就此走下神壇？解析TESLA電池安全技術(shù)

1 電池結(jié)構(gòu)及控制

“天啊，哥們兒，那是輛TESLA，坎兒新的。”如果不是親眼所見(jiàn)，誰(shuí)也不會(huì)相信那輛著火的是一輛TESLA MODEL S。在此之前，加上Roadster車(chē)型，量產(chǎn)的TESLA電動(dòng)車(chē)?yán)鄯e的行駛里程已經(jīng)超過(guò)了1.81億公里，TESLA似乎用這樣的方式證明了產(chǎn)品的可靠性。這就好像當(dāng)年所有人都相信泰坦尼克號(hào)是一艘永不沉沒(méi)的游輪一樣。當(dāng)然，在技術(shù)上，馬斯克也的確給了很多讓我們相信他的理由。

電池總成結(jié)構(gòu)

既然是電池惹的禍，那我們就先來(lái)了解下有關(guān)它的情況。眾所周知，TESLA電動(dòng)車(chē)的電池采用了松下提供的NCA系列（鎳鈷鋁體系）18650鈷酸鋰電池，單顆電池容量為3100毫安時(shí)（mAh，一般我們?cè)陔娖可峡吹降膯挝皇恰鞍矔r(shí)”，這主要是根據(jù)不同容量的電池來(lái)選擇不同的單位）。

這種電池我們并不陌生，像筆記本電腦等電子數(shù)碼設(shè)備使用的都是這種類(lèi)型的電池，相比于其它電動(dòng)車(chē)使用的電池類(lèi)型，18650電池的技術(shù)更為成熟，比能量（參與電極反應(yīng)的單位質(zhì)量的電極材料放出電能的大小）方面它幾乎是磷酸鐵鋰電池（比亞迪e6）的兩倍，也就是說(shuō)，在同等體積的情況下，18650電池組成的電池單元可以?xún)?chǔ)存更多的電能。這也是TESLA使用這種電池的其中一個(gè)原因。

盡管如此，把這種電池運(yùn)用在電動(dòng)車(chē)上還是有一定難度，比如，要想滿(mǎn)足一輛電動(dòng)車(chē)的使用需求就需要使用很多個(gè)18650鋰電池，這就出現(xiàn)了一個(gè)要解決的問(wèn)題，如何把它們組合在一起。

85kWh的MODEL S的電池單元一共運(yùn)用了8142個(gè)18650鋰電池，工程師首先將這些電池以磚、片逐一平均分配最終組成一整個(gè)電池包，電池包位于車(chē)身底板。

將這幾千節(jié)電池組合在一起的方式雖然被行業(yè)認(rèn)為是件不可思議的事，但對(duì)于TESLA的工程師來(lái)說(shuō)，相比接下來(lái)要解決的問(wèn)題，那不過(guò)是一個(gè)稍稍復(fù)雜些的算術(shù)題。

18650電池的穩(wěn)定性

雖然18650鈷酸鋰電池是滿(mǎn)足較高續(xù)航行駛里程的關(guān)鍵，但它在高溫狀態(tài)下的穩(wěn)定性相比鎳鈷錳酸鋰（NCM）和磷酸鐵鋰電池則要稍差些，因此，在安全性方面就需要技術(shù)的有力支撐。

暴烈的性格曾讓它也惹了不少麻煩，記得在幾年前，索尼公司就因旗下筆記本產(chǎn)品所使用的電池發(fā)生爆炸采取了召回行動(dòng)。不過(guò)，現(xiàn)在的18650電池已經(jīng)可以在技術(shù)上避免自燃或無(wú)故爆炸的情況出現(xiàn)。不過(guò)，在發(fā)生強(qiáng)烈的撞擊后，這種電池還是存在著很大的爆炸可能，另外，對(duì)于低溫環(huán)境的適應(yīng)能力也不是很穩(wěn)定，在低溫環(huán)境下，鈷酸鋰電池容易出現(xiàn)因過(guò)度放電導(dǎo)致過(guò)熱的情況。這樣看來(lái)，如何管理這些電池就成了十分重要的事。

2 車(chē)身結(jié)構(gòu)安全如何監(jiān)控電池包的狀態(tài)

電池包內(nèi)的保險(xiǎn)裝置分布到每一節(jié)18650鈷酸鋰電池，每一節(jié)18650鈷酸鋰電池兩端均設(shè)有保險(xiǎn)絲，當(dāng)電池出現(xiàn)過(guò)熱或電流過(guò)大時(shí)，保險(xiǎn)絲會(huì)切斷，以此避免因某個(gè)電池出現(xiàn)異常情況（過(guò)熱或電流過(guò)大）時(shí)影響到整個(gè)電池包。

