В области аккумуляторных технологий Tesla является одним из известных автопроизводителей, а Tesla Model S 2013 года была названа лучшим автомобилем года по версии Motor Trend, назвав ее «лучшим автомобилем года» за всю историю издания. Tesla Model S известна своим большим запасом хода, более быстрым ускорением и головокружительной скоростью, и заслуга в этом принадлежит силовой электронике и аккумуляторным системам.

Итак, в этой статье мы обсудим систему аккумулятора Tesla Model-S. Мы в основном сосредоточимся на аккумуляторной батарее и кратко рассмотрим другие темы, такие как механические или тепловые характеристики. Мы углубимся в электрические характеристики, модуль ячеек, эффективность, функции защиты.

Что такое аккумуляторная система электромобиля?

Аккумуляторная система в электромобиле является основной системой хранения энергии, а ее основными компонентами являются ячейки. Проектирование аккумуляторной системы электромобиля требует знаний и специализации в области электротехники, механики и термической инженерии, помимо материаловедения и других областей. Ниже представлена ​​блок-схема аккумуляторной системы электромобиля:

Аккумуляторная батарея Tesla Model S

Tesla производит высокомодульный аккумуляторный блок с высокой эффективностью, надежностью и безопасностью. Как объяснялось выше, аккумуляторный блок состоит из до 16 модулей, соединенных вместе последовательно. Напряжение аккумуляторного блока Tesla составляет около 400 Вольт, и это самый тяжелый компонент, и все различные версии одного и того же автомобиля могут иметь разный аккумуляторный блок, таким образом изменяя вес и емкость хранения энергии.

Например, аккумуляторная батарея Model S P85 имеет емкость 90 кВт·ч и весит более 530 кг. Она содержит 16 модулей, которые представляют собой 7104, 18650 ячеек . Аккумуляторная батарея имеет центральную шину, которая соединяет каждый модуль батареи с контактором, который питает как передний, так и задний электродвигатели. Поскольку каждый модуль имеет емкость 5,5 кВт·ч , а у нас их 16 в батарее Tesla емкостью 90 кВт·ч. Таким образом, это модуль емкостью 84 кВт·ч.

Характеристики аккумулятора Tesla Model S

Аккумуляторные батареи состоят из нескольких ячеек, объединенных вместе для формирования аккумуляторной батареи. Ячейки бывают разных размеров и форм и имеют разную внутреннюю "химию". Чтобы узнать больше о литий-ионных ячейках, прочитайте нашу предыдущую статью о сравнении аккумуляторов электромобилей.

Аккумуляторная батарея Tesla состоит из нескольких модулей батареи, а каждый модуль состоит из комбинации литий-ионных ячеек, соединенных в последовательном и параллельном порядке, чтобы создать модуль. На изображении ниже показано разделение аккумуляторной батареи Tesla на составные компоненты.

Tesla Model-S: элемент 18650

Tesla использует литий-ионные элементы 18650, производимые Panasonic для своих вариантов автомобилей Model S и Model X. На изображении ниже показан один элемент 18650, используемый в Model-S.

Размеры ячейки 18650

Ячейка, используемая в Tesla Model S, — это ячейка 18650. Ячейки имеют цилиндрическую форму и размер 18 мм в диаметре и 65 мм в высоту. Номенклатуру ячейки можно легко понять, разделив числа на 3 части. Первые 2 числа говорят нам о диаметре ячейки в миллиметрах, 3-я и 4-я цифры говорят нам о высоте ячейки, а последняя цифра говорит нам о форме ячейки.

Типы ячеек, используемых в различных автомобилях Tesla, приведены в таблице ниже:

Машина	Используемый тип ячеек в аккумуляторе
Tesla Model S	18650
Tesla Model 3	2170
Tesla Model X	18650
Tesla Model Y	2170

Чтобы узнать больше о влиянии размера элемента и его спецификации, мы ранее сравнили элементы 18650 и 32650.

Технические характеристики ячейки Model-S

Ячейка, используемая в Tesla Model S, была разработана Panasonic с учетом вклада Tesla, специально для применения в электромобилях. Характеристики ячеек Tesla Model-S приведены в таблице ниже:

Параметр	Спецификация
Емкость	3,4 Ач
Энергия одной ячейки	12.4 Втч
Номинальное напряжение	3,66 В
Объемная плотность энергии	755 Вт·ч/л
Гравиметрическая плотность энергии	254 Втч/кг
Внутреннее сопротивление	30 мОм
Масса ячейки	49г
Объем ячейки	0,0165 л

Такие вот характеристики одной из самых распространенных в настоящее время ячеек.

