(1)组成结构特斯拉选择使用18650电芯组成 Roadster的电池系统,总计应用了6831节电芯。其组成结构如图7-39和图7-40所示。
①由69节18650电芯组成一个“ Brick”,每个“ Brick”中的电芯全部并联在一起,如图7-41所示。
②9个“ Brick”串联形成一个“She”,如图7-42所示。
③11个“Shet”串联之后,构成整个电池系统,在电池系统中,“Shet”为最小的可更换单元,如图7-43所示。
特斯拉之所以在其首款量产电动汽车上布置由18650电芯组成的电池系统,是因为过去15年的时间里18650电芯在消费类电子产品中得到了广泛的应用。全球每年要生产数十亿个18650单元,其安全级别不断提升,所积累的先进技术完全能够应用在车载电池领域。并且,消费类电子产品对18650电芯的大量需求可以帮助其在降低成本的同时提高电芯的能量密度。另外,因为每个电芯的尺寸较小,则电芯的能量可控制在较小的范围。和使用大尺寸电芯的电池组相比,即使电池组的某个电芯发生故障,也可以降低故障带来的影响。
从散热角度分析,18650电芯的“表面积/体积”和方形电芯(假设其容量为18650电芯的20倍)相比,约为方形电芯的7倍,这将明显增加18650电芯在散热方面的优势。
(2)安全措施。
为了保证电池系统安全性,特斯拉从电芯到电池系统采取了多种安全措施。
电芯的安全措施如下。
①在电芯正极附近装有PTC装置,当电芯内部温度升高时其电阻会相应增高,从而起到限流作用。
②电芯内部都装有CID,当电芯内部压力超过安全限值时会自动断开,从而切断内部电路。
③电芯材料选择,显著影响电芯在热失控情况下的易燃性,并提高燃点温度。
电池系统的安全措施如下。
①电池系统外壳体采用铝材,结构强度较高,并且电池箱体设置有通气孔,以防止箱体内部气压过高,如图7-44所示。
②每个电芯的正、负极均设有熔丝,若个别电芯发生短路,此安全设计可以实现问题电芯与系统之间电路快速断开,如图7-45所示。
“Shee”上模架通过绝缘垫片与圆柱形帽结构对电芯正极或负极端面进行限位,并且“Shee”中个别电芯端面与模架间打胶固定。
“Brick”的极板和电池模架之间通过环氧树脂胶固定,电压采样点通过接方式与极板相连。
③部分“ Sheet”设置有保险装置。“U”表示无保险,“F”表示有保险。一旦“ Sheet电流超过限值,保险立刻熔断,确保系统安全。
“Sheet”之间由金属编织铜排串联,外部具有塑料外壳提供绝缘保护,其中垫片功能类似铆接螺母。
④每个“ Sheet”都设置有电池监控板—BMB,用以监控“Shee”内每个“ Brick”的电压、温度以及整个“ Sheet”的输出电压。
⑤电池系统内设置有电池系统监控板—BSM,其通过对应传感器监控整个电池系统的工作环境,其中包括电流、电压、温度、湿度、烟雾以及惯性加速度(用于监测车辆是否发生碰撞)、姿态(用于监测车辆是否发生翻滚)等。并且可以和车辆系统监控板—VSM通过标准CAN总线实现通信。
⑥电池系统内部设置有冷却装置,冷却液为水与乙二醇的混合物(比例为1:1)。
电池系统中共计6831个18650电芯,其表面积合计可以达到约27m2,而且每个18650电芯附近都布置有冷却管路,冷却管路与电芯间填充有绝缘导热胶质材料,固化后十分坚硬。在这些因素的作用下,电芯可以将热量快速传递到外部环境,并在电池系统内部保持热平衡。
冷却液的进、出管路设计为交叉布置方式,共分为4个接口。接口分别为2个进口与2个出口。
这种设计方式可以有效地防止因为管道过长而使得管道始、末端冷却液温度差异过大,进而造成电芯温度差异过大。此外,每条进、出管道又分为2个子管道,使得冷却液与管道接触面积增加,提高热传递效率。
⑦高压电气系统设计特点。电池箱体内部由11个“ Sheet”串联,两边空隙处安装各电气元件,包括DC/DC、 Relay(2个EV200)、预充电阻、FUSE、BSM等。
