第八节 特斯拉纯电动汽车
一、概述
特斯拉Roadster动力性能优异，整车各项参数为，整备质量1235kg；电池系统可用能量53kW·h；0～100km/h加速3.9s；最高时速可以达到200km/h；最大输出功率215kW；最大转矩400N·m；最大续驶里程可以达到390km，甚至创造过单次充电行驶501km的世界；量产电动车续驶里程记录；电池-里程（Battery To Wheel）的转换率可达135W·h/km（EPA公路循环）。
特斯拉Roadster出色的动力性能不仅得益于碳纤维材料在车身上的应用，更离不开所搭载的动力电池系统的卓越表现，如图2-68所示。
图2-68 动力电池系统布置示意图
二、电池系统
1.组成结构
特斯拉选择使用18650电芯组成Roadster的电池系统，总计使用了6831节电芯。其组成结构如图2-69、图2-70所示。
图2-69 动力电池系统外观及其在车辆上的装配位置
图2-70 电芯
①由69节18650电芯构成一个“Brick”，每个“Brick”中的电芯全部并联在一起，如图2-71所示。
图2-71 Brick
②9个“Brick”串联构成一个“Sheet”，如图2-72所示。
图2-72 Sheet
③11个“Sheet”串联之后，构成整个电池系统，在电池系统中，“Sheet”是最小的可更换单元，如图2-73所示。
图2-73 电池系统
特斯拉之所以在其首款量产电动车上配备由18650电芯组成的电池系统，是其认为过去15多年的时间里18650电芯在消费类电子产品中得到了广泛的应用。全球每年要生产数十亿个18650单元，其安全级别不断提高，所积累的先进技术完全能够应用于车载电池领域。并且，消费类电子产品对18650电芯的大量需求可帮助其在降低成本的同时提高电芯的能量密度。另外，由于每个电芯的尺寸较小，则电芯的能量可控制在较小的范围。与使用大尺寸电芯的电池组相比，即使电池组的某个电芯发生故障，也能降低故障带来的影响。
从散热角度分析，18650电芯的“表面积/体积”与方形电芯（假设其容量为18650电芯的20倍）相比，约为方形电芯的7倍，这将大大增加18650电芯在散热方面的优势。
2.安全措施
为了确保电池系统安全性，特斯拉从电芯到电池系统采取了多种安全措施，其中包括以下几种。
（1）电芯的安全措施
①在电芯正极附近装有PTC（PositiveTemperatureCoefficient）装置，当电芯内部温度增高时其电阻会相应增高，从而起到限流作用。
②电芯内部均装有CID（CurrentInterruptDevice），当电芯内部压力超过安全限值时会自动断开，从而切断内部电路。
③电芯材料选择，显著影响电芯在热失控情况下的易燃性，并提高燃点温度。
（2）电池系统的安全措施
①电池系统外壳体采用铝材，结构强度较高，并且电池箱体后部设有通气孔，以防止箱体内部气压过高，如图2-74所示。
图2-74 电池箱体后部通气孔
②每个电芯的正、负极均设有保险丝，如果个别电芯发生短路，此安全设计可以实现问题电芯与系统之间电路快速断开，如图2-75所示。
图2-75 电芯正、负极均设有保险丝
“Sheet”上模架通过绝缘垫片和圆柱形帽结构对电芯正极或负极端面进行限位，并且“Sheet”中个别电芯端面与模架间打胶固定，如图2-76所示。
图2-76 电芯及其在“Sheet”中的固定方式
“Brick”的极板与电池模架之间通过环氧树脂胶固定，电压采样点通过铆接方式与极板相连，如图2-77所示。
图2-77 电池极板及采样点连接方式
③部分“Sheet”设有保险装置，如图2-78（a）所示。“U”表示无保险，“F”表示有保险。一旦“Sheet”电流超过限值，保险立刻熔断，保证系统安全。
图2-78 电池模块“Sheet”
