超级开箱4680:TESLA-圆柱大PACK设计思考

文摘   汽车   2024-11-12 08:10   江苏  

从目前特斯拉公布的视频及MUNRO拆解视频,以及特斯拉Gigafactory Austin的技术展,向我们揭开了更多4680电芯技术和CTC技术的细节,结合特斯拉柏林技术展透漏的更多细节,4680电芯布置、模组设计与装配、冷板与PACK整体布置,目前已经可以看到一定的脉络;


作为电动汽车的领导者,TESLA4680电池液冷系统及其整包PACK设计方案都值得进一步探讨。


14680电芯布置方案对比


Gigafactory Berlin4680        Gigafactory Austin4680


对比来看,Gigafactory Austin德州版本的方案更像是当前M3/Y的大模组布置形式,它有4个长的block,每个block中有3组电芯列,每个电芯列由两列电芯+一根水冷管构成,一组电芯列共计电芯35+3469个,那么每个block共计69*3207个;Austin展示的这个版本MY共计有828个电芯。


Gigafactory Berlin4680电芯布置更类似于当前的S/X Plaid,它是5个横向的大模组的类似的空间利用。


图:Gigafactory Austin4680电芯布置


图:Gigafactory Berlin4680电芯布置


Gigafactory Austin4680 Pack中总的电芯数量。


图 弹链模组


从上面的这张图我们也是可以看到(数一数),整个包每个模组35+34=69,69*3=207个电芯,按最新MURNO视频看,为23S9P,整包共有204*4828个电芯;


图 模组并联铝bar from 知化汽车


2170M3/Y,到S/X Plaid,再到4680,特斯拉逐渐舍弃了铝丝焊接的方案,因为汇流排所需要承载的电流更大了,这对细长的铝丝是个挑战,采用“铝条”本身通过激光焊接直接与电芯的正负极相连,Z向空间的体积利用率更高,工艺也更简单。


2)液冷方案及水冷管的设计


话不多说,直接上图,从最开始的图片可知,目前方案仍然沿用前期的蛇形扁管方案:


图 端部汇流口


笔者前期也分析过CATL麒麟3.0方案,细细思量,两种方案却有异曲同工之处。


图 蛇形管液冷方案



图 4680拆包之管路


从图纸可以直观地看到,采用两路主管形式,多路并联方式进行分流,没有什么新的东西。


Gigafactory Austin确认了这个版本的4680 pack冷却的设计,基于沿用了S.X Plaid的双向冷管设计,结合纵向布置的空间思路,它在PACK端的进、出水口与当前的3/Y是类似,冷却管路的布置也类似。这样,把BMS采样的部分可以直接置于penthouse下方,可以节省路径,省却电路连接。


 MODLE 3/Y使用的快插接头


图 采用U型流道接头,上下并行,端部汇流


图 拆解图


3)模组block的设计与装配


图 4680支架方案


电芯的底部固定也可以看得比较清楚,即在底部黑色支架与电芯之间,是布置有云母的,并采用圆柱电芯常规设置,设置ABS支架:


图 常见圆柱模组方案


每个模组block共有3列电芯组构成,电芯在与相应的冷管完成组件后,放到相应的pot中,然后再把整体放到下箱体中。电芯在向下泄爆时,还是泄放在下箱体内,4680的下箱体集成了承载电芯+电芯VENT泄爆路径方案。




4)整个PACK的布置


我们再看下它整体的PACK布置,与S.X Plaid是类似的,高压控制集成到后面的penthouse中,它的快充接口与Berlin的方案也不同。




CTC pack的正面视图。


图 整包PACK外箱


CTC pack与车身的位置关系集成,从这个视角来看,Gigafactory Austin的这种4680布置,让它的整个热失控防护也做了相应的调整,下箱体后端这4个橘黄色的器件像是平衡阀(没有集成泄爆),它的箱体两侧没有展示出来是否布置了像Berlin 4680那些泄爆阀。




从这两次特斯拉对4680方案的展示来看,它内部应该是有至少2个方案在走,有可能是高低版本的不同。每一种方案都非常有意思,既是对前面技术的继承,又是再次创新,我们期待它的量产方案!


