Tesla Model S电池组设计全面解析

Tesla Model S电池组设计全面解析

对Tesla来说最近可谓是祸不单行：连续发生了3起起火事故，市值狂跌40亿，刚刚又有3名工人受伤送医。Elon Musk就一直忙着到处“灭火”，时而还跟公开表示对Tesla “不感冒”的乔治·克鲁尼隔空喊话。在经历了首次盈利、电池更换技术、穿越美国、水陆两栖车等头条新闻后，Elon Musk最近总以各种负面消息重返头条。这位“钢铁侠”CEO在2013年真是遭遇各种大起大落。

其中最为人关注的莫过于Model S的起火事故，而在起火事故中最核心的问题就是电池技术。可以说，牵动Tesla股价起起落落的核心元素就是它的电池技术，这是投资者最关心的问题。在美国发生的两起起火事故有着相似的情节：Model S撞击到金属物体后，导致电池起火，但火势都被很好地控制在车头部分。在墨西哥的事故中，主要的燃烧体也是电池。而且在3起事故中，如何把着火的电池扑灭对消防员来说都是个难题。

这让很多人产生一个疑问：Model S的电池就这么不禁撞吗？在之前的一篇文章中我跟大家简单讨论了一下这个问题，但只是停留在表面。读者现在都了解的是：Model S的电池位于车辆底部，采用的是松下提供的18650钴酸锂电池，整个电池组包含约8000块电池单元；钴酸锂电池能量密度大，但稳定性较差，为此Tesla研发了3级电源管理体系来确保电池组正常运作。现在，我们找到了Tesla的一份电池技术专利，借此来透彻地了解下Model S电池的结构设计和技术特征。

电池的布局与形体

如专利图所示，Model S的电池组位于车辆的底盘，与轮距同宽，长度略短于轴距。电池组的实际物理尺寸是：长2.7m，宽1.5m，厚度为0.1m至0.18m。其中0.18m较厚的部分是由于2个电池模块叠加造成的。这个物理尺寸指的是电池组整体的大小，包括上下、左右、前后的包裹面板。这个电池组的结构是一个通用设计，除了18650电池外，其他符合条件的电池也可以安装。此外，电池组采用密封设计，与空气隔绝，大部分用料为铝或铝合金。可以说，电池不仅是一个能源中心，同时也是Model S底盘的一部分，其坚固的外壳能对车辆起到很好的支撑作用。

由于与轮距等宽，电池组的两侧分别与车辆两侧的车门槛板对接，用螺丝固定。电池组的横断面低于车门槛板。从正面看，相当于车门槛板“挂着”电池组。其连接部分如下图所示。

电池内部结构

Model S电池组在内部被划分为7个区域（605），每个区域安装两个电池模块（701），每个模块内置370块电池单元。在电池组头部还有一个突出部分（607），其厚度也较高，这就是上文提到的0.18m的部分，安装了两个电池模块，堆叠排放。这样计算下来一共有5920块电池单元。同时这7个区域（包括突出部分一共是8个空间）相互之间是完全隔绝

的，这样的设计有两个优点：一是增加了电池组整体的牢固程度，使整个底盘结构更加坚挺；二是便于电源管理，避免某个区域的电池起火时引燃其他区域的电池（如果没有隔离整块电池组燃烧起来不堪设想）。此外，隔离板（601A-601H）内部可以被填充高熔点、低热导的材料（例如玻璃纤维）。

当然，还有另外一种填充物，那就是水，其较高的比热容可以帮助降温，吸收热能。据Tesla专利说明介绍，隔离板内部的水可以是静态的也可以是流动的，可以直接存储在隔离板内部管腔，也可以被装到特定的水袋中。如果是流动状态，可以与电池组的冷却系统连接在一起，也可以自建循环系统。在8根隔离板中，601D与601E两个隔离板与其他几根相比要更加粗壮一些。这样的设计是为了进一步增加电池组的坚固程度，使其能够更好地承受来自车辆侧面的撞击。

上图是电池模块的内部结构，从中可以看出18650电池的排列方式。有的电池正极朝上，有的电池负极朝上，每个电池模块中正极朝上与负极朝上的数量应该是各为185块。特别注意FIG.10这张图，该图展示的是拿走电池后整个电池槽的结构。那一排排呈S型的隔离板是电池冷却系统，其与电池组的热管理系统相连接。可见，电池组内部被划分为7个区域，在每个电池模块的内部，也被划分为了7个区域。

电池保护机制

这或许是研究Model S起火事故最关键的部分了。上面我们了解了电池组的内部结构，下面我们要看的是电池组之下，位于Mode S底盘最底部的一层金属保护层——防弹保护盾。在下图中这个部分是1203。在研究1203之前，我们先来了解下电池组本身有哪些保护措施。

在电池组的顶部有一层面板，即1201。这层面板既可以是单层，也可以是多层，它实现的功能有很多：降低噪音、降低热传导、降低来自底盘的震动。降噪方面，1201最高能降低20分贝1000Hz以上噪音；减震方面，1201能最高能降低40%的传递自路面的震动；隔热方面，1201能的热传导性最低能低至0.1W/m-K，最高能持续性承受750摄氏度的高温，能承受1000摄氏度约10秒，能承受1400摄氏度的高温约1秒。为了实现上述降噪、隔热以及减震水平，Tesla的研究人员发现需要对1201进行30%左右的压缩才可以。在材质方面，1201可选的材料包括陶瓷纤维、石英纤维、氧化铝、硅酸钙镁等。

然后是为了进一步保护电池组而加装的防弹保护盾，即1203。Tesla并未明确指明其材质，只是说明可以由铝、铝合金或者碳纤维材料制成，甚至还可以是由玻璃纤维或塑料。这个防弹保护盾作为车辆的最底层面板，是保护电池组不受路面障碍物撞击的第一道防线，也是最为坚固的面板。为了更好地发挥防弹保护盾的效果，在电池组的底板603与保护盾1203之间，Tesla特别设计了一个隔离区域。对于这个隔离区域，在电池专利中有两种设计：一是留空，并在每个电池隔离板（601A-601H）对应的平面内加装一条加固板（1209）。

这个加固板（1209）与隔离板（601）是处于一个平面的，这样设计主要是考虑到如果保护盾受到过大的外力撞击，原本为了抵抗撞击而设计的加固板不会因受力过大而损害到电

池组底板（603）。第二种设计即是FIG.14与15展示的，在隔离区域填充“缓冲”物质，这可以是具有弹性的材质，也可以是不具有弹性的材质。Tesla举例的材质包括塑料泡沫、填充剂等。注意图FIG.15，这种在填充物与保护盾1203之间留有空隙的设计，叫做“装蛋箱”造型。个人猜测这种设计是在填充不具有弹性的材质时使用的。

以上便是Model S电池组的结构设计解析，参考的材料是US 8286743 B2号专利。需要提醒读者的是，该专利说明提交于2011年12月5日，当时Model S车型还未大规模量产，因此该专利中描述的电池组技术与现款的Model S车型会有些许的不同。随着时间的推移，Model S电池组的制造工艺与电源管理技术在不断提升，因此本文描述的电池技术并非一定是现款Model S采用的，但基本一致。