Устройство аккумуляторной батареи Tesla Model S

В нашей недавней статье мы частично рассмотрели конфигурацию аккумуляторной батареи Tesla Model S емкостью 85 кВт*ч. Напомним, основным элементом батареи является литий-ионная аккумуляторная ячейка компании Panasonic, 3400 mAh, 3,7 V.

CEBC1XX00562X_1

Ячейка Panasonic, типоразмер 18650

На рисунке показана типовая ячейка. Реально в Тесле ячейки немного модифицированы.

Данные ячейки параллельно соединяются в группы по 74 шт. При параллельном соединении напряжение группы равно напряжению каждого из элементов (4,2 В), а емкость группы равна сумме емкостей элементов (250 Ач).

Далее шесть групп соединяются последовательно в модуль.  При этом напряжение модуля суммируется из напряжений групп и равняется примерно 25 В (4,2 В*6 групп). Емкость остается 250 Ач. Наконец, модули соединяются последовательно в батарею. Всего батарея содержит 16 модулей (итого 96 групп). Напряжение всех модулей при этом суммируется и составляет в итоге 400 В (16 модулей * 25 В).

В качестве нагрузки для данной батареи выступает асинхронный электропривод максимальной мощностью 310 кВт. Поскольку P=U*I, в номинальном режиме при напряжении 400 В в цепи протекает ток I=P/U=310000/400=775 А. На первый взгляд может показаться, что это сумасшедший ток для такой «батарейки». Однако, не стоит забывать, что при параллельном соединении по первому закону Кирхгофа I=I1+I2+…In, где n — число параллельных ветвей. В нашем случае n=74. Поскольку внутри группы внутренние сопротивления ячеек мы считаем условно равными, то и токи в них будут одинаковыми. Соответственно, непосредственно через ячейку протекает ток In=I/n=775/74=10,5 А.

Много это или мало? Хорошо или плохо? Для того чтобы ответить на эти вопросы, обратимся к разрядной характеристике литий-ионного аккумулятора. Американские народные умельцы, разобрав батарею, провели ряд испытаний. В частности, на рисунке приведены осциллограммы напряжений при разряде ячейки, взятой из реальной Tesla Model S, токами: 1А, 3А, 10А.

Разрядная характеристика аккумуляторной ячейки Tesla Model S

Разрядная характеристика аккумуляторной ячейки Tesla Model S

Всплеск на кривой 10 А обусловлен ручным переключением нагрузки на 3А. Автор эксперимента решал параллельно еще одну задачу, мы на ней останавливаться не будем.

Как видно из рисунка, разряд током в 10 А вполне удовлетворяет требованиям по напряжению ячейки. Этот режим соответствует разряду по кривой 3C. Следует отметить, что мы взяли самый критичный случай, когда мощность двигателя максимальна. Реально, с учетом очень грамотной организации механической части, использования двухмоторного привода с оптимальным передаточным числом редукторов, автомобиль будет работать с разрядом 2…4 А (1С). Лишь в моменты очень резкого разгона, при езде в гору на высокой скорости, ток ячейки может достигать в пике 12…14 А.

Какие еще преимущества это дает? Для данной нагрузки в случае постоянного тока сечение медного проводника можно выбрать 2 мм.кв. Tesla Motors убивает здесь двух зайцев. Все соединительные проводники выполняют еще и функцию предохранителей. Соответственно, нет необходимости использовать дорогую систему защиты, дополнительно использовать плавкие предохранители. Сами соединительные проводники в случае перегрузки по току за счет малого сечения плавятся и предотвращают аварийную ситуацию. Подробнее об этом мы писали здесь.

Разные материалы

Разные материалы

На рисунке проводники 507 и есть те самые соединители.

Наконец, рассмотрим последний вопрос, волнующий умы современности, и вызывающий волну споров. Почему Тесла использует именно литий-ионные аккумуляторы?

Сразу оговорюсь, что конкретно в этом вопросе я выскажу своё, субъективное мнение. С ним можно не соглашаться)

Проведем сравнительный анализ разных типов аккумуляторов.

Параметр Свинцово-кислотная Никель кадмиевая Литий-ионная Литий-железо-фосфатная
Напряжение ячейки, В 2 1,2 3,6 3,3
Плотность энергии, Вт*ч/кг 30-50 45-80 150-190 90-120
Жизненный цикл, кол-во 200-300 1000 500-1000 1000-2000
Термостабильность Высокая Высокая Низкая Высокая
Стоимость  Руб/кВт*ч 15000-50000 80000-130000 21000-80000 38000-55000

Очевидно, литий-ионная батарея имеет на сегодня самые высокие удельные показатели. Лучшей батареи по плотности энергии и соотношению масса/габарит пока, увы, в массовом производстве не существует. Именно поэтому в Tesle получилось сделать столь сбалансированную батарею, обеспечивающую запас хода до 500 км.

Вторая причина, на мой взгляд, маркетинговая. Все таки в среднем ресурс таких ячеек составляет порядка 500 циклов заряд-разряд. А это означает, что при активном использовании автомобиля, Вам придется заменить батарею максимум через два года. Хотя, компания действительно стремится увеличить жизненный цикл ячеек.

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *