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揭秘特斯拉电池安全技术

“天啊,哥们儿,那是辆TESLA,坎儿新的。”如果不是亲眼所见,谁也不会相信那辆着火的是一辆TESLA MODEL S。在此之前,加上Roadster车型,量产的TESLA电动车累积的行驶里程已经超过了1.81亿公里,TESLA似乎用这样的方式证明了产品的可靠性。这就好像当年所有人都相信泰坦尼克号是一艘永不沉没的游轮一样。当然,在技术上,马斯克也的确给了很多让我们相信他的理由。


  电池总成结构

  既然是电池惹的祸,那我们就先来了解下有关它的情况。众所周知,TESLA电动车的电池采用了松下提供的NCA系列(镍钴铝体系)18650钴酸锂电池,单颗电池容量为3100毫安时(mAh,一般我们在电瓶上看到的单位是“安时”,这主要是根据不同容量的电池来选择不同的单位)。

就此走下神坛?解析TESLA电池安全技术

  这种电池我们并不陌生,像笔记本电脑等电子数码设备使用的都是这种类型的电池,相比于其它电动车使用的电池类型,18650电池的技术更为成熟,比能量(参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小)方面它几乎是磷酸铁锂电池的两倍,也就是说,在同等体积的情况下,18650电池组成的电池单元可以储存更多的电能。这也是TESLA使用这种电池的其中一个原因。

  

TESLA电动车与其它品牌电动车使用电池的情况
车型 MODEL S
85KWh
丰田普锐斯  雪佛兰沃蓝达 Volt 比亚迪e6 日产聆风
正极材料
18650电池钴酸锂
锰酸锂 三元 磷酸铁锂 锰酸锂
电池供应商 松下(三洋被其收购) 松下 LG化学 比亚迪 AESC
电池总容量 85kWh 44kWh 16kWh 60kWh 24kWh
续航里程 426km 20km 62km 300km 160km
电池质保期 8年不限里程 整车质保3年,10万公里 8年,
约16万公里(英里换算)
5年,
10万公里
8年,
约16万公里(英里换算)
续航里程为纯电动行驶里程,数据来自官方

 

  尽管如此,把这种电池运用在电动车上还是有一定难度,比如,要想满足一辆电动车的使用需求就需要使用很多个18650锂电池,这就出现了一个要解决的问题,如何把它们组合在一起。

就此走下神坛?解析TESLA电池安全技术

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  85kWh的MODEL S的电池单元一共运用了8142个18650锂电池,工程师首先将这些电池以砖、片逐一平均分配最终组成一整个电池包,电池包位于车身底板。



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  将这几千节电池组合在一起的方式虽然被行业认为是件不可思议的事,但对于TESLA的工程师来说,相比接下来要解决的问题,那不过是一个稍稍复杂些的算数题。

  18650电池的稳定性

  虽然18650钴酸锂电池是满足较高续航行驶里程的关键,但它在高温状态下的稳定性相比镍钴锰酸锂(NCM)和磷酸铁锂电池则要稍差些,因此,在安全性方面就需要技术的有力支撑。

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  暴烈的性格曾让它也惹了不少麻烦,记得在几年前,索尼公司就因旗下笔记本产品所使用的电池发生爆炸采取了召回行动。不过,现在的18650电池已经可以在技术上避免自燃或无故爆炸的情况出现。不过,在发生强烈的撞击后,这种电池还是存在着很大的爆炸可能,另外,对于低温环境的适应能力也不是很稳定,在低温环境下,钴酸锂电池容易出现因过度放电导致过热的情况。这样看来,如何管理这些电池就成了十分重要的事。

  如何监控电池包的状态

  电池包内的保险装置分布到每一节18650钴酸锂电池,每一节18650钴酸锂电池两端均设有保险丝,当电池出现过热或电流过大时,保险丝会切断,以此避免因某个电池出现异常情况(过热或电流过大)时影响到整个电池包。

  我们在上面介绍电池包结构中提到了每个电池包由若干个电池片组成,一个电池片由若干个电池砖组成,而一个电池砖又有若干个18650钴酸锂电池组成,除了每节18650电池设有保险装置外,每个电池片和每个电池砖也都有保险装置,一旦发现某一单位内部出现问题,保险装置都会将其切断与其它电池单元的联系,从而避免殃及池鱼的情况出现。另外,每个电池片之间都有相对独立的空间并由防火墙相隔,即便是单个电池片内部出现了起火的情况,火势也可得到一定控制,不至于迅速蔓延至整个电池包。

