特斯拉汽車電池連接系統(tǒng)分析

2016年8月16日，特斯拉ModelS90D車輛在法國西南部城市比亞里茨(Biarritz)路試時(shí)發(fā)生起火，車輛盡毀，所幸并無人員傷亡，并且在事故前，車輛就發(fā)出了警報(bào)，足見Tesla在電動(dòng)汽車安全方面的工作做得還是非常到位。盡管如此，自上市以來Tesla還是經(jīng)歷了種種“取經(jīng)磨難”，這里先為大家梳理出Tesla的主要安全事故：

　　世界上沒有絕對(duì)安全的電池，只有沒有充分識(shí)別和預(yù)防的風(fēng)險(xiǎn)。充份運(yùn)用以人為本的產(chǎn)品安全開發(fā)理念，預(yù)防措施雖然不夠充分，但安全風(fēng)險(xiǎn)尚可控制。

　　以2013年ModelS在西雅圖高速路上的事故為例，電池包內(nèi)電池模組之間都有相對(duì)獨(dú)立的空間并由防火結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離，當(dāng)車輛底部的電池保護(hù)罩被硬物刺穿(沖擊力達(dá)到25t，并將厚度約6.35mm的車底護(hù)板擊穿形成直徑76.2mm的孔洞)時(shí)，造成電池模組發(fā)生熱失控而起火，但火勢并沒有迅速蔓延至整個(gè)電池包;同時(shí)，其三級(jí)管理系統(tǒng)也能及時(shí)啟動(dòng)安全機(jī)制，警告駕駛員盡快離開車輛，最終，駕駛員免于受傷。

　　Tesla電動(dòng)汽車究竟運(yùn)用了何種安全設(shè)計(jì)，其詳情不得而知，因此，我們查詢了Tesla電動(dòng)汽車有關(guān)電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的相關(guān)專利，并結(jié)合目前可獲得的技術(shù)信息，圖管中窺豹，期望“他山之石，可以為錯(cuò);他山之石，可以攻玉”，希望能以其失誤為鑒,避免重蹈覆轍，同時(shí)也能充分發(fā)揮山寨之精神，實(shí)現(xiàn)吸收再創(chuàng)新。

　　Tesla Roadster電池包

　　Roadster是Tesla于2008年量產(chǎn)的首款純電動(dòng)跑車，全球限量2500臺(tái)。該車型搭載的電池包位于座椅后面的行李箱中(如圖1所示)，整個(gè)電池包的重量約450kg，體積約300L，可用能量53kWh，總電壓366V。

　　圖1 Tesla Roadster的電池包在車輛內(nèi)安裝位置(左)和實(shí)物圖(右)

　　Tesla Roadster電池包由11個(gè)模組串聯(lián)構(gòu)成(如圖2所示);在模組內(nèi)部，先由69節(jié)單體電芯并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)Brick(或稱之為“電池磚”)，再由9個(gè)Brick串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)模組，整個(gè)電池包中共有6831節(jié)單體電芯。模組是可更換的單元，如果某節(jié)電池出問題需要更換，

　　圖2 Tesla Roadster的電池包示意圖(左)和裝配實(shí)物圖(右)

　　可以將包含這節(jié)電池的模組進(jìn)行更換;同時(shí)各自獨(dú)立的模組也能將單體電芯以模組為單元進(jìn)行分隔。目前，其單體電芯主要選用日本Sanyo生產(chǎn)的18650型鋰離子電池。

　　電動(dòng)汽車儲(chǔ)能系統(tǒng)有關(guān)單體電芯容量選型的“大”“小”之爭,按中科院陳立泉院士的話說就是電動(dòng)汽車發(fā)展路線之爭。目前，由于電池管理技術(shù)的限制等多種因素，國內(nèi)電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能系統(tǒng)多采用大容量方形電池，而與Tesla類似采用小容量單體電芯組裝電動(dòng)汽車儲(chǔ)能系統(tǒng)的并不多，其中就包括杭州賽恩斯。

　　該公司來自哈爾濱理工的李革臣教授提出了一個(gè)新名詞“本征安全性”，在電池行業(yè)內(nèi)獲得了部分專家認(rèn)同，即滿足兩個(gè)條件：一是最小容量電芯，其能量限制為單獨(dú)使用或存放時(shí)若發(fā)生燃燒或爆炸不足以產(chǎn)生嚴(yán)重后果;二是在電池模塊中，一個(gè)最小容量電芯若發(fā)生燃燒或爆炸，不會(huì)引起其他電芯連鎖燃燒或爆炸?？紤]到當(dāng)前鋰離子電池的安全性水平，杭州賽恩斯也采用小容量圓柱形鋰離子電芯，并采用模塊化并聯(lián)和串聯(lián)連接方式裝配電池組(可參考CN 101369649)，其電池連接裝置及組裝示意圖如圖3所示。

