谈特斯拉纯电动汽车动力锂电池系统的技术优化

世界上没有绝对安全的电池,只有没有完全识别和防范的风险。 充分发挥以人为本的产品安全发展理念。 虽然预防措施不充分,但安全风险是可以控制的。

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以2013年发生在西雅图高速公路上的模型事故为例。 电池组中每个电池模块之间有一个相对独立的空间,由防火结构隔离。 当电池保护罩底部的汽车被硬物刺穿时(冲击力达到25t,分解的底板厚度约为6.35mm,孔径为76.2mm),电池模块受热失控和火灾。 同时,其三级管理系统可以及时激活安全机制,警告驾驶员尽快离开车辆,最终保护驾驶员免受伤害。 特斯拉电动汽车采用的安全设计细节尚不清楚。 因此,我们查阅了特斯拉电动汽车电动储能系统的相关专利,结合现有的技术资料,进行了初步了解,希望别人看错。 我们希望我们能从它的错误中吸取教训,防止错误重演。 同时,可以充分发挥山寨精神,实现吸收创新。

TeslaRoadster 电池组

这款跑车是特斯拉2008年第一款量产的纯电动跑车,全球限量生产2500辆。这款车型搭载的电池组位于座椅后方的行李箱内(如图1所示)。 整个电池组重约450kg,体积约300L,可用能量53kWh,总电压366V。

TeslaRoadster系列电池组由11个模块组成(如图2所示)。 在模块内部,69个单体电芯并联形成一块砖(或“电芯砖”),随后6831块砖串联形成一个模块A电池组,共有XNUMX个单体电芯。 该模块是一个可更换单元。 如果其中一节电池损坏,则必须更换。

包含电池的模块可以更换; 同时,独立模块可以根据模块将单体电池分开。 目前,其单体电池是日本三洋18650生产的重要选择。

用中科院陈立全院士的话来说,电动汽车储能系统单体电池容量选择的争论,就是电动汽车发展路径的争论。 目前,由于电池管理技术等因素的限制,我国电动汽车储能系统多采用大容量方形电池。 不过,与特斯拉类似,由小容量单体电池组装而成的电动汽车储能系统很少,包括杭州科技在内。 哈尔滨科技大学李格臣教授提出了一个新名词“本质安全”,得到了电池行业一些专家的认可。 满足两个条件:一是容量最低的电池,能量极限不足以造成严重后果,单独使用或存放时燃烧或爆炸; 第二,在电池模块中,如果一个容量最低的电池燃烧或爆炸,不会引起其他电芯链燃烧或爆炸。 考虑到目前锂电池的安全水平,杭州科技也采用小容量圆柱锂电池,采用模块化并联和串联方式组装电池组(请参考CN101369649)。 电池连接装置及组装图如图3所示。

电池组的头部也有一个突起(图8中的P5区域,对应于图4右侧的突起)。 安装两个电池模块进行堆叠和放电操作。 电池组共有 5,920 个单体电池。

电池组内的8个区域(包括突出部分)相互完全隔离。 首先,隔离板增加了电池组的整体结构强度,使整个电池组结构更加坚固。 第二,当一个区域的电池着火时,可以有效地阻止其他区域的电池着火。 垫片内部可填充高熔点低导热材料(如玻璃纤维)或水。

电池模组(如图6所示)被S形隔板内侧分成7个区域(图1中m7-M6区域)。 S形隔离板为电池模块提供冷却通道,并连接到电池组的热管理系统。

与Roadster电池组相比,虽然模型电池组在外观上有明显变化,但独立隔板防止热失控蔓延的结构设计仍在继续。

与Roadster电池组不同的是,单体电池平放于车内,Model Model电池组的单体电池垂直排列。 由于单体电池在碰撞过程中会受到挤压力,轴向力比径向力更容易沿着铁芯绕组产生热应力。 由于内部短路失控,理论上跑车电池组比其他方向更容易发生侧面碰撞。 容易发生应力和热失控。 当模型电池组在底部受到挤压和碰撞时,更容易发生热失控。

三级电池管理系统

与大多数追求更先进电池技术的厂商不同,特斯拉选择了更成熟的18650锂电池,而不是更大的方形电池,其三级电池管理系统。 分级管理设计,可同时管理数千个电池。 电池管理系统框架如图7所示,以特斯拉的oadster三级电池管理系统为例:

1)在模块层面,设置电池监控器(BatteryMonitorboard,BMB),监控模块中每块砖(作为最小管理单元)的单体电池电压,每块砖的温度,输出电压整个模块。

2)在电池组层面设置BatterySystemMonitor(BSM),监控电池组的运行状态,包括电流、电压、温度、湿度、位置、烟雾等。

3) 在车辆层面,设置 VSM 来监控 BSM。

此外,过流保护、过压保护、绝缘电阻监测等技术分别体现在美国专利US20130179012、US20120105015、US20130049971A1中。