装的防冲击

罩，用于保护电池组免受道路碎石的冲击。（2）为提高车辆结构的碰撞防护能

力而安装的碰撞防护装置，在发生碰撞时，产生变形吸收和传递能量，对车辆

和乘客起到保护作用。北汽集团的针对碰撞事件中电池系统的防护，提供了一

种防护结构，当车辆受到可以使电池箱自由脱落，从而有效降低碰撞过程中对

5 界面控制系统

近些年来，电子系统在汽车上得到了普遍应用，其控制方式也越来越复杂，

传统按钮式控制方式已难以满足实际需求。随着电子技术的提升，车上运用的

电子系统逐渐增加，传统控制界面的布置越来越复杂。传统控制界面比较杂乱，

一方面不利于系统的扩展和维护，另一方面不利于驾驶员对系统的操作。

[72]

特斯拉采用触摸屏控制系统对车辆各个子系统进行控制，或者显示各个子

系统监测到的车辆状态信息。特斯拉在界面控制系统方面共有7项专利，主要

包含以下几个方面，本文也分别从以下几个方面对特斯拉的界面控制系统进行

介绍：1、模块化界面设计；2、个性化界面设计；3、控制界面自适应；4、

[72]

靠近唤醒技术；5、反馈声音自适应；6、显示屏安装位置。

5.1 界面控制系统介绍

5.1.1 控制系统模块化

在传统的汽车“用户控制界面”上，音响系统和空调系统有时甚至出现在

同一个界面中，界面设计比较混乱，不利于系统的维护和扩展，也给驾驶员对

汽车的操作造成了困难。特斯拉针对汽车上各个子系统开发独立的控制模块，

最后集成到一个大的控制系统中。这种模块化开发方法使系统的扩展更加轻松，

软件的维护更加简便，也为界面的个性化配置提供了技术支持。特斯拉界面

[72]

控制系统总体结构如图错误所示。

!文档中没有指定样式的文字。-160

108

图错误!文档中没有指定样式的文字。-160系统总体结构图

图错误中：

!文档中没有指定样式的文字。-160

显示屏——触摸式显示屏；

GPU——图像处理控制芯片；

CPU——运算控制芯片；

存储器——存储系统的设置参数和系统工作过程中产生的数据；

通讯线——与系统建立连接，对系统软件进行升级等；

接近监测系统——当检测到用户接近时，无需触摸显示屏即可将显示屏唤

醒，便于用户对显示屏进行操作；

环境光线监测系统——检测环境光线，并根据环境亮度调整显示屏的亮度；

右侧子系统——本系统的控制对象，或者为界面控制系统提供车辆状态参

数。

5.1.2 控制界面个性化

用户可通过参数对界面进行个性化设置，可设置的参数包括以下几部分：

分割区域数；每个区域的大小；每个区域显示的子系统界面；子界面的显示风

格；各个区域的亮度。其中各个区域的大小既可通过参数进行设置，也可通过

点击区域边界拖拽（touch- and- trag）的方式设置。

[73]

同时用户还可以对子界面本身进行操作，可以增减子界面上的内容。增减

109

子界面上的按钮和需要显示的参数。同时可以通过电脑对界面显示内容进行配

置，最后将配置好的界面下载至中央处理器中。个性化配置界面如图错误

!文档

中没有指定样式的文字。-161!文档中没有指定样式的文字。-162

、图错误所示。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-161图错误!文档中没有指定样式的文字。-162

常用的界面用户自定义的界面

图错误!文档中没有指定样式的文字。-161

中：

101——按钮栏或状态栏，用户可自定义各个按钮的功能，也可显示车辆状

态；

102——导航子系统；

103——娱乐控制系统；

104——空调控制系统；

107、109——区域的边界，点击拖动边界可以调整各个区域的大小。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-162

中：

501——web浏览器子界面；

503——导航子系统。

界面的亮度可根据周围环境的亮度改变。同时当该显示屏“待机”一定时

间，且这段时间内没有检测到用户对其操作时，显示屏可进入休眠状态。“待机”

时间可以通过系统进行设置。

同时用户可以对汽车工作状态参数进行个性化的设置。比如声音自适应反

110

馈系统的反馈方式、默认车内温度、音响音量等。

5.1.3 控制界面自适应化

汽车的各个子系统将其检测到的车辆状态信号传递至主控制器，主控制器

对各路信号进行分析，当发现汽车运行状态变差时，将该子系统的控制界面或

者控制按钮显示到显示屏上，并把需要调节的按钮放大，便于驾驶员对其进行

操作。或者将界面上第一排的按钮定义成需要调节的按钮。用户还可以通过设

置参数，使控制系统发现某个子系统的工作状态变差到某个临界状态时，自动

对其进行调节。

[74][75]