  当然,保险装置是最后的一道屏障,当它切断的时候也就意味着某个电池单元出现了问题,如果涉及到更换,整个电池包可以以“片”为单位进行更换。每节电池之间以并联的方式连接,而电池砖之间和电池片之间分别以串联的方式连接,也就是说,在实际用车过程中,当某节电池出现问题时,车辆不会抛锚,受到影响的只是车辆的续航里程。

  维持整个电池包的工作状态以及监控每个电池单元的系统对于TESLA电动车的性能是关键(在其它品牌电动车上,这同样十分重要)。通过在每个电池片(内部由含有若干18650钴酸锂电池的电池砖组成)里的电池监控装置(Battery System Monitor)来监控电池片内每一个电池砖的状态,其中不仅是电流、电压,它还能识别电池的工作温度、各个电池砖的相对位置以及是否产生烟雾等。

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  电池的温度是影响电池性能的一个关键因素,过高或过低都会使其工作状态出现波动,进而影响到车辆的整体性能,所以,需要系统不断地均衡每个电池的温度。以上提到的这些有关安全和电池性能的保障都得益于这种电池分层管理模式的设计。

  车身结构确保电池总成的安全

  之前TESLA MODEL S在NHTSA(美国高速公路安全协会)进行了碰撞测试,最终拿到了五星的成绩,这个结果让埃隆•马斯克有点自我膨胀,不管怎样,MODEL S在各项碰撞测试中对假人的保护以及电池的状态还是值得称道的。下面我们通过当时碰撞的情况来看看这款车在被动安全方面表现如何。

  NHTSA的碰撞测试包括100%正面碰撞、27°角侧面碰撞、75°角侧面柱碰和翻滚碰撞、车顶强度这几项碰撞测试,


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在100%正面碰撞测试中,MODEL S以56km/h的速度撞向刚性壁障,从碰撞过程中的车身姿态来看,相比我们在C-NCAP碰撞测试时看到的情况有所不同,MODEL S的车尾并没有出现大幅度抬起的情况,这与整个车身的重量分布有关,MODEL S的电池分布在车底,电机位于后车桥,而车头前部又不像传统汽车那样装有动力总成,所以,整车的重量基本都集中在车辆底部和尾部并且重心较低,这样,在这项碰撞测试中,车身的幅动相对较小。

由于“发动机舱”内不需要安装动力总成,这样,就能有足够的空间来布置用于提高车身强度的结构,在这样的碰撞情况下,很难伤及位于乘员舱下方的电池组。

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相比之下,来自侧面的碰撞对电池的安全性能威胁更大,因此,通过高强度的材料避免碰撞时电池组受到过度挤压是十分重要的,上面我们提到18650钴酸锂电池在碰撞时确实存在爆炸的可能。不过,一味的提高强度对于乘员而言可不是一件好事,我们在之前分析碰撞测试时提到的吸能缓冲理念在这里同样受用。又要避免电池组受到挤压,又要保护乘员,这样的难度可想而知。

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通过一份材料我们看到,MODEL S的门槛梁部分采用了一种由铝制部件组成的多层结构,这样的结构在抵御碰撞力量的同时,可以在结构的引导下逐渐吸收碰撞能量,该结构理念源自阿波罗飞船在登陆月球时所使用的着陆器。不知道这是不是一门心思想在火星退休的埃隆•马斯克想出的点子。从这份报告来看,在柱碰测试中,对于乘员舱的保护,MODEL S(驾驶舱保留了63.5%)比沃尔沃V60(驾驶舱保留7.8%)还要优异。

考虑到后排设有第三排座椅,在后部防撞结构的设计方面,MODEL S在车尾装配两根防撞梁,以此降低在后部碰撞发生时第三排乘客受伤的可能。

为什么还是着火了?

就此走下神坛?解析TESLA电池安全技术

在看过了包括电池安全技术和车身被动安全方面的介绍,那MODEL S为什么还会出现碰撞后起火的情况呢?事发的一段时间后,埃隆•马斯克发布了相关的声明,声明中说到,这次高速事故引发的车辆起火是因车辆底部的电池保护罩被硬物刺穿,强烈的撞击使得刺穿的峰值力超过25吨并把6.35毫米的车底护板打了一个直径76.2毫米的洞。

随即,电池总成前部的通风孔开始向外释放热量并导致起火,而当消防员赶来时采取了传统的灭火方式,进而导致起火面积变大,后来使用干粉灭火器才将火势控制。由于电池总成内部为每个电池模块都建立了单独的防火墙,因此,火势没有蔓延至其他地方。报警系统也及时通过各种声音和图示警告驾驶员尽快离开车辆,最终,驾驶员免于受伤。