Thảo luận công nghệ tối ưu hóa năng lượng hệ thống pin lithium của xe điện thuần Tesla

Trên thế giới không có loại pin nào an toàn tuyệt đối, chỉ có những rủi ro chưa được nhận diện và ngăn chặn triệt để. Tận dụng triệt để khái niệm phát triển an toàn sản phẩm hướng tới con người. Mặc dù các biện pháp phòng ngừa chưa đầy đủ nhưng các rủi ro về an toàn có thể được kiểm soát.

Lấy vụ tai nạn mẫu trên đường cao tốc Seattle năm 2013 làm ví dụ. Có một không gian tương đối độc lập giữa các mô-đun pin trong bộ pin, được cách ly bởi cấu trúc chống cháy. Khi ô tô ở dưới cùng của nắp bảo vệ ắc quy bị vật cứng đâm thủng (lực tác động đạt 25 tấn và độ dày của tấm đáy tháo rời khoảng 6,35 mm, đường kính lỗ là 76,2 mm), khiến mô-đun ắc quy bị hỏng. mất khả năng kiểm soát nhiệt và lửa. Đồng thời, hệ thống quản lý ba cấp của nó có thể kích hoạt cơ chế an toàn kịp thời để cảnh báo người lái xe rời khỏi xe càng sớm càng tốt, để cuối cùng người lái xe không bị thương. Chi tiết về thiết kế an toàn cho xe điện Tesla vẫn chưa rõ ràng. Do đó, chúng tôi đã tham khảo các bằng sáng chế có liên quan của Hệ thống lưu trữ năng lượng điện cho xe điện Tesla, kết hợp với thông tin kỹ thuật hiện có và tìm hiểu sơ bộ. Tôi hy vọng những người khác là sai. Chúng tôi hy vọng rằng chúng tôi có thể học hỏi từ những sai lầm của họ và ngăn chặn những sai lầm lặp lại. Đồng thời, chúng ta có thể phát huy tối đa tinh thần bắt chước và đạt được sự tiếp thu và đổi mới.

Bộ pin Tesla Roadster

Chiếc xe thể thao này là chiếc xe thể thao thuần điện đầu tiên của Tesla được sản xuất hàng loạt vào năm 2008, với số lượng sản xuất giới hạn toàn cầu là 2500 chiếc. Bộ pin của mẫu xe này được đặt ở cốp sau ghế (như hình 1). Trọng lượng của toàn bộ bộ pin khoảng 450kg, thể tích khoảng 300L, năng lượng khả dụng là 53kWh và tổng điện áp là 366V.

Bộ pin dòng Tesla Roadster gồm 11 mô-đun (như trong Hình 2) Mô-đun bên trong, 69 ô riêng lẻ được kết nối song song để tạo thành một viên gạch (hay "cell brick"), tiếp theo là 9 viên gạch được nối nối tiếp để tạo thành một cục pin gói với 6831 ô riêng lẻ trong một mô-đun. Mô-đun này là một đơn vị có thể thay thế. Nếu một trong các pin bị hỏng, nó phải được thay thế.

Các mô-đun có thể thay thế được chứa pin; Đồng thời, mô-đun độc lập có thể tách pin đơn theo mô-đun. Hiện tại, tế bào đơn của nó là một lựa chọn quan trọng để sản xuất Sanyo 18650 tại Nhật Bản.

Theo lời của Chen Liquan, viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, lập luận về việc lựa chọn công suất pin đơn của hệ thống lưu trữ năng lượng xe điện là lập luận về con đường phát triển của xe điện. Hiện nay, do hạn chế của công nghệ quản lý pin và các yếu tố khác, hệ thống lưu trữ năng lượng xe điện ở Trung Quốc chủ yếu sử dụng pin vuông dung lượng lớn. Tuy nhiên, tương tự như Tesla, có rất ít hệ thống lưu trữ năng lượng cho xe điện được lắp ráp bằng pin đơn dung lượng nhỏ, bao gồm cả Công nghệ Hàng Châu. Giáo sư Li Gechen của Đại học Công nghệ Cáp Nhĩ Tân đã đề xuất một thuật ngữ mới "an toàn nội tại", được một số chuyên gia trong ngành pin công nhận. Hai điều kiện được đáp ứng: một là pin có dung lượng thấp nhất và giới hạn năng lượng không đủ để gây ra hậu quả nghiêm trọng. Nếu nó cháy hoặc nổ khi sử dụng hoặc cất giữ một mình; Thứ hai, trong mô-đun pin, nếu pin có dung lượng thấp nhất bị cháy hoặc phát nổ thì sẽ không làm cho các chuỗi tế bào khác bị cháy hoặc nổ. Xem xét mức độ an toàn hiện tại của pin lithium, Khoa học và Công nghệ Hàng Châu cũng sử dụng pin lithium hình trụ dung lượng nhỏ để lắp ráp các bộ pin theo kết nối song song và nối tiếp mô-đun (vui lòng tham khảo CN101369649). Thiết bị kết nối và sơ đồ lắp ráp pin được thể hiện trên hình 3.

