Tesla Model S电池组设计全面解析

T Te es sl la a M Mo od de el l S S电电池池组组设设计计全全面面解解析析 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 电池的布局与形体电池的布局与形体 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 电池内部结构电池内部结构 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 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 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 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 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