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，同時也能充分發揮山寨之精神，實現吸收再創新。

　　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個模組串聯構成（如圖2所示）；在模組內部，先由69節單體電芯并聯構成一個Brick（或稱之為“電池磚”），再由9個Brick串聯構成一個模組，整個電池包中共有6831節單體電芯。模組是可更換的單元，如果某節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生燃燒或爆炸，不會引起其他電芯連鎖燃燒或爆炸?？紤]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，并采用模塊化并聯和串聯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個區域（圖5中P1-P7區域），每個區域安裝有兩個電池模組，每個模組內有370節單體電芯。

　　在電池包頭部還有一個突出部分（圖5中P8區域，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節單體電芯。

　　電池包內8個區域（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；二是當某個區域的電池起火時能有效阻隔，避免引燃其他區域的電池。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個區域（圖6中M1-M7區域），“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，但通過獨立分區以實現阻斷熱失控發生蔓延的結構設計仍得到延續。

　　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

　　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研發的三級電池管理系統。通過采取分層管理的設計，可以同時對數千節電池進行管理，其電池管理系統框架如圖7所示。以Tesla Roadster三級電池管理系統為例：

　　1）在模組的層面上，均設置有BMB(Battery Monitor board)，監控模組內的每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)，監控整個電池包的運行狀態，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)，用以監控BSM。

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

圖7 Tesla Roadster三級電池管理系統架構示意圖