我們?cè)谏厦娼榻B電池包結(jié)構(gòu)中提到了每個(gè)電池包由若干個(gè)電池片組成，一個(gè)電池片由若干個(gè)電池磚組成，而一個(gè)電池磚又有若干個(gè)18650鈷酸鋰電池組成，除了每節(jié)18650電池設(shè)有保險(xiǎn)裝置外，每個(gè)電池片和每個(gè)電池磚也都有保險(xiǎn)裝置，一旦發(fā)現(xiàn)某一單位內(nèi)部出現(xiàn)問(wèn)題，保險(xiǎn)裝置都會(huì)將其切斷與其它電池單元的聯(lián)系，從而避免殃及池魚(yú)的情況出現(xiàn)。另外，每個(gè)電池片之間都有相對(duì)獨(dú)立的空間并由防火墻相隔，即便是單個(gè)電池片內(nèi)部出現(xiàn)了起火的情況，火勢(shì)也可得到一定控制，不至于迅速蔓延至整個(gè)電池包。

當(dāng)然，保險(xiǎn)裝置是最后的一道屏障，當(dāng)它切斷的時(shí)候也就意味著某個(gè)電池單元出現(xiàn)了問(wèn)題，如果涉及到更換，整個(gè)電池包可以以“片”為單位進(jìn)行更換。每節(jié)電池之間以并聯(lián)的方式連接，而電池磚之間和電池片之間分別以串聯(lián)的方式連接，也就是說(shuō)，在實(shí)際用車(chē)過(guò)程中，當(dāng)某節(jié)電池出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，車(chē)輛不會(huì)拋錨，受到影響的只是車(chē)輛的續(xù)航里程。

維持整個(gè)電池包的工作狀態(tài)以及監(jiān)控每個(gè)電池單元的系統(tǒng)對(duì)于TESLA電動(dòng)車(chē)的性能是關(guān)鍵（在其它品牌電動(dòng)車(chē)上，這同樣十分重要）。通過(guò)在每個(gè)電池片（內(nèi)部由含有若干18650鈷酸鋰電池的電池磚組成）里的電池監(jiān)控裝置（Battery System Monitor）來(lái)監(jiān)控電池片內(nèi)每一個(gè)電池磚的狀態(tài)，其中不僅是電流、電壓，它還能識(shí)別電池的工作溫度、各個(gè)電池磚的相對(duì)位置以及是否產(chǎn)生煙霧等。

電池的溫度是影響電池性能的一個(gè)關(guān)鍵因素，過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使其工作狀態(tài)出現(xiàn)波動(dòng)，進(jìn)而影響到車(chē)輛的整體性能，所以，需要系統(tǒng)不斷地均衡每個(gè)電池的溫度。以上提到的這些有關(guān)安全和電池性能的保障都得益于這種電池分層管理模式的設(shè)計(jì)。

車(chē)身結(jié)構(gòu)確保電池總成的安全

之前TESLA MODEL S在NHTSA（美國(guó)高速公路安全協(xié)會(huì)）進(jìn)行了碰撞測(cè)試，最終拿到了五星的成績(jī)，這個(gè)結(jié)果讓埃隆?馬斯克有點(diǎn)自我膨脹，不管怎樣，MODEL S在各項(xiàng)碰撞測(cè)試中對(duì)假人的保護(hù)以及電池的狀態(tài)還是值得稱(chēng)道的。下面我們通過(guò)當(dāng)時(shí)碰撞的情況來(lái)看看這款車(chē)在被動(dòng)安全方面表現(xiàn)如何。

NHTSA的碰撞測(cè)試包括100%正面碰撞、27°角側(cè)面碰撞、75°角側(cè)面柱碰和翻滾碰撞、車(chē)頂強(qiáng)度這幾項(xiàng)碰撞測(cè)試，如果你想詳細(xì)了解詳細(xì)的NHTSA碰撞測(cè)試方式可以看看我們之前制作的那篇文章?！稖y(cè)試項(xiàng)目不夠全面 中美歐碰撞規(guī)則對(duì)比》

在100%正面碰撞測(cè)試中，MODEL S以56km/h的速度撞向剛性壁障，從碰撞過(guò)程中的車(chē)身姿態(tài)來(lái)看，相比我們?cè)贑-NCAP碰撞測(cè)試時(shí)看到的情況有所不同，MODEL S的車(chē)尾并沒(méi)有出現(xiàn)大幅度抬起的情況，這與整個(gè)車(chē)身的重量分布有關(guān)，MODEL S的電池分布在車(chē)底，電機(jī)位于后車(chē)橋，而車(chē)頭前部又不像傳統(tǒng)汽車(chē)那樣裝有動(dòng)力總成，所以，整車(chē)的重量基本都集中在車(chē)輛底部和尾部并且重心較低，這樣，在這項(xiàng)碰撞測(cè)試中，車(chē)身的幅動(dòng)相對(duì)較小。

