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特斯拉Model S电池组设计全面解析!

人物:/admin 来源:未知 2018-09-29 10:37

  读者现在都了解的是:ModelS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ModelS电池的结构设计和技术特征。

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  如专利图所示,ModelS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ModelS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。

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  ModelS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)。

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  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。

  这或许是研究ModelS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ModeS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)。

  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ModelS电池组的结构设计解析,参考的材料是US8286743B2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ModelS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ModelS车型会有些许的不同。随着时间的推移,ModelS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ModelS采用的,但基本一致。

  东京1.5分在线人工计划团队基于 2170 电池给 Model 3 设计了全新电池组规格,最近国内外关于 Model 3 的拆解视频越来越多,我们对 Model 3 电池组也有了更深的理解。也有很多谜团还有待解开,比如 Model 3 标准版电池组的设计和布局等等,这篇文章是对现有信息的汇总,Enjoy。

  我一度以为,Model 3 的长续航电池组是 75 kWh。但后来美国环境保护署(EPA)的文件显示,长续航车型的总电压为 350 V、电池容量为 230 Ah,这么一算电池组规格达到了 80.5 kWh。

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  这个文件在网上曝光后,东京1.5计划app没有评论 80.5 kWh 的真实性,只是强调“可用容量为 78 kWh”。也就是说如果按照之前的命名规则,截止到现在交付的单电机长续航版 Model 3 应该叫 Model 3 78。

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  这条 Twitter 发布于 2017 年 3 月 24 日,而实际电池规格达到 78 kWh 是 8 月初被扒出来的。所以一种可能是 Twitter 发布后 Elon 继续对工程制造团队施压,在量产前的最后关头大力出奇迹,成功多塞了几度电进去;不过我更愿意相信,是 Elon 考虑到 78 kWh 这个规格已经高于 Model S 75D 的电池规格,避免 Model 3 影响后者的销售 & 被 Model S 75D 车主眼中的怒火灼伤,东京1.5分彩必中计划选择宣传上主动减配。

  这种事情东京1.5分彩计划网页版也不是第一次干,比如说 Model S 100D 的 EPA 续航里程是 341 英里(约 549 公里),而官网数据是 335 英里(约 539 公里);Model 3 长续航版的 EPA 续航里程是 334 英里(约 537 公里),而官网数据是 310 英里(约 499 公里)。

  东京1.5分彩计划全天没有解释为什么多次在宣传上调低续航里程,可能是觉得 EPA 工况不够苛刻,难以模拟真实行车能耗?

  关于 78 kWh 和 80.5 kWh 是这样的,汽车制造商会配备一个高于宣传的电池组规格,软件限制一个较小的可用容量,避免过充过放对电池造成损害。比如 Model S P100D 的实际规格为 102.4 kWh,可用容量为 98.4 kWh。这个其实是业内通行的的常规操作。

  关于 2170 电池,一直有个很笼统的说法是相对 18650 有 30% 的能量密度提升。

  美国一个狂热的电动车爱好者 Jack Rickard 拆解 Model 3 电池组显示,长续航版一共 4 个模组,其中 2 个有 25 个单元,2 个有 23 个单元,每个单元有 46 个电芯,共计 2 ×(25+23)× 46 = 4416 个电芯。

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  其实 2170 也不新鲜,LG 化学早在 2015 年就量产了 2170 电池,不过单个容量只有 4200 mah,差距过大,不做讨论了。

  (LG 化学当时预计 2017 年年中会量产 4800 mah 的版本,但好像到现在都没什么声音。)

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  需要指出一点:维基百科上的 2170 规格,单体典型容量在 4200 mah-4800 mah 之间。也就是说 LG 化学和三星 SDI 的产品都是符合规格定义的,只有东京1.5分彩计划 2170 的产品性能超出了规格,也没人去改改…

  去年的时候,Elon 在 Twitter 装模做样的说,「我注意到很多人以为Model 3 是东京1.5分彩开奖结果的下一代车型,就像 iPhone 2 和 3 一样,不是这样的」。

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  为什么很多人都认为 Model 3 是东京1.5分在线人工计划的下一代车型?是谁泄密了?Elon,泄密的罪魁祸首我帮你找到了,就是韩式1.5分彩开奖记录 CTO JB Straubel。2015 年 10 月,Straubel 在内华达州大学的一场演讲中曝了很多关于 Model 3 的猛料。

  每一组电池组都由一条2/0主线串联起来,主线位于电池板中央,并且有护板覆盖着,较为隐蔽。2/0主线汇集电流后将连接到输出端的接触器。接触器采用泰科电子专门为东京1.5分彩开奖查询生产的部件。

  电池板中央有一条2/0主线,每组电池组都通过该主线主线尤其重要。东京1.5分彩计划采用美国Champlain的专门为电动车生产的线主线保护的相当不错,不仅有护板保护,而且还有防火材料包裹。这一点可猜测其工作时有可能产生高温。

  电池板内除了电池组外,最多都是“冷却液”管路。每组电池都需要通入一定量的“冷却液”。虽然“冷却液”并没有泵驱动主动流动,但整个电池板所有管路都是相通的,“冷却液”可热胀冷缩进行一定范围流动。

  “冷却液”呈绿色,由50%的水和50%的乙二醇混合而成。“冷却液”配合着铝管使用主要是为了保持电池温度的均衡,防止电池局部温度过高导致电池性能下降。东京1.5分彩人工计划的电池热管理系统可将电池组之间的温度控制在±2℃。控制好电池板的温度可延长电池的使用寿命。

