鉅大LARGE | 點擊量：599次 | 2021年09月29日
解密Tesla的電池組設(shè)計
對Tesla來說最近可謂是禍不單行：持續(xù)發(fā)生了3起起火事故，市值狂跌40億，剛剛又有3名工人受傷送醫(yī)。ElonMusk就一直忙著到處“滅火”，時而還跟公開表示對Tesla“不感冒”的喬治·克魯尼隔空喊話。在經(jīng)歷了首次盈利、電池更換技術(shù)、穿越美國、水陸兩棲車等頭條新聞后，ElonMusk最近總以各種負(fù)面消息重返頭條。這位“鋼鐵俠”CEO在2013年真是遭遇各種大起大落。
其中最為人關(guān)注的莫過于ModelS的起火事故，而在起火事故中最核心的問題就是電池技術(shù)。可以說，這是牽動Tesla股價起起落落的“元兇”，也是投資者最關(guān)心的問題。在美國發(fā)生的兩起起火事故有著相似的情節(jié)：ModelS撞擊到金屬物體后，導(dǎo)致電池起火，但火勢都被很好地控制在車頭部分。在墨西哥的事故中，重要的燃燒體也是電池。而且在3起事故中，如何把著火的電池?fù)錅鐚ο绬T來說都是個難題。
這讓很多人出現(xiàn)一個疑問：ModelS的電池就這么不禁撞嗎？ModelS的電池位于車輛底部，采用的是松下供應(yīng)的18650鈷酸鋰離子電池，整個電池組包含約8000塊電池單元；鈷酸鋰離子電池能量密度大，但穩(wěn)定性較差，為此Tesla研發(fā)了3級電源管理體系來確保電池組正常運作?，F(xiàn)在，讓我們借助Tesla的電池技術(shù)專利，來透徹地了解下ModelS電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)特點。
布局與形體
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
如專利圖所示，ModelS的電池組位于車輛的底盤，與輪距同寬，長度略短于軸距。電池組的實際物理尺寸是：長2.7米，寬1.5米，厚度為10-18厘米，其中較厚的18厘米部分是由于2個電池模塊疊加造成的。這個物理尺寸指的是電池組整體的大小，包括上下、左右、前后的包裹面板。
這個電池組的結(jié)構(gòu)是一個通用設(shè)計，除了18650電池外，其他符合條件的電池也可以安裝。此外，電池組采用密封設(shè)計，與空氣隔絕，大部分用料為鋁或鋁合金?？梢哉f，電池不僅是一個能源中心，同時也是ModelS底盤的一部分，其堅固的外殼能對車輛起到很好的支撐用途。
由于與輪距等寬，電池組的兩側(cè)分別與車輛兩側(cè)的車門檻板對接，用螺絲固定。電池組的橫斷面低于車門檻板。從正面看，相當(dāng)于車門檻板“掛著”電池組。其連接部分如下圖所示。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)
ModelS電池組在內(nèi)部被劃分為7個區(qū)域（605），每個區(qū)域安裝兩個電池模塊（701），每個模塊內(nèi)置370塊電池單元。在電池組頭部還有一個突出部分（607），其厚度也較高，這就是上文提到的0.18m的部分，安裝了兩個電池模塊，堆疊排放。這樣計算下來一共有5920塊電池單元。同時這7個區(qū)域（包括突出部分一共是8個空間）相互之間是完全隔絕的，這樣的設(shè)計有兩個優(yōu)點：
一是新增了電池組整體的牢固程度，使整個底盤結(jié)構(gòu)更加堅挺；
二是便于電源管理，防止某個區(qū)域的電池起火時引燃其他區(qū)域的電池（假如沒有隔離整塊電池組燃燒起來不堪設(shè)想）。此外，隔離板（601A-601H）內(nèi)部可以被填充高熔點、低熱導(dǎo)的材料，如玻璃纖維等。
當(dāng)然，還有另外一種填充物，那就是水，其較高的比熱容可以幫助降溫，吸收熱能。據(jù)Tesla專利說明介紹，隔離板內(nèi)部的水可以是靜態(tài)的也可以是流動的，可以直接存儲在隔離板內(nèi)部管腔，也可以被裝到特定的水袋中。假如是流動狀態(tài)，可以與電池組的冷卻系統(tǒng)連接在一起，也可以自建循環(huán)系統(tǒng)。
