Tesla电动汽车的电池结构及充电方式（上）

2016-09-07吉林李伟

汽车维修与保养 2016年1期

◆文/吉林　李伟

◆文/吉林李伟

Tesla汽车公司（Tesla Motors）成立于2003年，总部设在美国加州的硅谷地带，该公司生产的2014款Model S60 Tesla Roadster 动力性能优异，整备质量为1235kg，电池容量达53 kWh，0～100km/h 加速时间为3.9s，最高时速可以达到200km/ h，最大输出功率215kW，最大扭矩400N·m，最大续航里程可达到390km，甚至创造过单次充电续航501km的纪录。 Tesla Roadster 出色的动力性能不仅得益于车身碳纤维材料的完美应用，更离不开所搭载的高性能动力电池系统（图1）。

一、电池结构

Tesla Roadster的动力电池由6 831节18650电芯组成，其外观与安装位置如图2、3所示。

图3 动力电池安装位置

69节18650 电芯（图4）构成一个“Brick”，每个“Brick”中的电芯全部并联在一起（图5）。 9 个“Brick”串联构成一个“Sheet”，如图6所示。11 个“Sheet”串联之后构成整个动力电池（图7），在电池系统中，“Sheet”是最小的可更换单元。

图4 电芯

图5 Brick

图6 Sheet

图7 电池系统

Tesla之所以采用18650 电芯，是由于过去15年里18650电芯在电子消费类产品中应用广泛，全球每年要生产数十亿个18650电芯，其安全级别也在不断提高。正是由于消费类电子产品对18650 电芯的大量需求，帮助Tesla蓄电池在降低成本的同时提高电芯的能量密度。另外，由于电芯的尺寸较小，其能量也可被控制在较小的范围内，与使用大尺寸电芯的蓄电池相比，即使蓄电池的某个电芯损坏，它对整个蓄电池性能的影响也很微弱。从散热角度分析，18650 电芯的“表面积”是方形电芯（假设其容量为18650电芯的20倍）的7倍，这将大大增加18650 电芯在散热方面的优势。

二、电池系统安全措施

为了确保电池系统安全性，Tesla从电芯到电池系统采取了多种安全措施，其中包括：

1.电芯安全措施：电芯正极附近装有PTC（Positive Temperature Coefficient）装置，当电芯内部温度增高时，其电阻会随之增高，可起到限流作用。另外，电芯内部均装有CID（Current Interrupt Device），当电芯内部电流超过安全限值时会自动断开，从而切断内部电路。除此之外构成电芯的材料燃点非常高，即使在热失控的情况下也不易自燃。

2.电池结构设计安全措施：电池外壳体采用铝材，结构强度较高，并且电池箱体后部设有通气孔，以防止箱体内部气压过高，如图8所示。

图8 电池箱体后部通气孔

每个电芯的正、负极均设有熔丝（图9），如果某个电芯发生短路，此安全设计可以把故障电芯与系统之间的连接电路快速切断。

图9 电芯两极均设有熔丝

“Sheet”上框架通过绝缘垫片和圆柱形橡胶帽对电芯正负极端面进行限位，“Sheet”中有些电芯的端面与模架间是通过橡胶固定的，如图10所示。

图10 电芯的固定方式

“Brick”的极板与电池模架之间通过环氧树脂胶固定，电压采样点通过铆接方式与极板相连接（图11）。

图11 电池极板及采样点连接方式

部分“Sheet”之间也设有保险装置，如图12所示，“U”表示无保险，“F”表示有保险。一旦“Sheet”电流超过极限值，熔丝立刻融断，可保证系统安全。

图12 Sheet之间的保险

“Sheet”之间通过由金属编织铜排串联，外部有塑料外壳（橙色）提供绝缘保护，其中的红色垫片功能类似铆接螺母，如图13所示。

图13 Sheet与Sheet之间的连接

每个“Sheet”均设置有电池监控板BMB（Battery Monitor Board），用以监控“Sheet”内每个“Brick”的电压、温度以及整个“Sheet”的输出电压情况，BMB安装位置如图14所示。

电池系统内设置有电池系统监控板BSM（Bat ter y System Monitor），其通过相应传感器监控整个电池系统的工作环境，其中包括电流、电压、温度、湿度、烟雾以及惯性加速度（用于监测车辆是否发生碰撞）、姿态（用于监测车辆是否发生翻滚）等。并且可以与车辆系统监控板VSM（Vehicle System Monitor）通过标准CAN总线实现通信，BSM的安装位置如图15所示。