庖丁解“?!?,從專利看Tesla電池組設(shè)計(jì)
其中最為人關(guān)注的莫過(guò)于Model S的起火事故,而在起火事故中最核心的問(wèn)題就是電池技術(shù)??梢哉f(shuō),這是牽動(dòng)Tesla股價(jià)起起落落的“元兇”,也是投資者最關(guān)心的問(wèn)題。在美國(guó)發(fā)生的兩起起火事故有著相似的情節(jié):Model S撞擊到金屬物體后,導(dǎo)致電池起火,但火勢(shì)都被很好地控制在車頭部分。在墨西哥的事故中,主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?duì)消防員來(lái)說(shuō)都是個(gè)難題。
這讓很多人產(chǎn)生一個(gè)疑問(wèn):Model S的電池就這么不禁撞嗎?Model S的電池位于車輛底部,采用的是松下提供的18650鈷酸鋰電池,整個(gè)電池組包含約8000塊電池單元;鈷酸鋰電池能量密度大,但穩(wěn)定性較差,為此Tesla研發(fā)了3級(jí)電源管理體系來(lái)確保電池組正常運(yùn)作?,F(xiàn)在,讓我們借助Tesla的電池技術(shù)專利,來(lái)透徹地了解下Model S電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)特征。
布局與形體
如專利圖所示,Model S的電池組位于車輛的底盤,與輪距同寬,長(zhǎng)度略短于軸距。電池組的實(shí)際物理尺寸是:長(zhǎng)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(gè)電池模塊疊加造成的。這個(gè)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(gè)電池組的結(jié)構(gòu)是一個(gè)通用設(shè)計(jì),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(jì),與空氣隔絕,大部分用料為鋁或鋁合金。可以說(shuō),電池不僅是一個(gè)能源中心,同時(shí)也是Model S底盤的一部分,其堅(jiān)固的外殼能對(duì)車輛起到很好的支撐作用。
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(duì)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)
Model S電池組在內(nèi)部被劃分為7個(gè)區(qū)域(605),每個(gè)區(qū)域安裝兩個(gè)電池模塊(701),每個(gè)模塊內(nèi)置370塊電池單元。在電池組頭部還有一個(gè)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(gè)電池模塊,堆疊排放。這樣計(jì)算下來(lái)一共有5920塊電池單元。同時(shí)這7個(gè)區(qū)域(包括突出部分一共是8個(gè)空間)相互之間是完全隔絕的,這樣的設(shè)計(jì)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):
一是增加了電池組整體的牢固程度,使整個(gè)底盤結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)挺;
二是便于電源管理,避免某個(gè)區(qū)域的電池起火時(shí)引燃其他區(qū)域的電池(如果沒(méi)有隔離整塊電池組燃燒起來(lái)不堪設(shè)想)。此外,隔離板(601A-601H)內(nèi)部可以被填充高熔點(diǎn)、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(shuō)明介紹,隔離板內(nèi)部的水可以是靜態(tài)的也可以是流動(dòng)的,可以直接存儲(chǔ)在隔離板內(nèi)部管腔,也可以被裝到特定的水袋中。如果是流動(dòng)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(gè)隔離板與其他幾根相比要更加粗壯一些。這樣的設(shè)計(jì)是為了進(jìn)一步增加電池組的堅(jiān)固程度,使其能夠更好地承受來(lái)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(gè)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(gè)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(gè)區(qū)域,在每個(gè)電池模塊的內(nèi)部,也被劃分為了7個(gè)區(qū)域。
保護(hù)機(jī)制
這或許是研究Model S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(hù)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(shí)現(xiàn)的功能有很多:降低噪音、降低熱傳導(dǎo)、降低來(lái)自底盤的震動(dòng)。
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(dòng);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(shí)現(xiàn)上述降噪、隔熱以及減震水平,Tesla的研究人員發(fā)現(xiàn)需要對(duì)1201進(jìn)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(jìn)一步保護(hù)電池組而加裝的防彈保護(hù)盾,即1203。Tesla并未明確指明其材質(zhì),只是說(shuō)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(gè)防彈保護(hù)盾作為車輛的最底層面板,是保護(hù)電池組不受路面障礙物撞擊的第一道防線,也是最為堅(jiān)固的面板。
為了更好地發(fā)揮防彈保護(hù)盾的效果,在電池組的底板603與保護(hù)盾1203之間,Tesla特別設(shè)計(jì)了一個(gè)隔離區(qū)域。對(duì)于這個(gè)隔離區(qū)域,在電池專利中有兩種設(shè)計(jì):
一是留空,并在每個(gè)電池隔離板(601A-601H)對(duì)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(gè)加固板(1209)與隔離板(601)是處于一個(gè)平面的,這樣設(shè)計(jì)主要是考慮到如果保護(hù)盾受到過(guò)大的外力撞擊,原本為了抵抗撞擊而設(shè)計(jì)的加固板不會(huì)因受力過(guò)大而損害到電池組底板(603)。
第二種設(shè)計(jì)即是如下圖所示,在隔離區(qū)域填充“緩沖”物質(zhì)。對(duì)于物質(zhì)本身,并沒(méi)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(hù)盾1203之間留有空隙的設(shè)計(jì),叫做“裝蛋箱”造型。個(gè)人猜測(cè)這種設(shè)計(jì)是在填充不具有彈性的材質(zhì)時(shí)使用的。
以上便是Model S電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解析,參考的材料是US 8286743 B2號(hào)專利。需要提醒讀者的是,該專利說(shuō)明提交于2011年12月5日,當(dāng)時(shí)Model S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Model S車型會(huì)有些許的不同。隨著時(shí)間的推移,Model S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Model S采用的,但基本一致。
評(píng)論