Модули аккумуляторных батарей Tesla Model-S

Tesla Model S использует несколько ячеек 18650 для создания аккумуляторной батареи. Но вместо того, чтобы упорядочить все ячейки и сделать одну большую батарею, Tesla использует несколько меньших батарей, называемых аккумуляторным модулем, для создания окончательной аккумуляторной батареи.

Каждый модуль имеет конфигурацию 6S 74P, то есть 6 ячеек соединены последовательно, и каждая из этих серий имеет 74 ячейки, соединенных параллельно. Каждый из модулей Tesla рассчитан на 500 А постоянного тока с 750 А пикового тока. Для поддержания температуры аккумуляторной батареи встроено жидкостное охлаждение. На изображении ниже показан один модуль аккумуляторной батареи Tesla.

На левом изображении показан модуль батареи Tesla Model S, а на правом изображении показано, как батарея подключена в конфигурации 6S 74P. Блок имеет конфигурацию 6S 74P, что делает общее количество ячеек равным 444 ячейкам. Tesla использует технику проволочного соединения для соединения каждой ячейки с аккумуляторной батареей. Провод также действует как предохранитель, повышая безопасность всей системы в случае отказа ячейки. Красный круг на изображении ниже показывает, как ячейки соединены с помощью проволочного соединения.

Преимущества метода проволочной связки 

• Во время соединения ячеек тепло в ячейку не поступает.
• Провод действует как предохранитель.
• Если соединение не удается, это не влияет на ячейки.
• Улучшает технологичность.

Недостатки метода проволочной связки 

• Увеличивает сопротивление за счет дополнительного провода.
• Увеличивает тепловыделение в системе.
• Снижение эффективности работы.

Технические характеристики аккумуляторного модуля приведены в таблице ниже:

Параметр	Спецификация
Номинальное напряжение (модуль батареи)	22,8 В/модуль
Отключение напряжения заряда (модуль аккумулятора)	25.2 В/модуль
Отключение разрядки (модуль батареи)	19.8 В/Модуль
Максимальный ток разряда (10 сек.)	750 Ампер
Высота	3,1 дюйма
Ширина	11,9 дюймов
Длина	26,2 дюйма
Масса	55 фунтов

Тепловое управление модулем

Литий-ионные элементы склонны к нагреванию под нагрузкой и рискуют выйти из строя при высоких температурах. Выход из строя может увеличить риск возгорания элемента и впоследствии вызвать цепную реакцию, что делает литий-ионный аккумулятор и электромобиль небезопасными для вождения. Система управления температурой является очень важной функцией безопасности, которая гарантирует, что температура аккумулятора остается ниже определенного порогового значения, удаляя тепло изнутри аккумулятора. На изображении ниже показана труба теплообменника, которая переносит охлаждающую жидкость внутри модуля.

Охлаждающая трубка покрыта теплопроводным и электроизоляционным материалом, который смягчает температуру внутри модуля, а также изолирует ячейки друг от друга. На изгибах используется оранжевая изоляционная лента, этот материал называется каптоновой лентой и используется для улучшения изоляции. Охлаждающая жидкость, используемая в аккумуляторной батарее Tesla, представляет собой раствор воды и гликоля. На изображении ниже показано, как температура раствора увеличивается по мере его протекания через аккумуляторную батарею.

Изображение ниже показывает температуру в различных областях в модуле батареи после завершения высокоинтенсивного теста. Синие линии изображают впуск охлаждающей жидкости, а красная линия — выпуск охлаждающей жидкости. Максимальная и минимальная температура ячейки в каждом модуле также показаны ниже. Тест был начат с начальной температуры 20°C, и были выполнены циклы заряда и разряда 250 А.

Из приведенного выше изображения ясно, что между различными модулями было обнаружено низкотемпературное отклонение. Поддержание одинаковой температуры также важно, поскольку это влияет на внутреннее сопротивление ячеек и, таким образом, на общие характеристики аккумуляторной батареи. Трубы, содержащие водно-гликолевый раствор, имеют запатентованную волнообразную конструкцию, которая увеличивает площадь поверхности, а также эффективность упаковки батареи. Нижеприведенное изображение взято из патентного документа волнообразной конструкции охлаждающей трубы Tesla.

Также можете прочитать статью про методы балансировки ячеек в блоках аккумуляторов.