Ngoài ra còn có một phần nhô ra trên đầu của bộ pin (khu vực P8 trong Hình 5 tương ứng với phần nhô ra ở phía bên phải của Hình 4). Lắp đặt hai mô-đun pin để xếp chồng và xả pin. Có 5920 pin đơn trong bộ pin.

8 khu vực trong bộ pin (bao gồm cả phần nhô ra) hoàn toàn cách ly với nhau. Trước hết, tấm cách ly làm tăng độ bền kết cấu tổng thể của bộ pin, giúp toàn bộ cấu trúc bộ pin trở nên chắc chắn hơn. Thứ hai, khi pin ở một khu vực bắt lửa, nó có thể chặn và ngăn chặn pin ở khu vực khác bắt lửa một cách hiệu quả. Miếng đệm có thể được lấp đầy bằng vật liệu có điểm nóng chảy cao và độ dẫn nhiệt thấp (như sợi thủy tinh) hoặc nước.

Mô-đun pin (như trong Hình 6) được chia thành bảy khu vực (khu vực m1-M7 trong Hình 6) bằng tấm cách ly hình chữ s. Tấm cách ly loại s cung cấp kênh làm mát cho mô-đun pin và được kết nối với hệ thống quản lý nhiệt của bộ pin.

So với bộ pin Roadster, mặc dù hình dáng bên ngoài của bộ pin mẫu đã thay đổi đáng kể nhưng thiết kế cấu trúc gồm các vách ngăn độc lập để ngăn chặn sự lây lan của hiện tượng thoát nhiệt vẫn tiếp tục.

Không giống như bộ pin Roadster, một pin đơn nằm phẳng trên xe và các pin đơn của bộ pin Model được sắp xếp theo chiều dọc. Vì pin đơn phải chịu lực đùn trong khi va chạm, lực dọc trục có nhiều khả năng tạo ra ứng suất nhiệt dọc theo cuộn dây lõi hơn là lực hướng tâm. Về mặt lý thuyết, do đoản mạch bên trong nằm ngoài tầm kiểm soát, bộ pin xe thể thao có nhiều khả năng tạo ra ứng suất nhiệt ngoài tầm kiểm soát khi va chạm bên cạnh hơn so với các hướng khác và bộ pin mẫu có nhiều khả năng tạo ra sự thoát nhiệt khi ở phía dưới va chạm đùn.

Hệ thống quản lý pin ba cấp

Không giống như hầu hết các nhà sản xuất theo đuổi công nghệ pin tiên tiến hơn, Tesla, với hệ thống quản lý pin ba cấp, đã chọn loại pin lithium 18650 trưởng thành hơn thay vì pin vuông lớn hơn. Thiết kế quản lý phân cấp có thể quản lý hàng ngàn pin cùng một lúc. Khung của hệ thống quản lý pin được hiển thị trong Hình 7. Lấy hệ thống quản lý pin ba cấp độ oadster của Tesla làm ví dụ:

1) Ở cấp độ mô-đun, đặt bảng Giám sát pin (BMB) để theo dõi điện áp của pin đơn trong mỗi viên gạch của mô-đun (là đơn vị quản lý tối thiểu), nhiệt độ của từng viên gạch và điện áp đầu ra của toàn bộ mô-đun .


2) BatterySystemMonitor (BSM) được đặt ở mức pin để theo dõi trạng thái hoạt động của pin, bao gồm dòng điện, điện áp, nhiệt độ, độ ẩm, hướng, khói, v.v.

3) Ở cấp độ phương tiện, VSM được thiết lập để giám sát BSM.