求教：关于DOE在电动汽车电池系统中的应用

望岳

目前网上有这样一篇文章《Tesla的新纪元：数据分析+创新研发》，里边讲到：
    “TESLA经过反复对比和研究，最终采用了来自JMP的高级DOE平台及数据分析套件。通过JMP提供的高级实验设计、数据分析套件及数据挖掘方法，Tesla成功解决了电池温度与快速充电问题，并且成功实现对每个单个电池的温度与工作环境监控，成功解决了电动车界几大难题：1、高效能充电；2、高效能放电；3、电池工作安全且可靠；4、电池容量的突破”。
    因为我以前做的DOE大部分是参数优化、多因子分析等，模型比较简单，所以对TESLA所做的电池系统DOE模型没有思路，只是大概感觉他们采用的可能是针对连接方式、排布结构的多因子、多响应的定制设计，但是我以前做的都是关于配方、工艺条件等DOE，对于做结构方面的DOE，思维就比较受限制。
大家有这方面经验吗？希望能够提供一些这方面的相关案例或是分析思路。
Tesla文章的网址http://www.vsharing.com/k/BI/2014-3/695665_3.html

参考：“第二件事情就是电压控制和温度控制。电池越小，可以测量的分辨率就越高，控制就越容易精确。当然这个时候有人自然会问：7000个电池太多太复杂了吧?怎么控制呢?但是在网络控制领域，一个简单程序就能通过router控制上万台甚至几百万台服务器，而Marc更是这个领域的技术专家并且成功的卖过一个公司。因此，在底特律传统车商不熟悉的领域，Tesla的团队抓住了电池问题的关键，利用自己的聪明才智解决了这个问题。我第一次见到Marc的时候就急不可耐的问：大哥，您那些串并联的数字，69并联99串联11并联是怎么得来的啊?Marc大叔摸了摸自己在海滩上游泳时被太阳晒得通红的光头，淡淡的道：DOE (design of experiment)。我一口鲜血差点就喷了出来。搞工程的人对这个概念应该都很熟悉，就是穷举所有的可能数字排列组合，然后选取其中一部分组合进行仿真和实测，比较输出的结果。6831个电池，无穷无尽的DOE，他们做了一年的时间。”

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帮顶。DOE在高科技领域的创新工程中越来越重要了。更加有动力努力专研DOE!

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帮转个文章：

今年5月Tesla刚刚宣布了一项升级，将这个时间缩短到20分钟。而去年9月Tesla一度宣布专为Model S和未来电动车型设计“超级充电站”网络，据称“能够在30分钟内将电池充满一半”。

Tesla能实现如此短的充电时间，靠的是充电站可以提供120千瓦超高功率，以及Tesla高出一般电动车电池储能三倍的电池组及特殊的电池管理系统。

作为电动车的核心部件之一，Tesla的电池曾经被嘲笑、被诟病，甚至在实现销售爆发式增长之后，仍有很多业界专家称其“电池技术老旧”、“无核心竞争力”。原因在于Tesla是唯一一家采用18650型钴酸锂离子电池的公司，这种电池一直用于笔记本电脑中，难登电动汽车之“大雅之堂”，并且存在安全隐患。

为什么是钴酸锂电池？

作为动力输出的后盾，电池对电动车的作用不言而喻。因为本身性能较稳定、安全系数较高且可循环充电次数多，磷酸铁锂电池是目前市场上动力电池的首选，如雪佛兰Volt、日产Leaf、比亚迪E6和Fisker Karma。

Tesla则有些另类，他旗下首款车型Roadster使用的是18650钴酸锂电池。与磷酸铁锂电池相比，这种电池虽然技术较为成熟，功率高、能量密度大,且一致性较高，但安全系数较低，热特性和电特性较差，成本也相对较高。

据业内人士介绍，18650电池外电压但凡低于2.7V或高于3.3V，都会出现过热的症状。如果电池组较大且组内温度梯度控制得不好，就会存在很大的起火风险。而电池技术的关键恰恰就是电压电流和热量控制，难怪Tesla被批评为电池技术不靠谱。

但实际上，被认为更安全可靠的磷酸铁锂电池也并非万无一失。在制备的烧结过程中，氧化铁在高温环境下存在被还原成单质铁的可能性，单质铁会引起电池的微短路，这是电池中很忌讳的物质。此外，磷酸铁锂电池在实际生产中充放电曲线差异大，一致性较差且能量密度较低，这直接影响到电动车敏感的续航问题。数据显示，钴酸锂的理论密度为5.1g/cm3，商品钴酸锂的振实密度一般为2.0-2.4g/cm3；而磷酸铁锂的理论密度仅为3.6g/cm3。海通国际证券公司最新的研报表明：特斯拉电池能量密度（170wh/kg）大约是比亚迪电动车磷酸铁锂电池能量密度的两倍。

电池组成本四年下降44%

早在上世纪70年代，英国宾汉顿大学的Whittingham女士就发明了18650电池，这种电池常应用于笔记本电脑、强光手电等数码产品上，但是，将这种直径18mm、高65mm的圆柱形锂电池用在汽车上，Tesla是第一个吃螃蟹的人。