控制系统界面或按钮自适应化流程见

图错误!文档中没有指定样式的文

字。-163

。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-163界面自适应流程图

（1）汽车上电，系统开始运行。（2）界面控制系统开始检测各个子系统的

工作状态是否正常。（3）检测界面与主控制器之间的通讯是否正常，确定界面

受主控系统的控制。（4）按照界面配置文件显示界面。（5）周期性检测汽车运

111

行状态，并判断其中各个参数是否在理想范围内。（6）如果参数在理想范围内，

显示界面不变，进入下一个周期的检测，如果有参数超出理想范围。（7）控制

系统对车辆运行的整体状态进行综合评定分级。（8）根据车辆子系统的运行状

态，结合预定义的车辆状态分级分档对子系统工作状态进行分级。（9）按照分

级结果重新配置界面显示参数，然后返回到第4步，让界面按照显示参数刷新

界面。按照车辆子系统恶化的等级将需要调整子系统的控制按钮放大、或者将

相应的控制系统按钮放置到显眼位置。

车辆整体信息的分级过程通过查表的方式完成。例如，车速为0-15mph，

车辆警惕等级为0；车速为15-30mph，车辆警惕等级为1；车速为30-60mph，

车辆警惕等级为2，车速为60-80mph，车辆警惕等级为3；车速大于80mph，

车辆警惕等级为4。等级越高车辆状态越差（可能出错的几率变大）。主控制器

通过一个算法将各个传感器的信号综合起来，计算车辆工作状态的综合等级。

例如，积淀物传感器发现玻璃上有少量沉淀物，警惕等级为1，如果车速为

15-30mph时，车辆状态警惕等级为1，车辆拐弯半径小于50英尺，警惕等级为

1。如果三种情况同时发生，则车辆状态的警惕等级为3。子系统等级的确定也

是通过查找预定义的表格后通过一个算法确定。

系统可根据按钮外延的大小表示状态恶化的程度。如

图错误!文档中没有指定

样式的文字。-164

所示，表示状态正在恶化。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-164情况正在恶化时的按钮

随着检测值与理想状态的差别扩大，按钮周围阴影面积也会变大，从而引

起驾驶员的注意，也便于驾驶员对车辆状态进行调整。状态变差后，控制按钮

如图错误所示。

!文档中没有指定样式的文字。-165

112

图错误!文档中没有指定样式的文字。-165情况变恶化后的按钮

当检测到车辆状态变坏或者触发某种状态时，界面还可以将控制按钮显示

至界面上方。比如当车辆行驶至家附近时，导航系统的某些功能被触发，图形

界面如所示。

图错误!文档中没有指定样式的文字。-166

按钮自适应界面

图错误中：

!文档中没有指定样式的文字。-166

1901——车库1门锁控制按钮；

1902——车库3门锁控制按钮；

113

1903——家里灯开关控制按钮。

5.1.4 听觉反馈控制系统

当用户对界面进行操作时，显示屏给出一定的反馈，向用户表明系统接收

到操作信号。操作系统对界面的反馈声音通常有两种形式，滴答或者一个音调。

系统对反馈信号的控制分两种方式，第一种方式通过车速来控制。停车或

者车速较低时，系统不提供反馈信号，或者提供微弱的反馈信号。当车速超过

某一预定车速时，反馈信号随着车速的上升而逐渐增长，其控制方式如

图错误!

文档中没有指定样式的文字。-167

所示。“预定车速”及各阶段反馈信号的大小均

可通过界面进行设置。第二种方式是通过轮速信号判断汽车是否在运动，如果

车在运动，然后根据车内的噪声传感器确定反馈信号的大小，确保反馈信号比

噪声大。其控制方式见。

[76]

图错误!文档中没有指定样式的文字。-168

图错误!文档中没有指定样式的文字。-167图错误!文档中没有指定样式的文字。-168

车速控制反馈信号流程图车内噪声传感器

5.1.5 接近激活系统

当显示屏一定时间内没有被使用，而且没有检测到用户时，显示屏会进入

休眠模式。当显示屏检测到用户靠近时，自动从休眠模式进入正常工作模式，

[77]

其构造如其中显示屏等待时间可通过系统进行设置。

图错误!文档中没有指定样

式的文字。-169

所示。

114

图错误!文档中没有指定样式的文字。-169接近监测系统

图错误!文档中没有指定样式的文字。-169

中：

100——显示屏；

701——接近传感器。

5.1.6 触摸屏在车内的安装位置

触摸屏在车内的位置如图错误至图错误

!文档中没有指定样式的文字。-170!

文档中没有指定样式的文字。-175

所示。

[78]

图错误!文档中没有指定样式的文字。-171 图错误!文档中没有指定样式的文字。-170

显示屏车内安装左侧透视图显示屏车内安装右侧透视图

图错误!文档中没有指定样式的文字。-173图错误!文档中没有指定样式的文字。-172

显示屏车内安装左侧平视图显示屏车内安装右侧平视图

115

图错误!文档中没有指定样式的文字。-175图错误!文档中没有指定样式的文字。-174

显示屏车内安装俯视图显示屏车内安装正视图

5.2 总结

该系统，一方面吸收了现有智能终端界面友好、易于操作、程序模块化的

优点；另一方面将这种智能控制、显示技术与汽车控制系统进行了完美的结合。

通过对传感器检测到的数据进行分析，引导驾驶员对汽车进行控制，或者设定

门限进行自动控制。简化了驾驶员的工作，使控制系统更加人性化、自动化。

这一进步，与其技术人员来源（美国）及其所处的地理开发环境有一定的关系。

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