電池技術有何獨到之處?特斯拉“T-talk”線下分享

2021-06-23 00:00:00 作者:陳峰

  【太平洋汽車網 技術頻道】作為新能源汽車領域的引領者,特斯拉一直是整個行業研究對象。近期,特斯拉在上海世博特斯拉中心的召開“T-talk”線下分享討論會上,向業內分享了其核心部件電池技術在設計制造方面的獨到之處。

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  那么特斯拉是如何同時做到續航里程更長、百公里電耗更低、電池衰減更慢、電池包能量密度更高,

整車出發平衡電池 造就綜合性能王者

  從電池的物理基礎層,特斯拉就有很多過人之處。比如電芯方面,正極材料上,特斯拉采用能量密度更高的鎳鈷鋁(NCA)材料,且目前只有特斯拉在量產電芯上成功應用了硅碳負極材料,大大提升電芯能量密度;電池包上,特斯拉創新研發的CTP大模組設計,不但有效提高體積利用率,使相同尺寸托盤可以裝入更多電芯,還能提高約 5%~10%的電池能量密度,更優化了組裝工藝,節省了人力、物力及維修成本。

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  正如蘋果公司受人追捧的不只是手機,特斯拉的電池優勢也絕不是一個電芯,或者一個電池包的單點優勢,而是從整車設計出發,通盤考慮電池容量、續航、風阻、性能等,從而達到物理技術和智能軟件的整體平衡,這其中,不得不提特斯拉高度集成的“電池熱管理系統”和“電池管理系統BMS”。

 

  特斯拉電池熱管理系統類似高性能電腦的水冷散熱器——電池被管道包圍,而管道內流動著二醇型冷卻液。它能夠兼顧制熱和制冷兩種工況,電池、電機、車載充電器和空調系統均與熱管理系統相連,熱量在有需要時,智能在上述部件間交換。例如在冬天,電機產生的多余熱量可被用于幫助電池達到最佳的工作溫度。當然,冷卻液可改變循環路徑,從另一方向泵入,確保系統已升溫或冷卻至最佳工作溫度。

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  特斯拉特有的Superbottle專利技術將傳統冷卻液儲罐提升成了智能冷卻液儲罐,集成了側面的兩個水泵、切換閥、散熱器和電子控制器。隨著Model Y和新Model 3的更新,在熱管理系統上引入了一個非常重要的熱管理方式-熱泵。通過控制膨脹閥開度,止向閥動作來控制冷媒的循環,通過控制八通閥 OctoValve 的位置來控制冷卻液的循環。整個控制系統非常復雜,總共有 15種模式,12種制熱模式,3 種制冷模式。

  通過精密復雜的多種模式控制,特斯拉電池熱管理系統保持電池溫度穩定,以便長期和短期內提高車輛續航、最大化電池壽命、提升里程,優化整體性能。相比其他的消費電子產品, Tesla 的電池壽命更長,這就是電池熱管理系統的功勞。

  除了電池熱管理系統外,電池管理系統BMS也是特斯拉電池效能優勢的一大助力。BMS系統內每個區域都設置了溫度傳感器;在充放電過程中,電池輸入輸出的電流都將實時被記錄;還會監測電池的絕緣特性,確保電池高壓與車身充分隔離;系統還會對上述監測功能實時進行診斷和校驗。這就保證電池的工作狀態始終維持在滿足車輛要求的動力情況下,保護電池單體免受損壞,防止出現安全事故,另外延長電池的使用壽命。

 

滿足全球強制標準,安全始終是造車首要目標

  正是有了科技的加持,特斯拉以6大機制,從最基礎的電芯,一直到整車設計,將電池安全上升到新的高度:

  電池包結構層面上,特斯拉采用獨特的大模組設計,電池包中有近百個電芯。每節電芯有2根保險絲與外部鏈接,如果損壞,保險就會熔斷,損壞電芯與其他電芯隔離,成為孤島,不會影響其他電芯。,每個模組中有四十多節電芯,一個電芯只占2%左右的能量,如其中一個電芯發生熱失控,不會對模組形成影響,更不會影響整個電池包的正常運行。即便發生最壞的情況,很多模組里分別有電芯損壞,都不會對電池整體帶來太大的安全沖擊,這也是特斯拉堅持要用小電芯的原因。

  冷卻方法上,特斯拉將冷卻水管均勻分布在電芯周圍,這正是小圓柱電芯的優勢,通過更大接觸面的冷卻介質,不但能快速帶走電芯熱量,控制整個電池溫度,進一步提高電池安全可靠性,更能配合特斯拉不斷發展的高功率快速充電。有些品牌也使用三元鋰電池卻充電速度慢,往往就因為冷卻液離電芯中間距離遠,所以冷卻效果不理想

  阻燃設計上,特斯拉不但在電芯之間放置了阻燃材料,在大模組間、電池包和車身之間也同樣放置了阻燃材料。波浪形帶狀熱界面材料最大程度接觸每個電芯表面,發生熱失控時,能夠迅速令模組降溫。而且每個大模組都密封完整,一旦起火,能夠有效阻隔熱量蔓延,避免波及其他。

  除了阻燃,特斯拉還考慮了排氣。特斯拉電池大模組外側都帶有水平指向車外的排氣口,一旦發生熱失控,過熱氣體將迅速排出,以便減小火情影響。這對于燃油車的油箱來說,也是無法企及的多重保護。

  防水同樣是安全性提升的重要一環。特斯拉電池包采用密封設計,可以有效防止水進入。萬一有巨大水壓破壞密封結構,電池還裝備有泄洪閥,會在排泄水的同時報警,并且一旦探測發現電池絕緣有問題,就會立刻報警并在必要時切斷電池的輸出。

  在整車架構上,特斯拉將電池包置于底板上,以電池的重量帶來極低的重心,同時電池底部外殼用大于3mm的結構鋁合金制作,內部有加強梁支撐,堅固的結構無形中也為車輛乘員艙增加了一層保護。此外,特斯拉在電池外殼與電池芯底部之間設計了約2公分的空隙,所以一般的拖地磕碰等情況都不會碰觸到電芯。防撞梁、電池離地間隙高度等都是特斯拉人多年的安全經驗所總結的優秀成果,異常堅固的結構設計,使得特斯拉電池包在實際用車中極少遭到嚴重的損壞。

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  如此層層防護之下,特斯拉也不負眾望,滿足了中國、美國及歐洲等世界各國和地區動力電池的強制標準,無論是中國GB 系列,還是國際 UN、 IEC、ISO 系列,以及行業 SAE系列等,均取得令人矚目的成績。要知道,各國乃至各種標準間總是存在側重點的差異,針對單體電芯、電池包設計、或整車的安全要求有所不同,能夠同時滿足所有國家和地區標準,從側面也反映出特斯拉電池的技術領先性和安全度。

  其實,特斯拉每一款電池和電芯在上市前,都必須通過比國家強制標準更加嚴苛的內部測試,其中涉及電芯安全和電池安全測試項目可達上百項,例如各類常見的濫用試驗等。上千項的性能,機械,電氣,環境耐久和壽命等試驗考核之后,特斯拉才會讓確保安全的產品正式量產。

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