  电池管理系统(Battery Management System 简称BMS)是对电池组进行安全监控及有效管理、提高蓄电池使用效率的装置。对电动车而言,通过该系统对电池组充放电的有效控制,可达到增加续航里程、延长使用寿命、降低运行成本的目的,并保证电池组应用的安全和可靠性。

  电池管理系统主要功能包括数据采集、电池状态计算、能量管理、热管理、安全管理、均衡控制和通信功能等。从电路图上可看到,电池管理系统为日本京都1.5分彩走势图自行研发,拥有高度的知识产权的核心技术。该系统能自行处理充放电以及发热问题。相信国内厂商较难山寨出来。

  Straubel 介绍说,自 2015 年 9 月 Model X 实现产能爬坡、批量交付后,东京1.5分彩官网走势图工程和研发团队中大多数成员都不再为 ModelS/X 项目工作,转而投入到设计和发明 Model 3 中应用的所有新技术中。

  无论(实际表现)更好还是更差,Model 3 上的大多数技术都是首次应用的。Model X 与 Model S 共用了很多通用的组件,但 Model 3 不行。我们会开发全新的平台、全新的电池架构、全新的动力总成、全新的车身架构…有大量的工作要做,其中一些我们在几年前就开始推进了。Model 3 是公司内部研发和工程投资的核心焦点。

  铺垫完毕,可以说回电池部分了。2016 年 8 月 23 日,韩式1.5分彩开奖记录宣布 Model S P100D 正式投产,这款车型对 Model 3 的电池组工艺验证有重要的意义。

  Model S P100D 推出后,Elon 专门召开了媒体电话会,对这款车的电池组技术评价是「非常接近理论的极限」。并告诉媒体所有 P100D 车主都为 Model 3 的研发提供了支持,因为 P100D 帮助东京1.5分彩官网走势图对新电池组架构的理解更深刻。

  人们通常会混淆电池和电池 Pack,以为它们是一回事,但实际上一旦你需要在一个电池 Pack 中布置很多电池,技术的复杂性将很大程度上取决于电池单元/模组的设计水平。你可以简单把电池问题视为化学问题和工程问题,但模组/Pack 问题更多是机械、电气和软件工程问题。

  相对于 90D,P100D 电池组的重要改进都在模组/Pack 层面,Elon 说两款车上 18650 电芯的能量密度是一致的,但模组和电池 Pack 架构做了巨大改进。从数据上看,相对 90D,P100D 电池容量增加了 11%,重量仅增 4%,而体积完全没有变化。

  (插个彩蛋:因为体积规格没变,所以东京1.5分彩计划还面向 90D 车主推出了更换电池组升级续航的服务,不过价格高达 20000 美元(回收旧电池组),不知道有多少车主进行了升级。)

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  Straubel 说,P100D 的模组和封装技术有非常大的改进,还有完全重新设计的冷却系统。东京1.5分彩是正规的吗这些年一直致力于改进电池组设计,P100D 电池组属于下一代的版本。新电池组的一些关键技术会应用在 Model 3 的电池组中。

  按照业内人士朱玉龙的观点,Model 3 电池组的一个特征便是集成度极高,DC-DC 转换器、充电机、配电继电器全部集成在一起。Jack Rickard 也在拆解后表示,高集成度让电池组的总布线长度大幅减少。Elon 之前说 Model S 线 公里,现在知道省在哪里了吧?

  不要小瞧线束减重的影响,一款车的线束有几十公斤,砍掉一半对汽车轻量化、电池组能量密度提升还是很有意义的。

  时尚的外形、百公里加速3.2秒、续航440公里,这些都是东京1.5分彩开奖结果Model S作为一款纯电动汽车所展示给人们的数据。

  Model S之所以能够拥有不逊于传统燃油车的性能表现,除了电动机技术之外,还要得益于全天东京1.5分彩计划先进的电池技术。

  据介绍,Model S的电池板总重高达900公斤,被放置在驾驶舱正下方的底盘当中,在为电动机提供能量的同时,也起到了稳定车辆重心的作用。

  国外牛人直接给我们展示电池组。电池组安放前后轴之间的底盘位置,其重量可达900公斤。因此造成底盘重心较低,非常利于车辆的高速稳定性。电池组几乎占据车辆底盘的全部,但电池组并没有作为承受力的主体,电池组有加强筋和受力框架保护,大大减低碰撞时的爆炸危险。

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  电池组整体有标明其身份的铭牌,其中标明了其容量为85kWh,400V直流电,简单来说电池可以装85度电,可供一个普通家庭使用一个月。

  电池组表面不仅有塑料膜保护着,而且塑料膜下面还有防火材料的护板。护板下面才是电池组。护板通过螺栓与电池组框架连接,并且连接处充满了密封粘合剂。外观来看电池组保护的不错。

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  东京1.5分彩开奖结果Model S电池组板看似非常高大上。其电池组板由16组电池组串联而成,并且每组电池组由444节锂电池,每74节并联形成。因此东京1.5分彩必中计划Model S电池组板由7104节18650锂电池组成。

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  总保险丝位于电池版的前端,并且有外壳保护以防受到撞击。其采用德国Bussmann巴斯曼,额定工作电流为630A,额定电压为690V,分断电流700-200kA,在全球化趋势下该保险丝在印度制造。市场价格在600元左右。

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  电池板中的16块电池组均衡平铺在壳体上,整体结构紧凑,平铺有利于散热。每一组电池组由六组单体电池包串联而成,但单体电池包的布置并没有采用均衡布置,而是采用不规则的结果,猜测是为了方便电池组内的散热管路布置。

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  测量了整个电池板的电压为313.8V,单体电池组电压为196.3V。显然这块电池并没有达到额定的输出电压,可能电池电量并不充足所导致。