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行业资訊

特斯拉車電池技術和内部結構

来源:寶鄂實业    2018-12-27 10:51    點擊量:
1.特斯拉的電池系統

電池系統是電动車的动力来源,是整個産业鍊中最核心的系統成分。以特斯拉Model S为例,其電池系統(股票配资世界+電池管理系統)成本占比为56%,而傳統的轎車發动機占比大約隻有15%-25%。到了2016年,電池系統的成本占比有所下降,且成本結構也有所變化,單體電池的成本占到了83%,電池管理系統的成本占比約为13%,剩餘4%为電池冷卻系統。

通過對特斯拉電池系統的構成以及特斯拉配套充電設施進行詳盡的梳理,我們可以對特斯拉的電池産业鍊有一個直觀、深入的認识,對于其它新能源汽車也可以起到觸類旁通的作用。目前電池系統的成本是制約特斯拉及其它新能源汽車發展最主要的因素之一,了解了電池系統就相當于擁有了解開新能源汽車産业的鑰匙。

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電动車要想具備實用性,就必須考量它一次充電後的續航性及其充電的便捷性,要了解这兩點就必須關注其電池的構造以及充電設備的充電速度和設備分布。

Model S曾推出的搭配電池功率型号有40、60、70、75、85、90、100kWh,對于85kWh及以上型号,還有一些提供更出色的动力性能的性能版可供選擇,比如Perf版和Ludicrous版。不同的型号,每次充滿電所能最大行駛的距離和最大馬力不同。随着技術的進步和为了更加迎合人們的需求,特斯拉陸續取消了一些Model S電池型号,現今仍可以訂購的功率型号为75、90、100kWh。

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而Model X則推出過60、70、75、90、100kWh的型号,現在可以訂購的隻有70和100kWh的型号。

據中關村在線的资訊顯示,特斯拉設計的Model 3電动車基本版本的電池組功率約为60 kWh。而根據Musk的Twitter及相關信息進行了推測,可能最高隻有75kWh版本。这主要是由于Model 3相比于Model S和Model X,車輪的軸距更小,同時Model 3的定位也是作为入门款。根據Elon Musk7月9日的推特消息,第一輛Model 3已于當天下線,同時特斯拉将在7月28日为首批30名訂購Model 3的消费者舉行交付儀式。

另外,Model 3使用電池也不同于Model S與Model X。在特斯拉汽車日本公司2015年7月15日舉行的媒體說明會上,美國總公司的電池技術總監Kurt Kelty公布了Model 3将使用全新21700股票配资世界的消息,其能量密度将比用于Model S與Model X的18650股票配资世界高30%。

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2.電池及電池闆的構造

不同于其它電动汽車,特斯拉使用的電池并非专用的整塊大電池,而是将幾千個圓柱形小電池組裝起来。

Model S與Model X目前使用的都是松下供應的18650NCA特制電池,这種圓柱形電池橫截面直徑为18毫米,高65毫米。常規款的18650股票配资世界被廣泛地使用于筆記本電腦的電芯中,其化学式構成为LiNiCoAlO2。

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采用單個電池的优點在于單個的18650電池發生爆炸威力有限,即使并聯的一個電池單元出現故障,最多使續航距離縮短一塊電池單元所提供的行駛距離。而且該款電池工藝成熟,适合大批量生産。同時電池一致性好、成本低。而由于特斯拉電动車本身优良的熱管理系統,松下为特斯拉特制的18650電池相比于常規款得以移除一些多餘的安全設施,從而變得更輕更便宜。同時,特斯拉又在每個電芯上都安裝了保險絲,而不是通常地在整個電池組設置保險裝置。

由于动力系統采用的是小型單體電池,特斯拉的電池系統構造就顯得異常複雜和精巧。以Model S 85kWh型号为例,電池闆共分为16個電池組,如下圖所示的每一個矩形塊均为一個電池組,最右側堆疊了兩組。電池組之間串聯連接,電壓共402伏。特斯拉的每個電池組又由6個單體電池包串聯而成,每個電池包由74節18650電池并聯而成。为了方便電池組内的散熱管路的安放,單體電池包的采用不規則的布置。

