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談特斯拉純電動汽車動力鋰電池系統的技術優化
世界上沒有絕對安全的電池,只有沒有完全識別和防範的風險。 充分發揮以人為本的產品安全發展理念。 雖然預防措施不充分,但安全風險是可以控制的。
以2013年發生在西雅圖高速公路上的模型事故為例。 電池組中每個電池模塊之間有一個相對獨立的空間,由防火結構隔離。 當電池保護罩底部的汽車被硬物刺穿時(衝擊力達到25t,分解的底板厚度約為6.35mm,孔徑為76.2mm),電池模塊受熱失控和火災。 同時,其三級管理系統可以及時激活安全機制,警告駕駛員盡快離開車輛,最終保護駕駛員免受傷害。 特斯拉電動汽車採用的安全設計細節尚不清楚。 因此,我們查閱了特斯拉電動汽車電動儲能係統的相關專利,結合現有的技術資料,進行了初步了解,希望別人看錯。 我們希望我們能從它的錯誤中吸取教訓,防止錯誤重演。 同時,可以充分發揮山寨精神,實現吸收創新。
TeslaRoadster 電池組
這款跑車是特斯拉2008年第一款量產的純電動跑車,全球限量生產2500輛。這款車型搭載的電池組位於座椅後方的行李箱內(如圖1所示)。 整個電池組重約450kg,體積約300L,可用能量53kWh,總電壓366V。
TeslaRoadster系列電池組由11個模塊組成(如圖2所示)。 在模塊內部,69個單體電芯並聯形成一塊磚(或“電芯磚”),隨後6831塊磚串聯形成一個模塊A電池組,共有XNUMX個單體電芯。 該模塊是一個可更換單元。 如果其中一節電池損壞,則必須更換。
包含電池的模塊可以更換; 同時,獨立模塊可以根據模塊將單體電池分開。 目前,其單體電池是日本三洋18650生產的重要選擇。
用中科院陳立全院士的話來說,電動汽車儲能係統單體電池容量選擇的爭論,就是電動汽車發展路徑的爭論。 目前,由於電池管理技術等因素的限制,我國電動汽車儲能係統多采用大容量方形電池。 不過,與特斯拉類似,由小容量單體電池組裝而成的電動汽車儲能係統很少,包括杭州科技在內。 哈爾濱科技大學李格臣教授提出了一個新名詞“本質安全”,得到了電池行業一些專家的認可。 滿足兩個條件:一是容量最低的電池,能量極限不足以造成嚴重後果,單獨使用或存放時燃燒或爆炸; 第二,在電池模塊中,如果一個容量最低的電池燃燒或爆炸,不會引起其他電芯鏈燃燒或爆炸。 考慮到目前鋰電池的安全水平,杭州科技也採用小容量圓柱鋰電池,採用模塊化並聯和串聯方式組裝電池組(請參考CN101369649)。 電池連接裝置及組裝圖如圖3所示。
電池組的頭部也有一個突起(圖8中的P5區域,對應於圖4右側的突起)。 安裝兩個電池模塊進行堆疊和放電操作。 電池組共有 5,920 個單體電池。
電池組內的8個區域(包括突出部分)相互完全隔離。 首先,隔離板增加了電池組的整體結構強度,使整個電池組結構更加堅固。 第二,當一個區域的電池著火時,可以有效地阻止其他區域的電池著火。 墊片內部可填充高熔點低導熱材料(如玻璃纖維)或水。
電池模組(如圖6所示)被S形隔板內側分成7個區域(圖1中m7-M6區域)。 S形隔離板為電池模塊提供冷卻通道,並連接到電池組的熱管理系統。
與Roadster電池組相比,雖然模型電池組在外觀上有明顯變化,但獨立隔板防止熱失控蔓延的結構設計仍在繼續。
與Roadster電池組不同的是,單體電池平放於車內,Model Model電池組的單體電池垂直排列。 由於單體電池在碰撞過程中會受到擠壓力,軸向力比徑向力更容易沿著鐵芯繞組產生熱應力。 由於內部短路失控,理論上跑車電池組比其他方向更容易發生側面碰撞。 容易發生應力和熱失控。 當模型電池組在底部受到擠壓和碰撞時,更容易發生熱失控。
三級電池管理系統
與大多數追求更先進電池技術的廠商不同,特斯拉選擇了更成熟的18650鋰電池,而不是更大的方形電池,其三級電池管理系統。 分級管理設計,可同時管理數千個電池。 電池管理系統框架如圖7所示,以特斯拉的oadster三級電池管理系統為例:
1)在模塊層面,設置電池監控器(BatteryMonitorboard,BMB),監控模塊中每塊磚(作為最小管理單元)的單體電池電壓,每塊磚的溫度,輸出電壓整個模塊。
2)在電池組層面設置BatterySystemMonitor(BSM),監控電池組的運行狀態,包括電流、電壓、溫度、濕度、位置、煙霧等。
3) 在車輛層面,設置 VSM 來監控 BSM。
此外,過流保護、過壓保護、絕緣電阻監測等技術分別體現在美國專利US20130179012、US20120105015、US20130049971A1中。