特斯拉汽車電池連接係統分析

2016年8月16日，特斯拉ModelS90D車輛在法國西南部城市比亞裏茨(Biarritz)路試時發生起火
，車輛盡毀
，所幸並無人員傷亡，並且在事故前，車輛就發出了警報，足見Tesla在電動汽車安全方麵的工作做得還是非常到位。盡管如此，自上市以來Tesla還是經曆了種種“取經磨難”
，這裏先為大家梳理出Tesla的主要安全事故：

　　世shi界jie上shang沒mei有you絕jue對dui安an全quan的de電dian池chi，隻zhi有you沒mei有you充chong分fen識shi別bie和he預yu防fang的de風feng險xian。充chong份fen運yun用yong以yi人ren為wei本ben的de產chan品pin安an全quan開kai發fa理li念nian，預yu防fang措cuo施shi雖sui然ran不bu夠gou充chong分fen
，但dan安an全quan風feng險xian尚shang可ke控kong製zhi。

　　以2013年ModelS在zai西xi雅ya圖tu高gao速su路lu上shang的de事shi故gu為wei例li
，電dian池chi包bao內nei電dian池chi模mo組zu之zhi間jian都dou有you相xiang對dui獨du立li的de空kong間jian並bing由you防fang火huo結jie構gou進jin行xing隔ge離li，當dang車che輛liang底di部bu的de電dian池chi保bao護hu罩zhao被bei硬ying物wu刺ci穿chuan(衝擊力達到25t

，並將厚度約6.35mm的車底護板擊穿形成直徑76.2mm的孔洞)時，造成電池模組發生熱失控而起火
，但火勢並沒有迅速蔓延至整個電池包;同時
，其三級管理係統也能及時啟動安全機製，警告駕駛員盡快離開車輛，最終

，駕駛員免於受傷。

　　Tesla電動汽車究竟運用了何種安全設計
，其詳情不得而知
，因此
，我們查詢了Tesla電動汽車有關電能存儲係統的相關專利，並結合目前可獲得的技術信息
，圖管中窺豹，期望“他山之石，可以為錯;他山之石，可以攻玉”，希望能以其失誤為鑒,避免重蹈覆轍
，同時也能充分發揮山寨之精神，實現吸收再創新。

　　Tesla Roadster電池包

　　Roadster是Tesla於2008年量產的首款純電動跑車，全球限量2500台。該車型搭載的電池包位於座椅後麵的行李箱中(如圖1所示)，整個電池包的重量約450kg，體積約300L，可用能量53kWh
，總電壓366V。

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

　　Tesla Roadster電池包由11個模組串聯構成(如圖2所示);在模組內部，先由69節單體電芯並聯構成一個Brick(或稱之為“電池磚”)
，再由9個Brick串聯構成一個模組，整個電池包中共有6831節單體電芯。模組是可更換的單元，如果某節電池出問題需要更換
，

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

　　可以將包含這節電池的模組進行更換;同時各自獨立的模組也能將單體電芯以模組為單元進行分隔。目前，其單體電芯主要選用日本Sanyo生產的18650型鋰離子電池。

　　電動汽車儲能係統有關單體電芯容量選型的“大”“小”之爭,按(an)中(zhong)科(ke)院(yuan)陳(chen)立(li)泉(quan)院(yuan)士(shi)的(de)話(hua)說(shuo)就(jiu)是(shi)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)發(fa)展(zhan)路(lu)線(xian)之(zhi)爭(zheng)。目(mu)前(qian)，由(you)於(yu)電(dian)池(chi)管(guan)理(li)技(ji)術(shu)的(de)限(xian)製(zhi)等(deng)多(duo)種(zhong)因(yin)素(su)，國(guo)內(nei)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)的(de)儲(chu)能(neng)係(xi)統(tong)多(duo)采(cai)用(yong)大(da)容(rong)量(liang)方(fang)形(xing)電(dian)池(chi)，而(er)與(yu)Tesla類似采用小容量單體電芯組裝電動汽車儲能係統的並不多，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新名詞“本征安全性”，在電池行業內獲得了部分專家認同，即滿足兩個條件：一是最小容量電芯，其能量限製為單獨使用或存放時若發生燃燒或爆炸不足以產生嚴重後果;二er是shi在zai電dian池chi模mo塊kuai中zhong，一yi個ge最zui小xiao容rong量liang電dian芯xin若ruo發fa生sheng燃ran燒shao或huo爆bao炸zha，不bu會hui引yin起qi其qi他ta電dian芯xin連lian鎖suo燃ran燒shao或huo爆bao炸zha。考kao慮lv到dao當dang前qian鋰li離li子zi電dian池chi的de安an全quan性xing水shui平ping，杭hang州zhou賽sai恩en斯si也ye采cai用yong小xiao容rong量liang圓yuan柱zhu形xing鋰li離li子zi電dian芯xin
，並bing采cai用yong模mo塊kuai化hua並bing聯lian和he串chuan聯lian連lian接jie方fang式shi裝zhuang配pei電dian池chi組zu(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杭州賽恩斯電池串並聯連接裝置和組裝示意圖