因此,Model S 85kWh型号使用了多达7104節電池,按照3.6V的工作電壓和3.2Ah的電容量来計算的話,總電量約为82kWh,略低于車型說明的電量。这7000多節電池組成的電池組重量将近700公斤,占了整台車重量近一半。類似地,100kWh型号電池闆使用了共8256節單體電池,同樣分为16個電池組。

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为了保護電池組,特斯拉在電池組前部頂面上設計了防水透氣閥,利用氣體分子與液體及灰塵顆粒的體積大小數量級之差,讓氣體分子通過,而液體、灰塵無法通過,從而實現防水透氣的目的,避免水蒸氣在電池組内部凝結。

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Model S電池闆的放臵位臵正好使它成为車軸之間的底闆,这個設計帶来了許多好處。由于電池闆是全車重量最大的一部分(Model S 85 kWh型号電池組重544千克),使得Model S的重心高度隻有18英寸,因此擁有了一個較大的橫向加速度(0.9g)以及良好的防側翻性。

同時为了保護位于底部的電池闆,特斯拉還在電池闆下部增加了一層由鋁合金(或者鋼、玻璃纖維、碳纖維、塑料等,目前Model S适用的是鋁合金)材料構成的保護結構,将電池模塊包裹起来,并保持一定的緩沖距離,并将其取名为防彈铠甲(Ballistic Shield)。

3.電池管理系統

電池管理系統(Battery Management System,簡稱BMS)是對電池組進行安全監控及有效管理、提高蓄電池使用效率的裝臵。主要功能包括數據采集、電池狀态計算、能量管理、熱管理、安全管理、均衡控制和通信功能等。通過該系統對電池組充放電和放熱的有效控制,可达到增加續航里程、延長使用壽命、降低運行成本的目的,并保證電池組應用的安全和可靠性。

特斯拉的BMS能夠提供精确的電池健康狀态預估技術、電池平衡管理技術、電池殘電量管理技術、電池熱管理技術、診斷與預警技術。即使是同樣電池容量的電动汽車,由于BMS的不同,其續航里程、充電時間、啟动加速時間和電池壽命将大不相同。

特斯拉通過其強大的BMS系統,可以有效實現超過7000節18650号電池的一致性管理,达到高安全性和可靠性目标。此外,在電池冷卻、安全、電荷平衡等與BMS相關的領域,特斯拉申請的核心专利超過140項,因此BMS技術是特斯拉的核心競争力之一。
 

特斯拉電池組的每一組都有其獨立的電池管理系統,位于電池組側面,即上圖綠色部分。其中的感應器和芯片,随時監控每粒電池的溫度變化,遇到意外情況,能以毫秒級别時間關閉電池。

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4.電池冷卻系統

電池闆内除了電池組外,最多的就是“冷卻液”管路。每一輛特斯拉都有一套专门的液體循環溫度管理系統圍繞着每一節單體電池。

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“冷卻液”呈綠色,由50%的水和50%的乙二醇混合而成。“冷卻液”不斷地在管道中流动,最終會在車輛頭部的熱交換器散發出去,從而保持電池溫度的均衡,防止電池局部溫度過高導致電池性能下降。特斯拉的電池熱管理系統可将電池組之間的溫度控制在±2℃,控制好電池闆的溫度可有效延長電池的使用壽命。

5.配套充電設施

特斯拉的充電方式主要分为家庭充電、目的地充電和超級充電站三種方式。

家庭充電是特斯拉最主要的充電方式。特斯拉汽車可以直接通過220V 10A/16A家用插座進行充電。國内普通家庭用電多为220V 40A電表,但插座多为10A或16A。通過TESLA随車帶的充電線配和相應插頭連接并選擇10A或16A的充電電流, 無需單裝電表以及任何設備改造即可充電,但充電速度慢,每小時大約可充8公里的續航。

