历了三代更新与提升,初探特斯拉电池系统技术

捷能科技

自特斯拉(Tesla)电动汽车面世以来,其动力电池系统PACK技术已经经历了三代不断的更新与提升,这三代电池系统技术分别对应的车型为:

第1代 电池系统PACK技术: Roadester

第2代 电池系统PACK技术: Model S/X

第3代 电池系统PACK技术: Model 3

虽然Model3尚没有上市,但最近Model S P100D电池包更多信息的披露,为我们逐步揭开了Tesla第三代电池系统技术的神秘。

电芯层面:

从已曝光出的信息和图片来看,100D仍然采用圆柱电芯18650,这点与第一代和第二代产品相同,而Model3将采用21700型圆柱电芯。

模组与PACK层面:

与Roadster的第1代电池系统不同,Model S与Model3的电池系统均是“滑板式”,但在PACK布置和模组的设计会有很大不同。这点可以从Model S P100D的电池系统设计窥探一二。P100D(100度电)与P90D(90度电)的电池系统外形、尺寸完全一样,这就意味着Tesla要在同样的尺寸空间内要多装进去10度电,同时还要能保证安全与可靠性。在电芯选定的情况下,此时,就需要在模组和PACK技术层面做进一步的突破。

总的思路就是每个模组中装入更多的电芯,对比P90D/85电池模组(上)与P100D电池模组(下)

P90D共由16个模组构成,每个模组有444个电芯,74并,6串,共计7104个电芯;而100D同样由16个模组构成,但每个模组有516个电芯,86并,6串,共计8256个电芯。P100D保持整个电池包的电压不变,每个模组并入更多的电芯,提高了过流能力。P90D的最大电流为1520A,P100D为1760A。这种模组级别的重新设计对Tesla Model3至关重要,P100D的电池系统正是对第三代电池系统技术最好的前期验证。

Musk曾多次强调这种模组和系统层面集成技术的重要性,很多人会将电芯与电池技术混为一谈,二者实则有很大的不同,尤其是当你要处理成千上万颗电芯时,模组和PACK级别的技术复杂性将变得很有挑战性。电芯可以视为是单纯的化学问题,而模组和PACK层面则更多的是机械、电气和软硬件问题。

“People often think that a battery and a battery pack is the same thing, but the technical complexity once you get to do a large number of cells in a pack is very much on the module/pack level. You can think of the cell level as being a chemical engineering problem and the module/pack level as being a mechanical, electrical and software engineering problem.”

对于一定外形和体积的电池包,要想提升电量,通常有两种方案:一是提升单个电芯的能量密度,这正是Model S P85 到P90 Tesla所采用的方案(约提升了6%,电芯能量密度大概也是5%-6%/年);二是PACK层面的重新设计,这是P90D到P100D升级时,Tesla的思路。

根据已有的信息分析,P85的实际电量在81.5度左右,可用电量为77.5左右,P90D的实际电量在85.8度左右,可用为81.8度左右,而P100D的实际电量在102.4度左右,可用电量为98.4度左右。即通过模组与PACK系统层面的技术优化,同样体积的电池包,电量提升了20%左右(有报道表示,PACK的重量仅增加了4%,P90D的电池重量大概为544kg)。

热管理系统:

目前来看,P100D之所以能够“挤进”更多的电芯,很大一部分是得益于冷却系统的重新设计。冷却系统的重新设计要保证两个基本点:(1)腾出更多的空间;(2)保证冷却效果。 P100D的冷却系统如下图:

P85与P100D的冷却系统示意图对比如下:

P85冷却系统

P100D冷却系统方案1:

P100D冷却系统方案2:

这里推测,通过由两路冷却通道替换原来的一路冷却通道,大幅提高冷却效果,同时管道变细变薄,进而释放出更多的空间。

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