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解剖特斯拉动力电池技术

作者/来源:盖世汽车
2021-07-08 14:04:20

电池作为电动汽车的核心部件之一,如何做到续航里程更长、百公里电耗更低、电池衰减更慢、电池包能量密度更高一直是整个新能源汽车产业聚焦的所在,其中在动力电池方面有着独特性能表现的特斯拉成为行业研究的对象。日前,在特斯拉举办的“T-talk”线下分享讨论会上,盖世汽车对特斯拉在电池方面的技术布局进行了一番深入了解。

首先,在电池的物理基础层面上,比如电芯的正极材料上,特斯拉采用的是能量密度更高的镍钴铝(NCA)材料,且在量产电芯上成功应用了硅碳负极材料,大大提升电芯能量密度;在电池包上,特斯拉创新研发的CTP大模组设计,不但有效提高体积利用率,使相同尺寸托盘可以装入更多电芯,还能提高约 5%~10%的电池能量密度,更优化了组装工艺,节省了人力、物力及维修成本。

据特斯拉相关工作人员介绍,特斯拉采用的大模组设计,电池包中有近百个电芯,每节电芯有2根保险丝与外部链接,如果损坏,保险就会熔断,损坏电芯与其他电芯隔离,成为孤岛,不会影响其他电芯。“每个模组中有四十多节电芯,一个电芯只占2%左右的能量,如其中一个电芯发生热失控,不会对模组形成影响,更不会影响整个电池包的正常运行。即便发生最坏的情况,很多模组里分别有电芯损坏,都不会对电池整体带来太大的安全冲击,这也是特斯拉坚持要用小电芯的原因。“

在冷却方法上,特斯拉将冷却水管均匀分布在电芯周围,这正是小圆柱电芯的优势,通过更大接触面的冷却介质,不但能快速带走电芯热量,控制整个电池温度,进一步提高电池安全可靠性,更能配合特斯拉不断发展的高功率快速充电。

阻燃设计上,特斯拉不但在电芯之间放置了阻燃材料,在大模组间、电池包和车身之间也同样放置了阻燃材料。波浪形带状热界面材料最大程度接触每个电芯表面,发生热失控时,能够迅速令模组降温。而且每个大模组都密封完整,一旦起火,能够有效阻隔热量蔓延,避免波及其他。

除了阻燃,特斯拉还考虑了排气。特斯拉电池大模组外侧都带有水平指向车外的排气口,一旦发生热失控,过热气体将迅速排出,以便减小火情影响。

防水同样是安全性提升的重要一环。特斯拉电池包采用密封设计,可以有效防止水进入。万一有巨大水压破坏密封结构,电池还装备有泄洪阀,会在排泄水的同时报警,并且一旦探测发现电池绝缘有问题,就会立刻报警并在必要时切断电池的输出。

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“特斯拉的电池优势不是一个电芯,或者一个电池包的单点优势,而是从整车设计出发,通盘考虑电池容量、续航、风阻、性能等,从而达到物理技术和智能软件的整体平衡。”上述工作人员强调说到,而要达到物理和软件的整体平衡,不得不提特斯拉高度集成的“电池热管理系统”和“电池管理系统BMS”。

据介绍,特斯拉电池热管理系统类似高性能电脑的水冷散热器,即电池被管道包围,而管道内流动着二元醇型冷却液,它能够兼顾制热和制冷两种工况,电池、电机、车载充电器和空调系统均与热管理系统相连,热量在有需要时,智能在上述部件间交换。例如在冬天,电机产生的多余热量可被用于帮助电池达到最佳的工作温度。当然,冷却液可改变循环路径,从另一方向泵入,确保系统已升温或冷却至最佳工作温度。“特斯拉特有的Superbottle专利技术将传统冷却液储罐提升成了智能冷却液储罐,集成了侧面的两个水泵、切换阀、散热器和电子控制器。“

目前,更新后的Model Y和新款Model 3在热管理系统上引入了热泵的热管理方式,该方式通过控制膨胀阀开度,止向阀动作来控制冷媒的循环,通过控制八通阀 OctoValve 的位置来控制冷却液的循环,整个控制系统总共12种制热模式,3 种制冷模式,非常复杂。“通过精密复杂的多种模式控制,特斯拉电池热管理系统保持电池温度稳定,以便长期和短期内提高车辆续航、最大化电池寿命、提升里程,优化整体性能。”

除了电池热管理系统外,电池管理系统BMS也是特斯拉电池效能优势的一大助力。BMS系统内每个区域都设置了温度传感器;在充放电过程中,电池输入输出的电流都将实时被记录;还会监测电池的绝缘特性,确保电池高压与车身充分隔离;系统还会对上述监测功能实时进行诊断和校验。这就保证电池的工作状态始终维持在满足车辆要求的动力情况下,保护电池单体免受损坏,防止出现安全事故,另外延长电池的使用寿命。

在整车架构上,特斯拉将电池包置于底板上,以电池的重量带来极低的重心,同时电池底部外壳用大于3mm的结构铝合金制作,内部有加强梁支撑,坚固的结构无形中也为车辆乘员舱增加了一层保护。此外,特斯拉在电池外壳与电池芯底部之间设计了约2公分的空隙,所以一般的拖地磕碰等情况都不会碰触到电芯。防撞梁、电池离地间隙高度等都是特斯拉人多年的安全经验所总结的优秀成果,异常坚固的结构设计,使得特斯拉电池包在实际用车中极少遭到严重的损坏。

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整体来看,从最基础的电芯到模组再到整车设计,特斯拉均集成了多种科技和防护技术,可以说将电池安全上升到了一个新高度。也正因此,特斯拉几乎可以做到同时满足多个国家和地区的动力电池强制标准,如中国GB 系列;国际 UN、 IEC、ISO 系列以及行业 SAE系列等。

“特斯拉每一款电池和电芯在上市前,都必须通过比国家强制标准更加严苛的内部测试,其中涉及电芯安全和电池安全测试项目可达上百项,例如各类常见的滥用试验等。上千项的性能,机械,电气,环境耐久和寿命等试验考核之后,特斯拉才会让确保安全的产品正式量产。“上述工作人员最后强调表示。


来源:盖世汽车

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