庖丁解“?！?，從專(zhuān)利看Tesla電池組設(shè)計(jì)

其中最為人關(guān)注的莫過(guò)于Model S的起火事故，而在起火事故中最核心的問(wèn)題就是電池技術(shù)?？梢哉f(shuō)，這是牽動(dòng)Tesla股價(jià)起起落落的“元兇”，也是投資者最關(guān)心的問(wèn)題。在美國(guó)發(fā)生的兩起起火事故有著相似的情節(jié)：Model S撞擊到金屬物體后，導(dǎo)致電池起火，但火勢(shì)都被很好地控制在車(chē)頭部分。在墨西哥的事故中，主要的燃燒體也是電池。而且在3起事故中，如何把著火的電池?fù)錅鐚?duì)消防員來(lái)說(shuō)都是個(gè)難題。

這讓很多人產(chǎn)生一個(gè)疑問(wèn)：Model S的電池就這么不禁撞嗎？Model S的電池位于車(chē)輛底部，采用的是松下提供的18650鈷酸鋰電池，整個(gè)電池組包含約8000塊電池單元；鈷酸鋰電池能量密度大，但穩(wěn)定性較差，為此Tesla研發(fā)了3級(jí)電源管理體系來(lái)確保電池組正常運(yùn)作。現(xiàn)在，讓我們借助Tesla的電池技術(shù)專(zhuān)利，來(lái)透徹地了解下Model S電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)特征。

布局與形體

如專(zhuān)利圖所示，Model S的電池組位于車(chē)輛的底盤(pán)，與輪距同寬，長(zhǎng)度略短于軸距。電池組的實(shí)際物理尺寸是：長(zhǎng)2.7米，寬1.5米，厚度為10-18厘米，其中較厚的18厘米部分是由于2個(gè)電池模塊疊加造成的。這個(gè)物理尺寸指的是電池組整體的大小，包括上下、左右、前后的包裹面板。

這個(gè)電池組的結(jié)構(gòu)是一個(gè)通用設(shè)計(jì)，除了18650電池外，其他符合條件的電池也可以安裝。此外，電池組采用密封設(shè)計(jì)，與空氣隔絕，大部分用料為鋁或鋁合金?？梢哉f(shuō)，電池不僅是一個(gè)能源中心，同時(shí)也是Model S底盤(pán)的一部分，其堅(jiān)固的外殼能對(duì)車(chē)輛起到很好的支撐作用。

由于與輪距等寬，電池組的兩側(cè)分別與車(chē)輛兩側(cè)的車(chē)門(mén)檻板對(duì)接，用螺絲固定。電池組的橫斷面低于車(chē)門(mén)檻板。從正面看，相當(dāng)于車(chē)門(mén)檻板“掛著”電池組。其連接部分如下圖所示。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Model S電池組在內(nèi)部被劃分為7個(gè)區(qū)域（605），每個(gè)區(qū)域安裝兩個(gè)電池模塊（701），每個(gè)模塊內(nèi)置370塊電池單元。在電池組頭部還有一個(gè)突出部分（607），其厚度也較高，這就是上文提到的0.18m的部分，安裝了兩個(gè)電池模塊，堆疊排放。這樣計(jì)算下來(lái)一共有5920塊電池單元。同時(shí)這7個(gè)區(qū)域（包括突出部分一共是8個(gè)空間）相互之間是完全隔絕的，這樣的設(shè)計(jì)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

一是增加了電池組整體的牢固程度，使整個(gè)底盤(pán)結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)挺；

二是便于電源管理，避免某個(gè)區(qū)域的電池起火時(shí)引燃其他區(qū)域的電池（如果沒(méi)有隔離整塊電池組燃燒起來(lái)不堪設(shè)想）。此外，隔離板（601A-601H）內(nèi)部可以被填充高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)的材料，如玻璃纖維等。

當(dāng)然，還有另外一種填充物，那就是水，其較高的比熱容可以幫助降溫，吸收熱能。據(jù)Tesla專(zhuān)利說(shuō)明介紹，隔離板內(nèi)部的水可以是靜態(tài)的也可以是流動(dòng)的，可以直接存儲(chǔ)在隔離板內(nèi)部管腔，也可以被裝到特定的水袋中。如果是流動(dòng)狀態(tài)，可以與電池組的冷卻系統(tǒng)連接在一起，也可以自建循環(huán)系統(tǒng)。

在8根隔離板中，601D與601E兩個(gè)隔離板與其他幾根相比要更加粗壯一些。這樣的設(shè)計(jì)是為了進(jìn)一步增加電池組的堅(jiān)固程度，使其能夠更好地承受來(lái)自車(chē)輛側(cè)面的撞擊。