Механическая структура аккумуляторной батареи Tesla

Аккумуляторная батарея Tesla model S также выступает в качестве структурного элемента и размещается в нижней части автомобиля. Она работает как фундамент для автомобиля и обеспечивает жесткость и прочность автомобиля, а благодаря размещению такого большого веса в нижней части автомобиля центр тяжести автомобиля опускается ниже, тем самым увеличивая баланс и устойчивость автомобиля. На изображении ниже, взятом из EV Tech Explained, показана структура пустой аккумуляторной батареи.

Всего в основании может поместиться 16 аккумуляторов. Каждая ниша вмещает один модуль аккумулятора. Продольные элементы усиливают шасси и обеспечивают устойчивость к продольному удару и боковому изгибу, в то время как прочность стороны обеспечивается толстыми боковыми элементами, поскольку они также обеспечивают защиту от бокового удара. Внутренние элементы используются для создания сетки для размещения модулей, но они также увеличивают прочность и физическую жесткость основания, а также изолируют модули друг от друга в случае пожара. На изображении ниже показано размещение всех 16 модулей. Справа на графической иллюстрации показано, как модули соединяются друг с другом.

Высоковольтная шина подключена в указанной выше ориентации. Красные точки обозначают положительное соединение, а черные — отрицательную сторону соединения в аккумуляторной батарее. Шины, используемые в аккумуляторной батарее, представляют собой толстые оловянные пластины с медным покрытием.

BMS, используемая в Tesla Model-S

Системы управления аккумуляторными батареями (BMS) являются наиболее важным компонентом в аккумуляторной батарее, необходимым для безопасности аккумуляторной батареи. BMS Теслы основана на ИС (интегральная схема) Texas Instruments, способной контролировать перезарядку, переразрядку, SOC, SOD, температуру и т. д. аккумуляторной батареи. Ранее мы уже рассматривали важность BMS в электромобилях. Ниже показано изображение BMS Tesla Model-S.

BMS, используемая Tesla в Model-S, основана на мониторе литий-ионных аккумуляторов bq76PL536A-Q1 3-to-6 Series-Cell Lithium-Ion Battery Monitor и вторичной защите Texas Instruments. BMS интегрирована в каждый модуль и контролирует срок службы аккумулятора, температуру и цикл заряда-разряда ячеек. Это наращиваемая система мониторинга аккумуляторов , использующая высокоскоростной последовательный периферийный интерфейс (SPI) для передачи данных. На изображении ниже показано упрощенное системное подключение BMS.

BMS могут взаимодействовать друг с другом с помощью связи по интерфейсу SPI. Все BMS модуля действуют как подчиненные BMS и взаимодействуют с главной BMS через изоляционный барьер, главная BMS взаимодействует с ECU (электронным блоком управления) и зарядным устройством и управляет главными контакторами. BMS размещается сбоку каждого модуля батареи. Измерение напряжения ячеек выполняется с помощью проводов, приваренных к соединительным пластинам параллельных соединений. Не так много данных доступно о модуле BMS, используемом в Tesla Model S, поэтому делается мало расчетных предположений о технологии BMS в этом автомобиле.

Красная обведенная область на приведенном выше изображении BMS показывает, что BMS содержит 6 ИС мониторинга для каждого последовательного соединения в модуле. Желтая обведенная область показывает клеммы, к которым будет подключено соединение от 6 ячеек. ИС от TI, используемая в BMS, может быть подключена последовательно, чтобы требовалось только одно коммуникационное соединение с системой. И, вероятно, используемая главная BMS разработана BOSCH, вся система использует коммуникацию по шине CAN для связи с центральным компьютером транспортного средства. Если у вас есть дополнительная информация по этому поводу, пожалуйста, не стесняйтесь размещать ее в комментариях, чтобы мы могли обновить статью.

Заключение

Tesla Model-S действительно имеет отличный аккумулятор, усилия и инженерные разработки, вложенные во время проектирования и разработки этого аккумулятора, просто ошеломляют. Всему, от выбора ячейки до конструкции модулей и аккумулятора, уделяется должное внимание. Идея использования аккумулятора в качестве конструкционного материала была техническим кошмаром, но отличная механическая конструкция сделала это вполне безопасным и опустила центр тяжести всего автомобиля близко к земле, тем самым увеличив устойчивость и маневренность автомобиля. Ячейки, используемые в аккумуляторе, являются одними из лучших на рынке, отсюда и спрос на повторное использование модулей и ячеек аккумулятора Tesla. Информация, раскрытая Tesla, и сведения, доступные в Интернете, затрудняют проверку информации. Поэтому, если у вас есть какие-либо дополнительные сведения или вы случайно нашли какую-либо дезинформацию в этой статье, пожалуйста, не стесняйтесь оставлять комментарии ниже, чтобы мы могли сделать эту статью более полезной.

8 просмотров