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特斯拉电池组拆解及热管理系统解读

   次浏览   热设计   2021-02-27

不知各位是否记得国内有个叫游侠汽车的团队在打造纯电动车,2个月前他们的Demo已经能跑起来了。但说白了,那只是一辆从二手现代酷派跑车改装过来的电动车,他们距离真正制造一辆电动车还有很长的路要走。
不过,前一阵子GeekCar的小伙伴听说游侠汽车拆解了一辆Tesla。俗话说得好,要成功必须向成功者学习。所以游侠汽车用这种“简单粗暴”的方式向Tesla学习的精神倒是挺值得称赞的。
于是我们实地走访了游侠汽车的“制造工厂”,终于见到了这辆被完全拆散的Tesla。这一次先和大家分享一下Tesla的电池部分。
我们都知道85kW‧h版本的Tesla电池组由近7000节18650锂电池构成。但电池组的实际情况,却没多少人见过。之前网上发布的电池分析大都是基于Tesla的电池专利而分析得出的。这次就由GeekCar的小伙伴为大家揭开Tesla电池的最后一层神秘面纱。
电池模块
这张图是Model S底盘整个电池组的全景图,Model S一共有16块电池组,最下面的空挡那块原来有两块电池,上图中已经被游侠汽车拆了下来。
Tesla在每一块电池组上都覆盖一块玻纤板对电池进行简单的保护。每两块电池之间都有金属梁隔开。图中左下角是整个电池组的保险丝,右侧是电池的冷却液接口和冷却液加注口。
单块电池组
这块儿就是Tesla非常高大上锂电池组,在这块板上一共有444节电池,每74节并联成一组,整块电池板由6组电池串联而成。所以我们可以算出在这款Tesla Model S 85车型上一共有7104节18650锂电池。
电池组的6块分区排布见上图红线部分。这块电池板正反面的构造是呈中心对称的,至于为什么排列成这样,想必一定是经过大量测试和验证的。GeekCar猜测这么排列是为了获取更低的平均电阻率以及配合散热管道实现更好的散热。
电池组中间的那几根线一边连接着电池的极板,另一头连到电池控制模块,这些线是用来检测电池组的电压,从而保证电池组正常工作的。
再仔细看可以发现,每一节电池上都有一根很细的保险丝,这个是用来保护整个电池组的,当单节电池出现温度过高之类的异常现象时,保险丝会自动熔断,以达到保护整个电池组的目的(每节电池的正负极都会有一根保险丝)。
这么多保险丝需要焊接在电路板上是一项非常大的工程,从工艺上来看应该是由专门的机器人使用超声波焊接完成的。
BMS主控芯片
Tesla的电池主控模块,从PCB板上印刷的logo来看,这块电路板是完全由Tesla自行研发的。电路板上使用了大量的电阻和电容进行信号调理,光是在我们看到的这一面就有6组电信号的采集线路。
由于Tesla使用的是18650锂电池,这种锂电池就是我们笔记本电脑中使用的电池,所以其电控方面的技术是非常成熟的,虽然我想了很多办法还是无法看清楚主板上芯片的型号,但还是能推测出上面主要有充放电管理芯片和电池计量管理芯片,相比笔记本电池,其复杂的地方应该在多路的电池信号采集和控制算法上,毕竟电动汽车成百上千节电池的监控和笔记本电脑10节左右的电池监控不在一个数量级上。
Tesla的电池热管理系统
在之前各大媒体公布的消息中,我们得知Tesla是有一套专门的液体循环温度管理系统围绕着每一节单体电池的,但其具体构造,却始终未能见到。有媒体在报道中是这么说的“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。”
游侠汽车拆解的车型是Model S 85型,并未选配寒冷气候套装。在工程师的介绍下,我们终于看到了Tesla热管理系统的内部构造。
上图中的电池组外壳部分已经被游侠汽车暴力拆解,部分电池被取出。
感谢暴力拆解,使我们终于看到了电池组内部的构造,在锂电池组内部,灌注水乙二醇的导热铝管呈S形状环绕,图中左右两侧的接口为水乙二醇液体的循环接口,在铝管外还包裹着一层橘黄色的绝缘胶带。为防止绝缘胶带意外破裂,导致铝管与锂电池外壳接触造成短路,Tesla在铝管外部还加了一层绝缘胶进行隔离。在其他没有铝管通过的电池之间,也使用了一层绝缘胶进行隔离。
在我第一眼看到Tesla的电池做这么多层的绝缘隔离时,我还是非常惊讶的。想了一下才明白过来,Tesla使用的18650锂电池是定制的,不像我们平时看到的锂电池一样有一层绝缘外衣,其裸露在外的电池外壳都是电池负极,一旦外壳被导体连上,就可能造成短路,严重时甚至会发生起火事故,其后果将不堪设想。
所以Tesla在电池组内部做的多层绝缘防护还是非常必要的,从目前看到设计结构来说Tesla的防护措施是值得信赖的。