上面兩張圖是電池模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從中可以看出18650電池的排列方式。有的電池正極朝上，有的電池負(fù)極朝上，每個(gè)電池模塊中正極朝上與負(fù)極朝上的數(shù)量應(yīng)該是各為185塊。特別注意帶有1001的這張圖，該圖展示的是拿走電池后整個(gè)電池槽的結(jié)構(gòu)。那一排排呈S型的隔離板是電池冷卻系統(tǒng)，其與電池組的熱管理系統(tǒng)相連接?？梢?jiàn)，電池組內(nèi)部被劃分為7個(gè)區(qū)域，在每個(gè)電池模塊的內(nèi)部，也被劃分為了7個(gè)區(qū)域。

保護(hù)機(jī)制

這或許是研究Model S起火事故最關(guān)鍵的部分了。上面我們了解了電池組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，下面我們要看的是電池的一些保護(hù)措施。

在電池組的頂部有一層面板，即1201。這層面板既可以是單層，也可以是多層，它實(shí)現(xiàn)的功能有很多：降低噪音、降低熱傳導(dǎo)、降低來(lái)自底盤(pán)的震動(dòng)。

降噪方面，1201最高能降低20分貝1000Hz以上噪音；減震方面，1201能最高能降低40%的傳遞自路面的震動(dòng)；隔熱方面，1201能的熱傳導(dǎo)性最低能低至0.1W/m-K，最高能持續(xù)性承受750攝氏度的高溫，能承受1000攝氏度約10秒，能承受1400攝氏度的高溫約1秒。為了實(shí)現(xiàn)上述降噪、隔熱以及減震水平，Tesla的研究人員發(fā)現(xiàn)需要對(duì)1201進(jìn)行30%左右的壓縮才可以。在材質(zhì)方面，1201可選的材料包括陶瓷纖維、石英纖維、氧化鋁、硅酸鈣鎂等。

然后是為了進(jìn)一步保護(hù)電池組而加裝的防彈保護(hù)盾，即1203。Tesla并未明確指明其材質(zhì)，只是說(shuō)明可以由鋁、鋁合金或者碳纖維材料制成，甚至還可以是由玻璃纖維或塑料。這個(gè)防彈保護(hù)盾作為車(chē)輛的最底層面板，是保護(hù)電池組不受路面障礙物撞擊的第一道防線(xiàn)，也是最為堅(jiān)固的面板。

為了更好地發(fā)揮防彈保護(hù)盾的效果，在電池組的底板603與保護(hù)盾1203之間，Tesla特別設(shè)計(jì)了一個(gè)隔離區(qū)域。對(duì)于這個(gè)隔離區(qū)域，在電池專(zhuān)利中有兩種設(shè)計(jì)：

一是留空，并在每個(gè)電池隔離板（601A-601H）對(duì)應(yīng)的平面內(nèi)加裝一條加固板（1209）。隔離區(qū)域的高度根據(jù)具體應(yīng)用情形為10-50毫米之間。這個(gè)加固板（1209）與隔離板（601）是處于一個(gè)平面的，這樣設(shè)計(jì)主要是考慮到如果保護(hù)盾受到過(guò)大的外力撞擊，原本為了抵抗撞擊而設(shè)計(jì)的加固板不會(huì)因受力過(guò)大而損害到電池組底板（603）。

第二種設(shè)計(jì)即是如下圖所示，在隔離區(qū)域填充“緩沖”物質(zhì)。對(duì)于物質(zhì)本身，并沒(méi)有彈性要求，Tesla舉例的材質(zhì)包括塑料泡沫、填充劑等。在右圖中，這種在填充物與保護(hù)盾1203之間留有空隙的設(shè)計(jì)，叫做“裝蛋箱”造型。個(gè)人猜測(cè)這種設(shè)計(jì)是在填充不具有彈性的材質(zhì)時(shí)使用的。

以上便是Model S電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解析，參考的材料是US 8286743 B2號(hào)專(zhuān)利。需要提醒讀者的是，該專(zhuān)利說(shuō)明提交于2011年12月5日，當(dāng)時(shí)Model S車(chē)型還未大規(guī)模量產(chǎn)，因此該專(zhuān)利中描述的電池組技術(shù)與現(xiàn)款的Model S車(chē)型會(huì)有些許的不同。隨著時(shí)間的推移，Model S電池組的制造工藝與電源管理技術(shù)在不斷提升，因此本文描述的電池技術(shù)并非一定是現(xiàn)款Model S采用的，但基本一致。