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庖丁:从专利看Tesla电动车电池组设计

对Tesla来说最近可谓是祸不单行:连续发生了3起起火事故,市值狂跌40亿,刚刚又有3名工人受伤送医。Elon Musk就一直忙着到处“灭火”,时而还跟公开表示对Tesla“不感冒”的乔治·克鲁尼隔空喊话。在经历了首次盈利、电池更换技术、穿越美国、水陆两栖车等头条新闻后,Elon Musk最近总以各种负面消息重返头条。这位“钢铁侠”CEO在2013年真是遭遇各种大起大落。

其中最为人关注的莫过于Model S的起火事故,而在起火事故中最核心的问题就是电池技术。可以说,这是牵动Tesla股价起起落落的“元凶”,也是投资者最关心的问题。在美国发生的两起起火事故有着相似的情节:Model S撞击到金属物体后,导致电池起火,但火势都被很好地控制在车头部分。在墨西哥的事故中,主要的燃烧体也是电池。而且在3起事故中,如何把着火的电池扑灭对消防员来说都是个难题。

这让很多人产生一个疑问:Model S的电池就这么不禁撞吗?Model S的电池位于车辆底部,采用的是松下提供的18650钴酸锂电池,整个电池组包含约8000块电池单元;钴酸锂电池能量密度大,但稳定性较差,为此Tesla研发了3级电源管理体系来确保电池组正常运作。现在,让我们借助Tesla的电池技术专利,来透彻地了解下Model S电池的结构设计和技术特征。

布局与形体

Tesla电动车电池组设计

如专利图所示,Model S的电池组位于车辆的底盘,与轮距同宽,长度略短于轴距。电池组的实际物理尺寸是:长2.7米,宽1.5米,厚度为10-18厘米,其中较厚的18厘米部分是由于2个电池模块叠加造成的。这个物理尺寸指的是电池组整体的大小,包括上下、左右、前后的包裹面板。

这个电池组的结构是一个通用设计,除了18650电池外,其他符合条件的电池也可以安装。此外,电池组采用密封设计,与空气隔绝,大部分用料为铝或铝合金。可以说,电池不仅是一个能源中心,同时也是Model S底盘的一部分,其坚固的外壳能对车辆起到很好的支撑作用。

由于与轮距等宽,电池组的两侧分别与车辆两侧的车门槛板对接,用螺丝固定。电池组的横断面低于车门槛板。从正面看,相当于车门槛板“挂着”电池组。其连接部分如下图所示。

Tesla电动车电池组设计

内部结构

Model S电池组在内部被划分为7个区域(605),每个区域安装两个电池模块(701),每个模块内置370块电池单元。在电池组头部还有一个突出部分(607),其厚度也较高,这就是上文提到的0.18m的部分,安装了两个电池模块,堆叠排放。这样计算下来一共有5920块电池单元。同时这7个区域(包括突出部分一共是8个空间)相互之间是完全隔绝的,这样的设计有两个优点:

一是增加了电池组整体的牢固程度,使整个底盘结构更加坚挺;

二是便于电源管理,避免某个区域的电池起火时引燃其他区域的电池(如果没有隔离整块电池组燃烧起来不堪设想)。此外,隔离板(601A-601H)内部可以被填充高熔点、低热导的材料,如玻璃纤维等。

Tesla电动车电池组设计

当然,还有另外一种填充物,那就是水,其较高的比热容可以帮助降温,吸收热能。据Tesla专利说明介绍,隔离板内部的水可以是静态的也可以是流动的,可以直接存储在隔离板内部管腔,也可以被装到特定的水袋中。如果是流动状态,可以与电池组的冷却系统连接在一起,也可以自建循环系统。

在8根隔离板中,601D与601E两个隔离板与其他几根相比要更加粗壮一些。这样的设计是为了进一步增加电池组的坚固程度,使其能够更好地承受来自车辆侧面的撞击。

Tesla电动车电池组设计

 

Tesla电动车电池组设计

上面两张图是电池模块的内部结构,从中可以看出18650电池的排列方式。有的电池正极朝上,有的电池负极朝上,每个电池模块中正极朝上与负极朝上的数量应该是各为185块。特别注意带有1001的这张图,该图展示的是拿走电池后整个电池槽的结构。那一排排呈S型的隔离板是电池冷却系统,其与电池组的热管理系统相连接。可见,电池组内部被划分为7个区域,在每个电池模块的内部,也被划分为了7个区域。

保护机制

这或许是研究Model S起火事故最关键的部分了。上面我们了解了电池组的内部结构,下面我们要看的是电池的一些保护措施。

Tesla电动车电池组设计

在电池组的顶部有一层面板,即1201。这层面板既可以是单层,也可以是多层,它实现的功能有很多:降低噪音、降低热传导、降低来自底盘的震动。

降噪方面,1201最高能降低20分贝1000Hz以上噪音;减震方面,1201能最高能降低40%的传递自路面的震动;隔热方面,1201能的热传导性最低能低至0.1W/m-K,最高能持续性承受750摄氏度的高温,能承受1000摄氏度约10秒,能承受1400摄氏度的高温约1秒。为了实现上述降噪、隔热以及减震水平,Tesla的研究人员发现需要对1201进行30%左右的压缩才可以。在材质方面,1201可选的材料包括陶瓷纤维、石英纤维、氧化铝、硅酸钙镁等。

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