Tesla的电池技术总监Kurt Kelty曾经表示：Tesla起初也尝试了市面上超过300种电池，包括板形和方形电池，最终选择了松下的18650电池，原因主要有以下四点：

·能量密度更大且稳定性、一致性更好；

·可以有效降低电池系统的成本；

·全球每年生产数十亿个18650电池，安全级别不断提高；

·尺寸小但可控性高，即使电池组的某个单元发生故障，也能降低故障带来的影响。

松下官网显示，型号为NCR18650的锂电池是一款高能量模型（HighCapacity）电池，该电池的名义伏特数为3.6V，名义最小容量为2750毫安时，重量为45.5克。并且，在Tesla第二代车型Model S上使用的18650比之前Roadster的能量密度高出三成。

据Tesla首席技术官JB Straubel表述：从Roadster到Model S“转型”的四年时间，电池组成本已经下降了约44%，并且仍然会继续下降。松下曾在2010年向Tesla投资3000万美元，成为其股东之一。并且于2011年达成战略协议，将负责Tesla今后5年全部车辆的电池供应。按照Tesla目前预计每年2万辆的产量，松下18650将装配在超过8万台Model S上。

6831节锂电池的争议重组

18650存在安全风险是不争的事实，Tesla如何“搞定”这一硬伤？秘密武器在于其电池管理系统，给出的解决方案是将6831节2安时左右的松下18650封装电池通过串联和并联结合在一起。

要驱动一辆电动车，需要大量的18650电池，Tesla Roadster的电池系统包含6831节小电池，而Tesla Model S更是高达8000节，如何排列组装这些数量众多的小电池尤为重要。

这时候，Tesla创始人之一Marc Tarpenning以往的经验派上了用场。他曾是这个领域的专家并成功出售过一家公司。他把网络控制领域用程序控制成百上万台服务器的模式搬到了Tesla电池系统控制领域，通过一年的DOE(design of experiment，实验设计)，用分层次管理的办法成功控制了这6831节小电池以及电压和温度：

·69个18650电池被并联封装成一个电池砖；

·99个电池砖串联成一个电池片；

·11个电池片组成一个电池包，总计6831节。

仅仅有这些层次还不够，对于每一个层次都要进行监控，于是他们在每个电池单元、每个电池砖、每个电池片的两端均设置有保险丝，一旦电池过热或者电流过大则立刻融断，断开输出。

仅仅有保险丝还是不够，于是：

·在每个电池片上，均设置有BMB (Battery Monitor board)即电池监控板，用以监控每个电池砖的电压，温度以及整个电池片的输出电压。

·在整个电池包上，设置有BSM（Battery System Monitor),用以监控整个电池包的工作环境。包括电池包的电流、电压、温度、湿度、方位、烟雾等。

·在整车层面，设置有VSM (Vehicle SystemMonitor),用以监控BSM。

这样一套电池控制系统成为Tesla的技术核心,当Tesla刚刚公布这套造价高昂的系统时（传言高于20000美金），很多业内人士不约而同地对其唱衰，认为将7000个电池放在汽车里的行为是可笑的。但事实却给予他们有力的回应，雪佛兰Volt起火、Fisker Karma车型更是一年内发生三次自燃事件，而反观Tesla，不论是Roadster还是Tesla Model S都从未发生过起火自燃事件。

等待检验的NCA

Tesla已经和丰田、戴姆勒等厂商在电动车领域进行合作，包括为smart、奔驰A级、奔驰B级等车型电动版提供电池动力，给丰田RAV4电动车提供电池组和电机等。目前戴姆勒持有Tesla 4.3%的股份，丰田也持有Tesla 2.9%的股份。但是由于Tesla正式投入市场的产品时间不长且数量不多，理论上完美的Tesla电池系统还需继续面临实践检验。

Tesla旗下首款车型Roadster使用的是18650钴酸锂电池，而第二款量产车型Model S使用的是松下定制的三元材料电池，即镍钴铝三元正极材料的锂电池，业界俗称NCA。

钴酸锂电池技术最为成熟，较镍钴锰三元正极材料的锂电池（NMC）或镍钴铝三元正极材料的锂电池（NCA）单位能量密度较高，但是成本也较高。Model S使用的电池数量达到8000以上，比Roadster高出一千多节，但是成本却下降了三成，正是得益于三元电池较好的成本控制。

钴酸锂的电热峰值在200℃左右，相对磷酸铁锂要低。并且钴酸锂电池也确实没有磷酸铁锂电池2000次左右的循环次数高。但是受制于技术的瓶颈，磷酸铁锂电池虽然更稳定、循环次数更高，但一致性和单位能量密度较低，和钴酸锂电池二者各有优势。

小颖

有关DOE的问题，建议去周老师和Frank Yang的问答转帖里面提问，他们都是这方面的专家。
William Zhou：http://www.jmpforum.net/forum.ph ... &extra=page%3D2
Frank Yang：http://www.jmpforum.net/forum.ph ... &extra=page%3D1