　　圖3杭州賽恩斯電池串并聯(lián)連接裝置和組裝示意圖

　　Tesla ModelS電池包

　　圖4 Tesla Roadster的電池包在車輛內(nèi)安裝位置(左)和實(shí)物圖(右)

　　Tesla于2012年量產(chǎn)的ModelS電池包與Roadster明顯不同，其電池包位于車輛底盤下方(如圖4所示)，并被金屬鋁板覆蓋，總體為平板型布局。參考美國專利US8286743 B2可知：

　　Model S電池包(如圖5所示)在內(nèi)部被隔離板劃分為7個(gè)區(qū)域(圖5中P1-P7區(qū)域)，每個(gè)區(qū)域安裝有兩個(gè)電池模組，每個(gè)模組內(nèi)有370節(jié)單體電芯。

　　在電池包頭部還有一個(gè)突出部分(圖5中P8區(qū)域，對(duì)應(yīng)于圖4右圖所示突起部分)，安裝了兩個(gè)電池模組，堆疊排放，電池包內(nèi)共有5920節(jié)單體電芯。

　　電池包內(nèi)8個(gè)區(qū)域(包括突出部分)相互之間是完全隔絕的，一是通過隔離板增加了電池包整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使整個(gè)電池包結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)挺;二是當(dāng)某個(gè)區(qū)域的電池起火時(shí)能有效阻隔，避免引燃其他區(qū)域的電池。隔離板內(nèi)部可以被填充高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)的材料(例如玻璃纖維)或水。

　　電池模組(如圖6所示)其內(nèi)部被“S”型隔離板劃分為7個(gè)區(qū)域(圖6中M1-M7區(qū)域)，“S”型隔離板內(nèi)部為電池模組的冷卻通道，并與電池包的熱管理系統(tǒng)相連接。

　　與Roadster電池包相比較，雖然Model S電池包在外形上有較大變化，但通過獨(dú)立分區(qū)以實(shí)現(xiàn)阻斷熱失控發(fā)生蔓延的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍得到延續(xù)。

　　與Roadster電池包中的單體電芯在車輛內(nèi)部均平躺排布不同，Model S電池包中的單體電芯均豎立排布。由于單體電芯在發(fā)生碰撞擠壓而受到外力作用時(shí)，沿卷芯軸向受力比徑向方向上受力更容易因內(nèi)部短路而發(fā)生熱失控，因而從理論上講，Roadster電池包在側(cè)面遭受碰撞擠壓時(shí)比在其他方向受力更容易發(fā)生熱失控，而Model S電池包在底面遭受碰撞擠壓時(shí)，則更容易發(fā)生熱失控。

　　圖5Tesla Model S電池包的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖6Tesla Model S電池包內(nèi)的模組示意圖

　　三級(jí)電池管理系統(tǒng)

　　與大部分追求更先進(jìn)電池技術(shù)的廠商不太一樣，Tesla沒有選用容量更大的方形電池，而是采用了較為成熟的18650型鋰離子電池，正是因?yàn)門esla研發(fā)的三級(jí)電池管理系統(tǒng)。通過采取分層管理的設(shè)計(jì)，可以同時(shí)對(duì)數(shù)千節(jié)電池進(jìn)行管理，其電池管理系統(tǒng)框架如圖7所示。以Tesla Roadster三級(jí)電池管理系統(tǒng)為例：

　　1)在模組的層面上，均設(shè)置有BMB (Battery Monitor board)，監(jiān)控模組內(nèi)的每Brick(作為最小管理單元)中各個(gè)單體電芯的電壓、各Brick的溫度以及整個(gè)模組的輸出電壓;

　　2)在電池包的層面上，設(shè)置有BSM (BatterySystem Monitor),監(jiān)控整個(gè)電池包的運(yùn)行狀態(tài)，包括電池包的電流，電壓，溫度，濕度，方位，煙霧等;

　　3)在整車層面，設(shè)置有VSM (Vehicle System Monitor)，用以監(jiān)控BSM。

　　另外，在美國專利US20130179012、US 20120105015、US20130049971 A1分別體現(xiàn)了過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、絕緣阻抗監(jiān)控等技術(shù)。

　　圖7 Tesla Roadster三級(jí)電池管理系統(tǒng)架構(gòu)示意圖