未拆解的锂电池组细节图

不会流动的“冷却液”?
在拆解完Tesla之后,游侠汽车的小伙伴告诉了我一个令人非常惊讶的消息,Tesla散热铝管内的“冷却液”并不会流动!
当我听到这个消息的时候,第一反应是震惊,Tesla费了这么大的周折把铝管弄到电池中间去,却只是包裹着电池,其中的“冷却液”不会流动?这就是世界上最先进的汽车锂电池热管理方案吗?
带着震惊和疑问,我仔仔细细的检查了散热铝管的每一部分,很遗憾,我没有发现任何类似泵和温度控制的器件。Tesla电池的“冷却液”就是不会主动流动的。
我眼前摆放的这套目前世界上最先进的汽车锂电池热管理方案,着实让我震惊了一下。但既然Tesla这么做了,那就一定有他的道理。

锂电池工作液体接口

那包裹着电池的水乙二醇“冷却液”究竟是做什么用的呢?
带着疑问我查阅了一些相关资料,又和游侠汽车的小伙伴进行了一下交流。我们得出的结论是,“冷却液”是用来保持电池的温度一致性的。由于Tesla电池的密集摆放,中心区域聚集的热量相比周边必然会多很多,若是没有铝管传递热量来保持电池温度的一致性,必将造成各单体电池之间的温度不均衡,最终会影响电池性能的一致性及电池荷电状态(SOC)估计的准确性,从而影响到电动车的系统控制。
虽然Tesla使用的是电池一致性极高的18650钴酸锂锂电池。对于这种电池坊间甚至戏称“你买了同一批次的18650锂电池,若是仪器检测出电池性能不一致,你首先要怀疑是不是你的仪器出问题了?”
但是即便Tesla使用的是一致性如此高的电池,也无法保证电池在实际工作中的一致性。因为电池在不同温度下的热耗率(每产生1kW·h的电能所消耗的热量)是不一样的,这是由于电池内部的化学反应与温度是密切相关的。如果电池在绝热或者高温等热传递不充分的内部环境中运行,电池温度将会显著上升,从而导致电池组内部形成“热点”,最终可能产生热失控。
而电池一致性一旦出现问题,对于整个电池组的寿命将会产生很大的影响。所以Tesla使用了高传热效率的铝管和高比热容的液体冷却方案来保持电池温度的一致性,这样做不仅是出于安全,对电动车的续航也是至关重要的。
据称Tesla使用的电池热管理系统可以将一块电池组内各单体电池的温度差异控制在±2℃以内。在2013年6月的一份报告中显示,在行驶10万英里后Tesla Roadster的电池组容量仍能维持在初始容量的80%-85%,而且电池容量的衰减只与行驶里程数明显相关,与环境温度和车龄的关系不明显。可见Tesla对电池衰减的良好控制,离不开电池热管理系统的有力支撑。

锂电池组工作液体接口及工作液体灌注接口

据相关资料显示,Tesla铝管内的工作液体配方是由50%的水和50%的乙二醇组成的。这是为了避免在低温环境下工作液体结冰的情况发生。上图中从管道中流出的绿色液体就是Tesla的工作液体。
Tesla的“冷却液”到底会不会流动?
在Tesla的专利中指出“隔离板内部的水可以是静态的也可以是流动的”。
虽然那份专利是在很早以前提交的,但是关于电池工作液体(冷却液)循环部分还是有些地方值得思考的。我们看到的这款Model S采用的是被动式的温度管理系统,设施比较简单,相对成本也较低。那Tesla是不是也有一套主动的温度管理系统呢?这么做虽然会附加一些的功率元件,但是让汽车内的工作液体流动起来,其整体热管理系统将会更加的有效。
对此游侠汽车的小伙伴提出了新的猜测,若是选购寒冷气候套装,温度管理模块会不会使用主动式的呢?
我们猜测使用主动式的温度管理系统,只需要在现有的电池温度控制模块中加入一个泵和工作液体加热装置,就可以使脆弱的锂电池在极寒环境下保证良好的工作温度。
但是具体是否如此,我们就不得而知了,期待有大神再次拆解带有寒冷套件的Tesla,向我们揭秘Tesla在极寒环境下的电池保温系统。
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