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特斯拉Model 3若装上4680新电池 充电时间将大大缩短

特斯拉Model 3若装上4680新电池 充电时间将大大缩短
2020-10-15 15:33:51 新浪汽车-编译

充电时间大大综短。通过计算,充电时间方面,在29.4摄氏度的环境温度下,4680电池组的电量从10%充到80%所花费的时间由25分钟减少到15分钟。如果只用充电到50%,那么仅需7分钟即可完成,这样的结果几乎和汽油车加油一样快。

  在经过初步热分析,确认特斯拉4680电池将采用更简单、更容易组装的平板冷却系统设计,电池之间没有使用冷却盘管后,机械工程师和传热专家Keith Ritter PE继续分析了特斯拉4680新电池的其他特性,包括对比2170与4680电池组尺寸,估算4680电池组横截面,同时估计了可能的电池串并联配置方式以及电池单元连接方式。

特斯拉Model 3若装上4680新电池 充电时间将大大缩短

  尽管特斯拉没有明确表示将采用平板冷却方式,但多种原因都强烈暗示了这样的设计,其中最主要的原因是无法通过侧面对较大直径的电池提供有效冷却,冷却无极耳设计电池的最有效方法是穿过电池两端,毕竟无极耳设计在电池盖板与电池内部之间提供了良好的热通道。

特斯拉Model 3若装上4680新电池 充电时间将大大缩短

  铜阳极电极板本身可以用作散热片,并在电池内部提供良好的均匀温度分布。平板冷却设计可能的另一个原因是特斯拉首席执行官埃隆·马斯克(Elon Musk)称电池粘合在电池组的底部和顶部。尽管他声称此举是为了增加电池组的剪切强度,但我们认为顶板和底板也可以兼作冷却板。而在Model 3的电池组中,电池是粘合在冷却盘管上的。

特斯拉Model 3若装上4680新电池 充电时间将大大缩短

  Keith Ritter PE直接比较了Model 3/Y的2170电池组与4680电池组。为什么选择Model 3电池组进行比较?这是因为2170电池组更为熟知,尽管未来4680电池组主要应用于Semi电动卡车、Cybertruck电动皮卡以及Model S Plaid,上述几款新车细节仍不得而知,用已知基准来量化改进效果肯定要比未知基准容易得多。

  经过估算,我们得到了最终的结论。首先,充电时间大大综短。通过计算,充电时间方面,在29.4摄氏度的环境温度下,4680电池组的电量从10%充到80%所花费的时间由25分钟减少到15分钟。如果只用充电到50%,那么仅需7分钟即可完成,这样的结果几乎和汽油车加油一样快。

特斯拉Model 3若装上4680新电池 充电时间将大大缩短

  按充电时间显示的2170电池组与4680电池组(估算)充电特性比较

  而在最大充电功率方面,4680电池组从2170电池组的250 kW增加到275 kW,其中逐渐降低充电功率时,275 kW的充电功率在10%-50%的充电状态下保持恒定。而当电池组达到以Model X数据设定的45摄氏度温度极限时,我们便开始逐渐降低充电功率。这是因为较高的环境温度下,空调系统的性能会降低,降低充电功率点是环境温度的函数。

特斯拉Model 3若装上4680新电池 充电时间将大大缩短

  按充电状态显示的2170电池组与4680电池组(估算)充电特性比较

  其次,电池组尺寸大大减少。不用冷却盘管特斯拉可以将电池更紧密地堆叠在一起,因而质量更集中到车辆的中心,进一步减小了惯性力矩,改善了车辆的操控性能。

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  96S9P 76 kWh 4680电池组工程设计

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  76 kWh 4680电池组尺寸(估算)同比例对照Model 3现有2170电池组

  最后,估算的4680电池组横截面显示了顶部和底部平板冷却设计以及电池的电气连接方式。这是一种更简单的电气连接方式,特斯拉将通过线焊等方法不再使用指状捕集器,而转向一种可以直接焊接到无极耳阳极或阴极连接冷却罐上的简单板状捕集器。为了将一组电池单元的正极与另一组的负极相连,特斯拉会采用Model S倒置技术,颠倒其他并联电池组每一个电池单元。

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  4680电池组横截面(估算)

  如上所述,我们估计4680电池组使用冷却顶板和冷却底板设计,电池粘合在冷却板上,冷却板还提高了电池组的剪切强度。经过估算,电池的阴极(铝)端与电池的阳极(铜)端之间的热传递配比为30%:70%。那么,特斯拉仅靠底板就能解决工程设计难题吗?肯定不是,下面将进一步深入讨论此问题。

  我们的热电模型包括了电池组的所有细节:整体尺寸、电池单元尺寸、额定电池容量、热导率等。一个关键因素是电池单元的电阻,这决定了电池单元的发热量(热损耗=I^2R)。我们设定4680的初始内部电阻=3 mΩ @ 10%SOC,并在80%SOC下逐渐降至2 mΩ,而2170电池组则为23/20/20 mΩ。换句话说,我们将电池内部电阻降为十分之一。相比之下,特斯拉专利申请图则显示会降到5-20分之一。

  另外,制冷能力是热电模型的输入变量。我们选择保留Model 3现有的2-3吨制冷能力(取决于环境温度)。但是,特斯拉可能会增大堆栈式冷却器和交流压缩机的尺寸,提供更好的电池组冷却。电池组的热质量也会起作用。在以最大充电功率进行上述充电测试时,电池产生的热量超过制冷系统承受能力,因此电池组开始发热。热质量由于存储热量而延缓了电池过热的发生。当电池达到温度极限(45摄氏度)时,我们开始逐渐降低充电功率。下图解释了电池组发热量与空调系统的散热能力的比较。需要注意的是,在较高的环境温度下,空调性能下降。这就是为什么高温环境下最大充电功率的初始下降点出现在较低的SOC。

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  空调性能与环境温度对照

  特斯拉可以只靠冷却底板吗?只装底板结构更简单且成本更低,大多数热量(70%)通过电池铜(阳极)端散热,那为什么不把所有并联电池组的阳极端朝下而只用底板?专利图显示非常清楚,只有目前的铜质捕集器才能获得无极耳端处理。铝质捕集器在卷芯中端仍然有一个极耳用于连接冷却罐,很可能是因为太过复杂而无法在两端同时分段插入极耳。

  热传导计算表明,使用冷却底板与铜质捕集器的组合仅能完成使用顶板和底板组合的70%,同时还会产生更大的轴向热梯度,负极极耳末端将是热点。如果再使用一块冷却板,为极耳冷却罐端提供冷却,热点将沿轴向向下移动大约1/3,同时在相同的“热点”电池组峰值温度下可以多出30%的散热量。

  两块冷却板可以降低电池单元热应力/衰减,提高使用寿命。特斯拉将不断提高这些电池的使用寿命,最终达成百万英里电池。如果特斯拉还想再增大充电功率保持业内领先地位,那么就必须尽一切努力确保电池单元热应力/衰减最小。增加第二块冷却板是保证低成本的解决方案,颠倒电池组的每一个电池单元也有助于提高电池单元之间的热传导,从而通过电池单元轴向散热,并降低冷却顶板与底板之间的温度梯度。特斯拉4680电池的更多消息,敬请关注后续报道。(来源:insideevs 编译:黄永芬)

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