由于國内大部分小區采用的是220V單相供電的形式,最高電流能达到40A。通過将每輛Model S和Model X随車附贈的家用充電樁,在自己的停車位處安裝後即可以40A的充電電流進行充電。这樣一来, 充電速度可以遠快于國内大多數電动車16A的充電電流所提供的充電速度。

此外,還可以選擇安裝特斯拉专用充電牆(High Power Wall Connector)。單獨申請80A電表或增容現有電表,通過安裝TESLA专用充電牆并安裝第二充電器(在車内,需購車時選配)實現快速充電。每小時充電可达17.6kWh,可行駛80-100公里,從無電到滿電需5-6小時。

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目的地充電是为了方便出行而設置的充電方式。特斯拉在包括部分餐廳、飯店、購物中心和度假村等地合作安裝有目的地充電站點,車主也可以在抵达这些地方後進行充電。目的地充電站點的充電樁同家庭充電中所安裝的充電樁或充電牆是完全相同的。收费标準也由安裝的企业決定。特斯拉官網顯示,其目前在國内30個省(含直轄市及自治區)有654個充電站點。

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除了以上兩種充電方式以外,特斯拉還有一種直流快充方式——超級充電。特斯拉号稱其超級充電站是目前世界上最快的充電站,充電一般僅需幾十分鐘。充電站的選址通常位于餐廳、購物中心、WiFi熱點等附近,可以在停車休息的時候充電。这是開車長途旅行的首選。

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根據特斯拉官網數據,目前已建立遍布全球的861座超級充電站,共計5655個超級充電樁。而根據特斯拉中國官方6月發表的微博,至今已在中國建設117個超級充電站,554個超級充電樁。同時2017年,特斯拉全球充電網絡規模将擴大一倍;在中國的充電網絡的擴建也将緊随全球的擴張速度。

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一部分的特斯拉超級充電站還利用太陽能闆来提供一部分充電的電能,同時還有遮陽的效果。每個充電樁的造价大概在10萬美元到17.5萬美元之間,其中多半的资金将用在地基的重塑上。

此前,Elon Musk又在Twitter上透露,特斯拉将會對Supercharger進行升級,輸出功率很有可能将會超過350kW,这無疑會進一步極大地加快充電速度,減少充電時間。

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超級充電樁所使用的充電槍也是一個技術極度密集的部件。當特斯拉在超級充電樁充電時,充電槍里的感應器會時刻檢測車内電池的溫度變化。一旦電池溫度過高,充電槍就立即發出信号,減低充電強度,使電池溫度降低;同時,電池闆内的冷卻系統,也同步做出相應的反應,使冷卻力度同步加強。这個自动調節充電強度的過程是電槍、電池冷卻系統、充電樁的電流,一起高度協同工作。

除特斯拉之外市面還有其他品牌電动車它們也有自己充電樁,國家電網、南方電網等電力公司也修建了一些公共充電樁。特斯拉在2016年11月的廣州車展上,正式發布了新國标充電配适器。自此,特斯拉電动車不僅能在特斯拉的充電網絡中充電,也可以使用符合中國新國标的充電設施進行充電。

将配适器的一頭插在符合新國标标準的非特斯拉充電樁插頭上,一頭插在特斯拉車上,即可進行充電。不過目前有些充電樁還必須辦理相應的充電卡才能充電,充電速度也參差不齊。

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7.電池充電管理技術

特斯拉電动車充電的快捷性得益于其快速充電技術。通過可變電流和三段式充電方法,合理分配充電電流,以最高的充電效率快速充電。如今手機的快速充電所采用的技術也類似于此。

對于股票配资世界来講,深放電機會越小壽命越長,反之,頻繁地深放電(将電池電量用到20%以下)将導致電池壽命降低。特斯拉電池在其特有的工藝下,在50-0%循環模式(使用電池不超過50%的電量),電池總壽命延長一倍。而在深度循環模式下,900個循環後,容量衰減至50%。所以從保護電池壽命的角度来講,可以盡量将每次行程控制在80%最大續航之内,避免用電超80%後再充電,但可定期深放電以激活電池。

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