Tesla Model S电池组设计全面解析

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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,牵动Tesla股价起起落落的核心元素就是它的电池技术,这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?在之前的一篇文章中我跟大家简单讨论了一下这个问题,但只是停留在表面。读者现在都了解的是: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,我们找到了Tesla的一份电池技术专利,借此来透彻地了解下Model S电池的结构设计和技术特征。

电池的布局与形体

FIG3

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2.7m,宽1.5m,厚度为0.1m至0.18m。其中0.18m较厚的部分是由于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。

FIG4

电池内部结构

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(例如玻璃纤维)。

FIG6

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。

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上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FIG.10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。

电池保护机制

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组之下,位于Mode S底盘最底部的一层金属保护层——防弹保护盾。在下图中这个部分是1203。在研究1203之前,我们先来了解下电池组本身有哪些保护措施。

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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然后是为了进一步保护电池组而加装的防弹保护盾,即1203。Tesla并未明确指明其材质,只是说明可以由铝、铝合金或者碳纤维材料制成,甚至还可以是由玻璃纤维或塑料。这个防弹保护盾作为车辆的最底层面板,是保护电池组不受路面障碍物撞击的第一道防线,也是最为坚固的面板。为了更好地发挥防弹保护盾的效果,在电池组的底板603与保护盾1203之间,Tesla特别设计了一个隔离区域。对于这个隔离区域,在电池专利中有两种设计:一是留空,并在每个电池隔离板(601A-601H)对应的平面内加装一条加固板(1209)。隔离区域的高度根据具体应用情形为10mm-50mm之间。

这个加固板(1209)与隔离板(601)是处于一个平面的,这样设计主要是考虑到如果保护盾受到过大的外力撞击,原本为了抵抗撞击而设计的加固板不会因受力过大而损害到电池组底板(603)。第二种设计即是FIG.14与15展示的,在隔离区域填充“缓冲”物质,这可以是具有弹性的材质,也可以是不具有弹性的材质。Tesla举例的材质包括塑料泡沫、填充剂等。注意图FIG.15,这种在填充物与保护盾1203之间留有空隙的设计,叫做“装蛋箱”造型。个人猜测这种设计是在填充不具有弹性的材质时使用的。

以上便是Model S电池组的结构设计解析,参考的材料是US 8286743 B2号专利。需要提醒读者的是,该专利说明提交于2011年12月5日,当时Model S车型还未大规模量产,因此该专利中描述的电池组技术与现款的Model S车型会有些许的不同。随着时间的推移,Model S电池组的制造工艺与电源管理技术在不断提升,因此本文描述的电池技术并非一定是现款Model S采用的,但基本一致。

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