　　Tesla ModelS電池包

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

　　Tesla於2012年量產的ModelS電池包與Roadster明顯不同
，其電池包位於車輛底盤下方(如圖4所示)，並被金屬鋁板覆蓋
，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)在內部被隔離板劃分為7個區域(圖5中P1-P7區域)
，每個區域安裝有兩個電池模組
，每個模組內有370節單體電芯。

　　在電池包頭部還有一個突出部分(圖5中P8區域，對應於圖4右圖所示突起部分)，安裝了兩個電池模組
，堆疊排放，電池包內共有5920節單體電芯。

　　電池包內8個區域(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構強度，使整個電池包結構更加堅挺;二是當某個區域的電池起火時能有效阻隔，避免引燃其他區域的電池。隔離板內部可以被填充高熔點、低熱導的材料(例如玻璃纖維)或水。

　　電池模組(如圖6所示)其內部被“S”型隔離板劃分為7個區域(圖6中M1-M7區域)
，“S”型隔離板內部為電池模組的冷卻通道
，並與電池包的熱管理係統相連接。

　　與Roadster電池包相比較，雖然Model S電池包在外形上有較大變化

，但通過獨立分區以實現阻斷熱失控發生蔓延的結構設計仍得到延續。

　　與Roadster電池包中的單體電芯在車輛內部均平躺排布不同，Model S電(dian)池(chi)包(bao)中(zhong)的(de)單(dan)體(ti)電(dian)芯(xin)均(jun)豎(shu)立(li)排(pai)布(bu)。由(you)於(yu)單(dan)體(ti)電(dian)芯(xin)在(zai)發(fa)生(sheng)碰(peng)撞(zhuang)擠(ji)壓(ya)而(er)受(shou)到(dao)外(wai)力(li)作(zuo)用(yong)時(shi)
，沿(yan)卷(juan)芯(xin)軸(zhou)向(xiang)受(shou)力(li)比(bi)徑(jing)向(xiang)方(fang)向(xiang)上(shang)受(shou)力(li)更(geng)容(rong)易(yi)因(yin)內(nei)部(bu)短(duan)路(lu)而(er)發(fa)生(sheng)熱(re)失(shi)控(kong)
，因(yin)而(er)從(cong)理(li)論(lun)上(shang)講(jiang)，Roadster電池包在側麵遭受碰撞擠壓時比在其他方向受力更容易發生熱失控，而Model S電池包在底麵遭受碰撞擠壓時，則更容易發生熱失控。

　　圖5Tesla Model S電池包的內部結構示意圖

　　圖6Tesla Model S電池包內的模組示意圖

　　三級電池管理係統

　　與大部分追求更先進電池技術的廠商不太一樣，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
，正是因為Tesla研發的三級電池管理係統。通過采取分層管理的設計，可以同時對數千節電池進行管理
，其電池管理係統框架如圖7所示。以Tesla Roadster三級電池管理係統為例：

　　1)在模組的層麵上，均設置有BMB (Battery Monitor board)，監控模組內的每Brick(作為最小管理單元)中各個單體電芯的電壓、各Brick的溫度以及整個模組的輸出電壓;

　　2)在電池包的層麵上，設置有BSM (BatterySystem Monitor),監控整個電池包的運行狀態
，包括電池包的電流，電壓，溫度，濕度


，方位
，煙霧等;

　　3)在整車層麵，設置有VSM (Vehicle System Monitor)，用以監控BSM。

　　另外，在美國專利US20130179012
、US 20120105015、US20130049971 A1分別體現了過電流保護、過電壓保護
、絕緣阻抗監控等技術。

　　圖7 Tesla Roadster三級電池管理係統架構示意圖