電池作為電動汽車的核心部件之一，如何做到續(xù)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一直是整個新能源汽車產(chǎn)業(yè)聚焦的所在，其中在動力電池方面有著獨特性能表現(xiàn)的特斯拉成為行業(yè)研究的對象。日前，在特斯拉舉辦的“T-talk”線下分享討論會上，蓋世汽車對特斯拉在電池方面的技術(shù)布局進(jìn)行了一番深入了解。
首先，在電池的物理基礎(chǔ)層面上，比如電芯的正極材料上，特斯拉采用的是能量密度更高的鎳鈷鋁（NCA）材料，且在量產(chǎn)電芯上成功應(yīng)用了硅碳負(fù)極材料，大大提升電芯能量密度；在電池包上，特斯拉創(chuàng)新研發(fā)的CTP大模組設(shè)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(yōu)化了組裝工藝，節(jié)省了人力、物力及維修成本。
據(jù)特斯拉相關(guān)工作人員介紹，特斯拉采用的大模組設(shè)計，電池包中有近百個電芯，每節(jié)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(jié)電芯，一個電芯只占2%左右的能量，如其中一個電芯發(fā)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(fā)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。”
在冷卻方法上，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(yōu)勢，通過更大接觸面的冷卻介質(zhì)，不但能快速帶走電芯熱量，控制整個電池溫度，進(jìn)一步提高電池安全可靠性，更能配合特斯拉不斷發(fā)展的高功率快速充電。
阻燃設(shè)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(fā)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(cè)都帶有水平指向車外的排氣口，一旦發(fā)生熱失控，過熱氣體將迅速排出，以便減小火情影響。
防水同樣是安全性提升的重要一環(huán)。特斯拉電池包采用密封設(shè)計，可以有效防止水進(jìn)入。萬一有巨大水壓破壞密封結(jié)構(gòu)，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(fā)現(xiàn)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。
“特斯拉的電池優(yōu)勢不是一個電芯，或者一個電池包的單點優(yōu)勢，而是從整車設(shè)計出發(fā)，通盤考慮電池容量、續(xù)航、風(fēng)阻、性能等，從而達(dá)到物理技術(shù)和智能軟件的整體平衡。”上述工作人員強(qiáng)調(diào)說到，而要達(dá)到物理和軟件的整體平衡，不得不提特斯拉高度集成的“電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)”和“電池管理系統(tǒng)BMS”。
據(jù)介紹，特斯拉電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)類似高性能電腦的水冷散熱器，即電池被管道包圍，而管道內(nèi)流動著二元醇型冷卻液，它能夠兼顧制熱和制冷兩種工況，電池、電機(jī)、車載充電器和空調(diào)系統(tǒng)均與熱管理系統(tǒng)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(jī)產(chǎn)生的多余熱量可被用于幫助電池達(dá)到最佳的工作溫度。當(dāng)然，冷卻液可改變循環(huán)路徑，從另一方向泵入，確保系統(tǒng)已升溫或冷卻至最佳工作溫度。“特斯拉特有的Superbottle專利技術(shù)將傳統(tǒng)冷卻液儲罐提升成了智能冷卻液儲罐，集成了側(cè)面的兩個水泵、切換閥、散熱器和電子控制器。”
目前，更新后的Model Y和新款Model 3在熱管理系統(tǒng)上引入了熱泵的熱管理方式，該方式通過控制膨脹閥開度，止向閥動作來控制冷媒的循環(huán)，通過控制八通閥 OctoValve 的位置來控制冷卻液的循環(huán)，整個控制系統(tǒng)總共12種制熱模式，3 種制冷模式，非常復(fù)雜。“通過精密復(fù)雜的多種模式控制，特斯拉電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)保持電池溫度穩(wěn)定，以便長期和短期內(nèi)提高車輛續(xù)航、最大化電池壽命、提升里程，優(yōu)化整體性能。”
除了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)外，電池管理系統(tǒng)BMS也是特斯拉電池效能優(yōu)勢的一大助力。BMS系統(tǒng)內(nèi)每個區(qū)域都設(shè)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(jiān)測電池的絕緣特性，確保電池高壓與車身充分隔離；系統(tǒng)還會對上述監(jiān)測功能實時進(jìn)行診斷和校驗。這就保證電池的工作狀態(tài)始終維持在滿足車輛要求的動力情況下，保護(hù)電池單體免受損壞，防止出現(xiàn)安全事故，另外延長電池的使用壽命。
在整車架構(gòu)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(jié)構(gòu)鋁合金制作，內(nèi)部有加強(qiáng)梁支撐，堅固的結(jié)構(gòu)無形中也為車輛乘員艙增加了一層保護(hù)。此外，特斯拉在電池外殼與電池芯底部之間設(shè)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(jīng)驗所總結(jié)的優(yōu)秀成果，異常堅固的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得特斯拉電池包在實際用車中極少遭到嚴(yán)重的損壞。
整體來看，從最基礎(chǔ)的電芯到模組再到整車設(shè)計，特斯拉均集成了多種科技和防護(hù)技術(shù)，可以說將電池安全上升到了一個新高度。也正因此，特斯拉幾乎可以做到同時滿足多個國家和地區(qū)的動力電池強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，如中國GB 系列；國際 UN、 IEC、ISO 系列以及行業(yè) SAE系列等。
“特斯拉每一款電池和電芯在上市前，都必須通過比國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)苛的內(nèi)部測試，其中涉及電芯安全和電池安全測試項目可達(dá)上百項，例如各類常見的濫用試驗等。上千項的性能，機(jī)械，電氣，環(huán)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(chǎn)品正式量產(chǎn)。”上述工作人員最后強(qiáng)調(diào)表示。
來源：蓋世汽車
作者：雷云