在8根隔離板中，601D與601E兩個隔離板與其他幾根相比要更加粗壯一些。這樣的設(shè)計是為了進一步新增電池組的堅固程度，使其能夠更好地承受來自車輛側(cè)面的撞擊。
上面兩張圖是電池模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從中可以看出18650電池的排列方式。有的電池正極朝上，有的電池負(fù)極朝上，每個電池模塊中正極朝上與負(fù)極朝上的數(shù)量應(yīng)該是各為185塊。特別注意帶有1001的這張圖，該圖展示的是拿走電池后整個電池槽的結(jié)構(gòu)。那一排排呈S型的隔離板是電池冷卻系統(tǒng)，其與電池組的熱管理系統(tǒng)相連接。可見，電池組內(nèi)部被劃分為7個區(qū)域，在每個電池模塊的內(nèi)部，也被劃分為了7個區(qū)域。
保護機制
這或許是研究ModelS起火事故最關(guān)鍵的部分了。上面我們了解了電池組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，下面我們要看的是電池的一些保護措施。
在電池組的頂部有一層面板，即1201。這層面板既可以是單層，也可以是多層，它實現(xiàn)的功能有很多：降低噪音、降低熱傳導(dǎo)、降低來自底盤的震動。
降噪方面，1201最高能降低20分貝1000Hz以上噪音；減震方面，1201能最高能降低40%的傳遞自路面的震動；隔熱方面，1201能的熱傳導(dǎo)性最低能低至0.1W/m-K，最高能持續(xù)性承受750攝氏度的高溫，能承受1000攝氏度約10秒，能承受1400攝氏度的高溫約1秒。為了實現(xiàn)上述降噪、隔熱以及減震水平，Tesla的研究人員發(fā)現(xiàn)要對1201進行30%左右的壓縮才可以。在材質(zhì)方面，1201可選的材料包括陶瓷纖維、石英纖維、氧化鋁、硅酸鈣鎂等。
然后是為了進一步保護電池組而加裝的防彈保護盾，即1203。Tesla并未明確指明其材質(zhì)，只是說明可以由鋁、鋁合金或者碳纖維材料制成，甚至還可以是由玻璃纖維或塑料。這個防彈保護盾作為車輛的最底層面板，是保護電池組不受路面障礙物撞擊的第一道防線，也是最為堅固的面板。
為了更好地發(fā)揮防彈保護盾的效果，在電池組的底板603與保護盾1203之間，Tesla特別設(shè)計了一個隔離區(qū)域。有關(guān)這個隔離區(qū)域，在電池專利中有兩種設(shè)計：
一是留空，并在每個電池隔離板（601A-601H）對應(yīng)的平面內(nèi)加裝一條加固板（1209）。隔離區(qū)域的高度根據(jù)具體應(yīng)用情形為10-50毫米之間。這個加固板（1209）與隔離板（601）是處于一個平面的，這樣設(shè)計重要是考慮到假如保護盾受到過大的外力撞擊，原本為了抵抗撞擊而設(shè)計的加固板不會因受力過大而損害到電池組底板（603）。
第二種設(shè)計即是如下圖所示，在隔離區(qū)域填充“緩沖”物質(zhì)。有關(guān)物質(zhì)本身，并沒有彈性要求，Tesla舉例的材質(zhì)包括塑料泡沫、填充劑等。在右圖中，這種在填充物與保護盾1203之間留有空隙的設(shè)計，叫做“裝蛋箱”造型。個人猜測這種設(shè)計是在填充不具有彈性的材質(zhì)時使用的。
以上便是ModelS電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計解析，參考的材料是US8286743B2號專利。要提醒讀者的是，該專利說明提交于2011年十二月五日，當(dāng)時ModelS車型還未大規(guī)模量產(chǎn)，因此該專利中描述的電池組技術(shù)與現(xiàn)款的ModelS車型會有些許的不同。隨著時間的推移，ModelS電池組的制造工藝與電源管理技術(shù)在不斷提升，因此本文描述的電池技術(shù)并非一定是現(xiàn)款ModelS采用的，但基本一致。
