特斯拉选择使用18650电芯组成 Roadster的电池系统,总计共使用了6831节电芯,其组成结构如图9-10和图9-11所示。
①由69节18650电芯构成一个“ Brick”,每个“ Brick”中的电芯全部并联在一起图9-12所示。
②9个“ Brick”串联构成一个“Shet”,如图9-13所示。
③11个“Shet”串联之后,构成整个电池系统,在电池系统中,“Shet”是最小的可更换单元,如图9-14所示。
特斯拉之所以在其首款量产电动车上配备由18650电芯组成的电池系统,是其认为过去15年多的时间里18650电芯在消费类电子产品中得到了广泛应用。全球每年要生产数十亿个18650单元,其安全级别不断提高,所积累的先进技术完全能够应用于车载电池领域。并且,消费类电子产品对18650电芯的大量需求可帮助其在降低成本的同时提高电芯的能量密度。另外,由于每个电芯的尺寸较小,因此电芯的能量可控制在较小的范围。与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,也能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”与方形电芯(假设其容量为18650电芯的20倍)相比,约为方形电芯的7倍,这将大大增加18650电芯在散热方面的优势。
为了确保电池系统安全性,特斯拉从电芯到电池系统采取了多种安全措施,如下所示。
1.电芯的安全措施。
①在电芯正极附近装有PTC( posItive temperature coefficient)装置,当电芯内部温度增高时其电阻会相应增高,从而起到限流作用。
②电芯内部均装有CID( current interrupt device),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电芯材料选择会显著影响电芯在热失控情况下的易燃性,并提高燃点温度。
2.电池系统的安全措施。
①电池系统外壳体采用铝材,结构强度较高,并且电池箱体后部设有通气孔,以防止箱体内部气压过高,如图9-15所示。
②每个电芯的正、负极均设有熔丝,如果个别电芯发生短路,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9-16所示。
“Shet”上模架通过绝缘垫片和圆柱形帽结构对电芯正极或负极端面进行限位,并且“Sheet”中个别电芯端面与模架间打胶固定,如图9-17所示。
“Brick”的极板与电池模架之间通过环氧树脂胶固定,电压采样点通过铆接方式与极板相连,如图9-18所示。
③部分“Sheet”设有保险装置,如图9-19所示,“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,保证系统安全。
¨Sheet”之间由金属编织铜排串联,外部有塑料外壳(橙色)提供绝缘保护,其中的红色垫片功能类似铆接螺母,如图9-20所示。
④每个“ Sheet”均设置有电池监控板( battery monitor board,BMB),用以监控“ Sheet”内每个“ Brick”的电压、温度以及整个“ Sheet”的输出电压,如图9-21所示。
⑤电池系统内设置有电池系统监控板( battery system monitor,BSM),其通过相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,如图9-22所示。并且,可以与车辆系统监控板( vehicle system monitor,VSM)通过标准CAN总线实现通信。
冷却液的进、出管路设计为交叉布置方式,共分为4个接口,如图9-26左图所示,接口分别为2个进口和2个出口。
这种设计方式可以有效避免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。另外,每条进、出管道又分为2个子管道(图9-26右图所示)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器元件,其中包括DC/DC、 Relay(2个EV200)、预充电阻、FUSE、BSM等,其型号如图9-27~图9-30所示。
