探秘特斯拉電動車的安全秘密

　　以2013年Model S在西雅圖高速路上的事故為例，電池包內電池模組之間都有相對獨立的空間并由防火結構進行隔離，當車輛底部的電池保護罩被硬物刺穿（沖擊力達到25t，并將厚度約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(fā)生熱失控而起火，但火勢并沒有迅速蔓延至整個電池包；同時，其三級管理系統(tǒng)也能及時啟動安全機制，警告駕駛員盡快離開車輛，最終，駕駛員免于受傷。

　　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系統(tǒng)的相關專利，并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(fā)揮山寨之精神，實現(xiàn)吸收再創(chuàng)新。

　　Tesla Roadster電池包

　　Roadster是Tesla于2008年量產的首款純電動跑車，全球限量2500臺。該車型搭載的電池包位于座椅后面的行李箱中（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(lián)構成（如圖2所示）；在模組內部，先由69節(jié)單體電芯并聯(lián)構成一個Brick（或稱之為“電池磚”），再由9個Brick串聯(lián)構成一個模組，整個電池包中共有6831節(jié)單體電芯。模組是可更換的單元，如果某節(jié)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(jié)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。

　　電動汽車儲能系統(tǒng)有關單體電芯容量選型的“大”“小”之爭，按中科院陳立泉院士的話說就是電動汽車發(fā)展路線之爭。目前，由于電池管理技術的限制等多種因素，國內電動汽車的儲能系統(tǒng)多采用大容量方形電池，而與Tesla類似采用小容量單體電芯組裝電動汽車儲能系統(tǒng)的并不多，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(yè)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，其能量限制為單獨使用或存放時若發(fā)生燃燒或爆炸不足以產生嚴重后果；二是在電池模塊中，一個最小容量電芯若發(fā)生燃燒或爆炸，不會引起其他電芯連鎖燃燒或爆炸。考慮到當前鋰離子電池的安全性水平，杭州賽恩斯也采用小容量圓柱形鋰離子電芯，并采用模塊化并聯(lián)和串聯(lián)連接方式裝配電池組（可參考CN101369649），其電池連接裝置及組裝示意圖如圖3所示。

圖3 杭州賽恩斯電池串并聯(lián)連接裝置和組裝示意圖

　　Tesla Model S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于2012年量產的Model S電池包與Roadster明顯不同，其電池包位于車輛底盤下方（如圖4所示），并被金屬鋁板覆蓋，總體為平板型布局。參考美國專利US8286743B2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(qū)域（圖5中P1-P7區(qū)域），每個區(qū)域安裝有兩個電池模組，每個模組內有370節(jié)單體電芯。

　　在電池包頭部還有一個突出部分（圖5中P8區(qū)域，對應于圖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(jié)單體電芯。

　　電池包內8個區(qū)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(qū)域的電池起火時能有效阻隔，避免引燃其他區(qū)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(qū)域（圖6中M1-M7區(qū)域），“S”型隔離板內部為電池模組的冷卻通道，并與電池包的熱管理系統(tǒng)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(qū)以實現(xiàn)阻斷熱失控發(fā)生蔓延的結構設計仍得到延續(xù)。

　　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電池包中的單體電芯均豎立排布。由于單體電芯在發(fā)生碰撞擠壓而受到外力作用時，沿卷芯軸向受力比徑向方向上受力更容易因內部短路而發(fā)生熱失控，因而從理論上講，Roadster電池包在側面遭受碰撞擠壓時比在其他方向受力更容易發(fā)生熱失控，而Model S電池包在底面遭受碰撞擠壓時，則更容易發(fā)生熱失控。

圖5 Tesla Model S電池包的內部結構示意圖

圖6 Tesla Model S電池包內的模組示意圖

　　三級電池管理系統(tǒng)

　　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(fā)的三級電池管理系統(tǒng)。通過采取分層管理的設計，可以同時對數(shù)千節(jié)電池進行管理，其電池管理系統(tǒng)框架如圖7所示。以Tesla Roadster三級電池管理系統(tǒng)為例：

　　1）在模組的層面上，均設置有BMB(Battery Monitor board)，監(jiān)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）在電池包的層面上，設置有BSM（Battery System Monitor)，監(jiān)控整個電池包的運行狀態(tài)，包括電池包的電流，電壓，溫度，濕度，方位，煙霧等；

　　3）在整車層面，設置有VSM(Vehicle System Monitor)，用以監(jiān)控BSM。

　　另外，在美國專利US20130179012、US20120105015、US20130049971A1分別體現(xiàn)了過電流保護、過電壓保護、絕緣阻抗監(jiān)控等技術。

圖7 Tesla Roadster三級電池管理系統(tǒng)架構示意圖