5)实物整包PACK拆解-MUNRO



这是海外拆解机构蒙罗MUNRO最新披露的照片,看了这个图,很清晰地就可以明白,它确实是实现了所想要的效果!特斯拉是将电芯做为整个电池、整车结构刚强度的一部分的,虽然马斯克已经说过,会利用电芯来承担部分的剪切力,并且,会直接把电池包上盖与乘员舱上盖集成。


基本上,它是用了整包灌胶的思路,从用途来看,胶以结构强度为主,让上、下、壳体内的所有零部件粘固为一体(除了Penthouse),电池包装配完成后,就像是一个水泥块!这样整个包、作为整体,它的力学性能非常好,你踩到上面,基本就像是踩在地板一样,是坚实的。


图 MURNO拆包


这里我们可以依稀看到4个“模组”的位置所在,这个老版的Model Y还是比较神似,比较大的差异在于由于它是在同一端进出水管,所以整个液冷管路区域占据的空间是比老版要大得多。


图 整体内部液冷框架



图 串并联设计


电气方面的另一个变化大于busbar上的改变,目前看到可能铜busbar会比老版Model Y应用得更多;液冷方面的变化在于液冷管路的走向布置,管路的管径大小,管路的材料。等等。



图 电气仓结构


目前我们能看到的它的主箱体内部胶粘固定方式。对于Penhouse(配电箱)这一块,在构上有不小的变化,高度上整体有提高,在密封方式上有改变;电气布置上,大的空间利用没有动,具体的零部件,像Pyrofuse位置调整了,因为它需要在车内打开penthouse上盖就可以进行断开高压回路,以便于维修安全方面的考虑;


其次对于CTC最为重要的电池包与整车之间的固定和密封,基本的脉络是比较清晰的:



一圈主密封胶(条),整个电池包,包括上盖地板通过38个螺栓来实现与整车的固定。在整个系统层面还有个值得关注的问题,电池包最下面有一个底护板,这个板子与下箱体构成结构支撑,完成结构箱体的功能集成,也是目前各PACK厂商的常见设计。


6PACK设计逻辑思考


从整个电芯的固定、高低压连接来看,特斯拉的CTC在具体集成时,用胶粘的方案将所从箱体传递来的力引导至电芯上,而这些连接件的受力相对较小。


图 内部模组结构


热失控防护的基本出发点与目前的M3/Y是相同的,特斯拉是希望将热失控首先控制在“模组”层级,这样整个箱体层级的泄爆压力会小很多。


两种TESLA技术路径演变:

(1)柏林版4680:Model S/X→S/X Plaid(CTP)→4680 CTC

(2)德州版4680:Model S/X→Model 3/Y 大模组→4680 CTC


综上,TESLA-4680PACK电池包内几个设计重点一目了然:


(1)液冷系统设计:


沿用蛇形管扁管设计、采用新工艺方法(胶粘),新模组(1条蛇形管配2条电芯构成弹链)形式;


(2)热失控防护设计


底部VENT喷阀设计,也直接关系到整体电芯方案的设计;


(3)PACK下箱体设计


需要考虑喷阀路径及烟道设计,电芯泄爆阀朝下喷,下箱体-镂空结构-电芯;


(4)电芯间电连接方式:


再次回归到18650常规的铝片焊接方式,采用激光焊接方式,对焊接工艺、焊接可靠性提出了新的挑战;


(5)CTP到CTC的箱体构型:


从目前TESLA-4680的另一种无模组方案及目前麒麟3.0侧面冷却思路来看,箱体去除横梁、整包采用铝板辅助增强的操作,或是通往CTC的一条捷径。


图 TESLA Y


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END


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