朱玉龙

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特斯拉 Model S Plaid 模组设计和电池采样板的改进

特斯拉 Model S
电池

2022-07-01

作者:朱玉龙

蒙罗老爷子把藏的 Model S Plaid 的电池释放出来了,由于老爷子和搭档 CORY STEUBEN 讲得比较细,我就不额外叙述了。我觉得有一些好玩的地方:

  • 电池模组采用非常致密的模组设计,里面新型的水冷设计是一个尝试,双向 U 型水管使得水冷管的水道一分为二,上下两部分实现冷却水路的进出。

  • 模组间的电气连接尝试,能看到后续趋势,电连接也需要进一步和结构设计一体化考虑。

  • 在一体化模组里面,我们发现采样板 PCB 起到的作用本身就有连接的作用,因此里面的线束设计进一步减少,采样板和 Busbar 的连接设计改变也非常值得我们仔细来看。

▲图 1. 特斯拉的 Model S Plaid 的 Pack 爆炸图

下图是 Model S Plaid 模组的近照,在转向 4680 的过程中,特斯拉的工程师也做了很多的尝试。

▲图 2. 特斯拉 Model S Plaid 的大模组

模组设计的细节

电芯在模组内的布置

这种大模组的设计,采用的是 77 颗并联 22 颗串联 77P22S,每个模组共有 1584 个电芯。电芯在模组内存在正、反的交替,来实现电芯之间的电连接。这个模组内电芯正极端和负极端的连接,蒙罗老爷子做了几张图方便大家了解。

▲图 3. 模组内电池的布置结构

这个图配合下面的电芯焊接点的效果,可能更容易理解一些。目前在努力尝试设计圆柱电池的工程师朋友告诉我,想要做圆柱的模组设计,工艺层面的实现其实要比方壳电池、刀片电池麻烦多了。

▲图 4.Model S Plaid 模组电芯的焊接点

水冷板设计

由于麒麟电池的关系,大家对水冷板的设计高度关心。Model S Plaid 的蛇形水管端面,如下图所示,我们可以清晰的看到流道和接口设计,从剖面可以看到,液冷管内存在 13 个流道, 6 个流道用于进水, 6 个流道用于出水。通过下面的液冷管的接头可以控制模组的进、出水的流向,而水冷管的布置则可以完全布置在一侧。

模组的两头,一侧解决水冷,一侧解决采样板的线束连接。

▲图 5.Model S Plaid 的水冷设计

在模组内部,电芯通过发泡的导热胶,可以和液冷管实现结构上的互联, S Plaid 的冷管高度把 18650 电芯的柱面都覆盖了,根据千叶的计算,这种设计的目标是最大限度的增加冷却面积。用于灌封的蓝色的发泡导热胶从效果来看,固定作用很高,蒙罗老爷子通过手感告诉我们很难直接将其剥离,这也是胶水粘接效果的变化。

▲图 6.Model S Plaid 的模组设计

模组电气连接的设计

这里面的 5 个大模组,横向布置后每个模组的两侧边有多个固定结构,通过与下箱体内横梁螺栓固定。模组设计的模组间 busbar 连接,相邻两模组汇流排,通过焊接的方式进行连接。模组间巨大的电流走中间的拱形通道(700A 以上),因此特斯拉是选择在模组间存在一定的导体过流设计,这其实和它只采用单个 Pyrofuse 有关系,通过 Pyrofuse 来做精确管控,如果失效,通过这种硬的金属连接的弱点设计来实现应该熔断。

这五个模组连接里面等于有四个弱点,总有一个能彻底进行熔断。

▲图 7. 模组电气连接的设计

BMS 采样板

首先我们来看一下布置理念,目前采样板变成类似端板的设计布置,如下图所示,通过 Busbar 直接往单端连接省掉了 FPC,等于 Busbar 连接过程,和采样点的结合考虑到一起去,不用专门的采样线贯穿模组了。

备注:我们现在最怕的就是这种设计简化,其实把好多的材料给省掉了。

▲图 8.Model S Plaid 的设计

模组的温度采样,是通过把 NTC 直接做成板载的,数量从最早的 5 个切换到 2 个,通过金属点与液冷管的底部进行接触。这么长的模组,一共使用两个 NTC,分布在采样板的两端,也是简化了工艺,减少了 NTC 直接嵌入模组内的空间和采样线线路。

我一直在观察特斯拉的设计,其实很多基础的元器件也在被不断优化数量,所以从目前通过电池包价值量去评估二级公司的前景,有点难。因为工程设计的 VAVE 不断在降本,这还不算直接的供应商价格直接 PK。

▲图 9. 特斯拉的温度采样点

电池采样板目前设计更简洁了,如下所示,采用单面板的方式来做的。

▲图 10. 电池采样板

小结:等 Model Y 的 4680 结构化的版本出来,我们来仔细探讨一下细节的设计。在友人的帮助下,我在努力每周做一期视频,将会给大家浅显易懂的解释这些设计

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