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探秘特 斯拉电动车的安全秘密

导读: Tesla电动汽 车究竟运用了何种安全设计,其详情不得而知,因此,我们查询了Tesla电动汽 车有关电能存储系统的相关专利,并结合 目前可获得的技术信息,图管中窥豹,期望“他山之石,可以为错;他山之石,可以攻玉”,希望能以其失误为鉴,避免重蹈覆辙,同时也 能充分发挥山寨之精神,实现吸收再创新。

  OFweek网讯 创办于2003年的美国Tesla汽车公司最近又“火”了。2016年8月16日,特斯拉Model S 90D车辆在 法国西南部城市比亚里茨(Biarritz)路试时发生起火,车辆尽毁,所幸并无人员伤亡,并且在事故前,车辆就发出了警报,足见Tesla在电动方面的 工作做得还是非常到位。尽管如此,自上市以来Tesla还是经历了种种“取经磨难”,这里小 编先为大家梳理出Tesla的主要安全事故:

Tesla电动汽
车动力电池系统安全技术初探

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  世界上 没有绝对安全的电池,只有没 有充分识别和预防的风险。充份运 用以人为本的产品安全开发理念,预防措 施虽然不够充分,但安全风险尚可控制。

  以2013年Model S在西雅 图高速路上的事故为例,电池包 内电池模组之间都有相对独立的空间并由防火结构进行隔离,当车辆 底部的电池保护罩被硬物刺穿(冲击力达到25t,并将厚度约6.35mm的车底 护板击穿形成直径76.2mm的孔洞)时,造成电 池模组发生热失控而起火,但火势 并没有迅速蔓延至整个电池包;同时,其三级 管理系统也能及时启动安全机制,警告驾 驶员尽快离开车辆,最终,驾驶员免于受伤。

  Tesla电动汽 车究竟运用了何种安全设计,其详情不得而知,因此,我们查询了Tesla电动汽 车有关电能存储系统的相关专利,并结合 目前可获得的技术信息,图管中窥豹,期望“他山之石,可以为错;他山之石,可以攻玉”,希望能以其失误为鉴,避免重蹈覆辙,同时也 能充分发挥山寨之精神,实现吸收再创新。

  Tesla Roadster电池包

  Roadster是Tesla于2008年量产 的首款纯电动跑车,全球限量2500台。该车型 搭载的电池包位于座椅后面的行李箱中(如图1所示),整个电池包的重量约450kg,体积约300L,可用能量53kWh,总电压366V。

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图1 Tesla Roadster的电池 包在车辆内安装位置(左)和实物图(右)

  Tesla Roadster电池包由11个模组串联构成(如图2所示);在模组内部,先由69节单体 电芯并联构成一个Brick(或称之为“电池砖”),再由9个Brick串联构成一个模组,整个电池包中共有6831节单体电芯。模组是可更换的单元,如果某 节电池出问题需要更换,

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图2 Tesla Roadster的电池包示意图(左)和装配实物图(右)

  可以将 包含这节电池的模组进行更换;同时各 自独立的模组也能将单体电芯以模组为单元进行分隔。目前,其单体 电芯主要选用日本Sanyo生产的18650型锂离子电池。

  电动汽 车储能系统有关单体电芯容量选型的“大”“小”之争,按中科 院陈立泉院士的话说就是电动汽车发展路线之争。目前,由于电 池管理技术的限制等多种因素,国内电 动汽车的储能系统多采用大容量方形电池,而与Tesla类似采 用小容量单体电芯组装电动汽车储能系统的并不多,其中就 包括杭州赛恩斯。该公司 来自哈尔滨理工的李革臣教授提出了一个新名词“本征安全性”,在电池 行业内获得了部分专家认同,即满足两个条件:一是最小容量电芯,其能量 限制为单独使用或存放时若发生燃烧或爆炸不足以产生严重后果;二是在电池模块中,一个最 小容量电芯若发生燃烧或爆炸,不会引 起其他电芯连锁燃烧或爆炸。考虑到 当前锂离子电池的安全性水平,杭州赛 恩斯也采用小容量圆柱形锂离子电芯,并采用 模块化并联和串联连接方式装配电池组(可参考CN101369649),其电池 连接装置及组装示意图如图3所示。

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图3 杭州赛 恩斯电池串并联连接装置和组装示意图

  Tesla Model S电池包

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图4 Tesla Roadster的电池 包在车辆内安装位置(左)和实物图(右)


Tesla于2012年量产的Model S电池包与Roadster明显不同,其电池 包位于车辆底盘下方(如图4所示),并被金属铝板覆盖,总体为平板型布局。参考美国专利US8286743B2可知:

  Model S电池包(如图5所示)在内部 被隔离板划分为7个区域(图5中P1-P7区域),每个区 域安装有两个电池模组,每个模组内有370节单体电芯。

  在电池 包头部还有一个突出部分(图5中P8区域,对应于图4右图所示突起部分),安装了两个电池模组,堆叠排放,电池包内共有5920节单体电芯。

  电池包内8个区域(包括突出部分)相互之 间是完全隔绝的,一是通 过隔离板增加了电池包整体的结构强度,使整个 电池包结构更加坚挺;二是当 某个区域的电池起火时能有效阻隔,避免引 燃其他区域的电池。隔离板 内部可以被填充高熔点、低热导的材料(例如玻璃纤维)或水。

  电池模组(如图6所示)其内部被“S”型隔离板划分为7个区域(图6中M1-M7区域),“S”型隔离 板内部为电池模组的冷却通道,并与电 池包的热管理系统相连接。

  与Roadster电池包相比较,虽然Model S电池包 在外形上有较大变化,但通过 独立分区以实现阻断热失控发生蔓延的结构设计仍得到延续。

  与Roadster电池包 中的单体电芯在车辆内部均平躺排布不同,Model S电池包 中的单体电芯均竖立排布。由于单 体电芯在发生碰撞挤压而受到外力作用时,沿卷芯 轴向受力比径向方向上受力更容易因内部短路而发生热失控,因而从理论上讲,Roadster电池包 在侧面遭受碰撞挤压时比在其他方向受力更容易发生热失控,而Model S电池包 在底面遭受碰撞挤压时,则更容易发生热失控。

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图5 Tesla Model S电池包 的内部结构示意图

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图6 Tesla Model S电池包 内的模组示意图

  三级电池管理系统

  与大部 分追求更先进电池技术的厂商不太一样,Tesla没有选 用容量更大的方形电池,而是采 用了较为成熟的18650型锂离子电池,正是因为Tesla研发的 三级电池管理系统。通过采 取分层管理的设计,可以同 时对数千节电池进行管理,其电池 管理系统框架如图7所示。以Tesla Roadster三级电 池管理系统为例:

  1)在模组的层面上,均设置有BMB(Battery Monitor board),监控模组内的每Brick(作为最小管理单元)中各个 单体电芯的电压、各Brick的温度 以及整个模组的输出电压;

  2)在电池包的层面上,设置有BSM(Battery System Monitor),监控整 个电池包的运行状态,包括电池包的电流,电压,温度,湿度,方位,烟雾等;

  3)在整车层面,设置有VSM(Vehicle System Monitor),用以监控BSM。

  另外,在美国专利US20130179012、US20120105015、US20130049971A1分别体 现了过电流保护、过电压保护、绝缘阻抗监控等技术。

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图7 Tesla Roadster三级电 池管理系统架构示意图



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