由于“發(fā)動(dòng)機(jī)艙”內(nèi)不需要安裝動(dòng)力總成，這樣，就能有足夠的空間來(lái)布置用于提高車(chē)身強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，在這樣的碰撞情況下，很難傷及位于乘員艙下方的電池組。

相比之下，來(lái)自側(cè)面的碰撞對(duì)電池的安全性能威脅更大，因此，通過(guò)高強(qiáng)度的材料避免碰撞時(shí)電池組受到過(guò)度擠壓是十分重要的，上面我們提到18650鈷酸鋰電池在碰撞時(shí)確實(shí)存在爆炸的可能。不過(guò)，一味的提高強(qiáng)度對(duì)于乘員而言可不是一件好事，我們?cè)谥胺治雠鲎矞y(cè)試時(shí)提到的吸能緩沖理念在這里同樣受用。又要避免電池組受到擠壓，又要保護(hù)乘員，這樣的難度可想而知。

通過(guò)一份材料我們看到，MODEL S的門(mén)檻梁部分采用了一種由鋁制部件組成的多層結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)在抵御碰撞力量的同時(shí)，可以在結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)下逐漸吸收碰撞能量，該結(jié)構(gòu)理念源自阿波羅飛船在登陸月球時(shí)所使用的著陸器。不知道這是不是一門(mén)心思想在火星退休的埃隆?馬斯克想出的點(diǎn)子。從這份報(bào)告來(lái)看，在柱碰測(cè)試中，對(duì)于乘員艙的保護(hù)，MODEL S（駕駛艙保留了63.5%）比沃爾沃V60（駕駛艙保留7.8%）還要優(yōu)異。

考慮到后排設(shè)有第三排座椅，在后部防撞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，MODEL S在車(chē)尾裝配兩根防撞梁，以此降低在后部碰撞發(fā)生時(shí)第三排乘客受傷的可能。

為什么還是著火了？

在看過(guò)了包括電池安全技術(shù)和車(chē)身被動(dòng)安全方面的介紹，那MODEL S為什么還會(huì)出現(xiàn)碰撞后起火的情況呢？事發(fā)的一段時(shí)間后，埃隆?馬斯克發(fā)布了相關(guān)的聲明，聲明中說(shuō)到，這次高速事故引發(fā)的車(chē)輛起火是因車(chē)輛底部的電池保護(hù)罩被硬物刺穿，強(qiáng)烈的撞擊使得刺穿的峰值力超過(guò)25噸并把6.35毫米的車(chē)底護(hù)板打了一個(gè)直徑76.2毫米的洞。

隨即，電池總成前部的通風(fēng)孔開(kāi)始向外釋放熱量并導(dǎo)致起火，而當(dāng)消防員趕來(lái)時(shí)采取了傳統(tǒng)的滅火方式，進(jìn)而導(dǎo)致起火面積變大，后來(lái)使用干粉滅火器才將火勢(shì)控制。由于電池總成內(nèi)部為每個(gè)電池模塊都建立了單獨(dú)的防火墻，因此，火勢(shì)沒(méi)有蔓延至其他地方。報(bào)警系統(tǒng)也及時(shí)通過(guò)各種聲音和圖示警告駕駛員盡快離開(kāi)車(chē)輛，最終，駕駛員免于受傷。

編輯總結(jié)：

因?yàn)榕鲎财鸹鸬氖鹿首尳衲旯蓛r(jià)已翻4倍的TESLA股票在當(dāng)日的跌幅達(dá)到8.92%，的確，相比于傳統(tǒng)汽車(chē)起火，電動(dòng)車(chē)起火確實(shí)比較敏感，此前，比亞迪也曾經(jīng)歷過(guò)類(lèi)似的事件。這兩件事放在一起來(lái)看都屬于意外，一個(gè)是被金屬刺穿車(chē)底，一個(gè)是被高速行駛的跑車(chē)攔腰撞擊，這樣的極端情況下即便是傳統(tǒng)汽車(chē)也不能排除起火的可能。

不可否認(rèn)，馬斯克將電動(dòng)車(chē)推向了一個(gè)新的高度，在一定程度上，他用個(gè)人的色彩渲染了TESLA品牌，當(dāng)然，對(duì)于TESLA品牌而言這只是一方面，更重要的是它向我們?cè)忈屃宋磥?lái)的交通工具的樣子。MODEL S應(yīng)該算是個(gè)真正的開(kāi)始，接下來(lái)，除了繼續(xù)打造用戶(hù)體驗(yàn)外，電池的升級(jí)也是產(chǎn)品發(fā)展的關(guān)鍵，在馬斯克眼中，只有超級(jí)電容才能為其所用（充放電速度快），但由于技術(shù)原因，超級(jí)電容還無(wú)法全面滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)的需求?？偠灾诎踩矫?，電動(dòng)車(chē)的制造廠商每一步都會(huì)走得很小心。