TeslaRoadster的电池包结构与安全设计.doc

Tesla Roadster的电池包结构与安全设计Tesla Roadster在电动汽车中的地位，犹如iPhone3之于智能这里给大家分享下Roadster的电池包结构以及其安全设计在此之前，还是要先给大家对Roadster、电池包的一个“感性认识”Tesla Roadster　　Roaster 电池包　　电池模组“sheet”以下内容转自《Tesla电动汽车的电池结构及充电方式》与《车用动力锂离子电池热模拟与热设计的研发状况与展望》：电池结构Tesla Roadster的动力电池由6831节18650电芯组成，其外观与安装位置如图2、3所 示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　　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。

安全设计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　　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　　“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　　“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）　　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 　　“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　　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（Battery 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　　电池系统内部设置有冷却装置，冷却液为水和乙二醇的混合物（比例为1：1），冷却装置的管路接口如图16所示，“Sheet”内部冷却管路的布置如图17所示　　具体的热管理结构设计如下图：电池系统中共有6 831个18650电芯，整个电池的表面积达到27m＾2，并且每只18650电芯附近均布置有冷却管路，冷却管路与电芯之间有绝缘导热介质材料相隔，如图18中蓝色部分，蓝色绝缘体将电芯固化后非常坚硬，在这些因素的作用下，电芯可以将热量快速传递到外部环境中。

　　冷却液的进、出管路设计为交叉布置方式，共分为4个接口，如图19所示这种设计方式可以有效避免因为管道过长而使得管道始、末端冷却液温度差异过大，进而造成电芯温度差异过大另外，每条进、出管道又分为2个子管道，目的是使冷却液与管道接触面积加大，以提高热传递效率　　通过上述热管理系统，Roadster 电池组内各单体电池的温度差异控制在±2℃ 内2013年 6 月的一份报告显示，在行驶 10 万英里后，Roadster 电池组的容量仍能维持在初始容量的80％～85％，而且容量衰减只与行驶里程数明显相关，而与环境温度、车龄关系不明显上述结果的取得依赖电池热管理系统的有力支撑电池箱体内11个Sheet 串联，两边空隙处安装有各电器元件，其中包括DC／DC、Relay（2个EV200）、预充电阻、FUSE、BSM 等，如图 20、21、22、23所 示。