“Sheet”之间由金属编织铜排串联，外部有塑料外壳提供绝缘保护，其中垫片功能类似铆接螺母，如图2-78（b）所示。
④每个“Sheet”均设置有电池监控板——BMB（Battery MonitorBoard），用以监控“Sheet”内每个“Brick”的电压、温度以及整个“Sheet”的输出电压如图2-79所示。
图2-79 BMB安装位置
⑤电池系统内设置有电池系统监控板——BSM（BatterySystem Monitor），其通过相应传感器监控整个电池系统的工作环境，其中包括电流、电压、温度、湿度、烟雾以及惯性加速度（用于监测车辆是否发生碰撞）、姿态（用于监测车辆是否发生翻滚）等如图2-80所示。并且可以与车辆系统监控板——VSM（VehicleSystem Monitor）通过标准CAN总线实现通信。
图2-80 BSM安装位置
⑥电池系统内部设置有冷却装置，冷却液为水和乙二醇的混合物（比例为1:1），冷却装置的管路接口如图2-81所示，图2-82显示了“Sheet”内部冷却管路的布置。
图2-81 电池系统外部管路接口
图2-82 电池模块“Sheet”内部冷却管路布置与接口
电池系统中共计6831只18650电芯，其表面积合计可以达到约27m2，并且每只18650电芯附近均布置有冷却管路，冷却管路与电芯间填充有绝缘导热胶质材料（图2-83），固化后非常坚硬。在这些因素的作用下，电芯可以将热量快速传递至外部环境，并在电池系统内部保持热平衡。
图2-83 电池模块“Sheet”内部冷却管路与导热介质
冷却液的进、出管路设计为交叉布置方式，共分为4个接口，如图2-84（a）所示。接口分别为2个进口和2个出口，布置方式如图2-84所示。
图2-84 冷却液的进、出管路设计为交叉布置方式
这种设计方式可以有效地避免因为管道过长而使得管道始、末端冷却液温度差异过大，进而造成电芯温度差异过大。另外，每条进、出管道又分为2个子管道［如图2-84（b）所示］，使得冷却液与管道接触面积增加，提高热传递效率。
⑦高压电气系统设计特点。电池箱体内部由11个Sheet串联，两边空隙处安装各电气元件，包括 DC/DC、Relay（2 个 EV200）、预充电阻、FUSE、BSM 等。其型号如图2-85～图2-88所示。
图2-85 继电器EV200
图2-86 快速熔断器
图2-87 “Sheet”熔断器
图2-88 预充电阻
三、特斯拉Model S充电情况
特斯拉ModelS纯电动汽车配备有10kW车载充电器，输入兼容性为85～265V、45～65Hz、1～40A（可选20kW 双充电器，输入兼容性增加至80A）。峰值充电效率为92％。特斯拉配备有10kW通用移动连接器，110V、240V以及J1772适配器。
由此可知，美国版的特斯拉ModelS纯电动汽车的充电接口符合SAEJ1772标准，和宝马ActiveE的充电接口相同，如图2-89所示。
图2-89 充电接口
特斯拉ModelS纯电动汽车总共有三种充电方式，即移动充电包、高能充电桩和超级充电桩。
1.充电方式一——移动充电包
移动充电包属于选装配，美国官网售价为650美元，其中包含一根充电线、一个家用电源转接头、一个公共充电桩转接头。
所谓的移动充电包，就是一条充电线，就像你用手机一样，只要你带着这根线，任何有普通电源插口的地方都可以充电，非常方便，只不过这种充电方式的速度是最慢的，如图2-90所示。美国本土电压是110V，充电速度每小时可达到10mile（约16km）的续航里程，一晚上的时间最少按8h计算，也至少能达到80mile（约128km）左右的续航里程。
图2-90 移动充电包
2.充电方式二——高能充电桩
如果用户有固定车位，那么可以选择安装特斯拉的高能充电桩，它在单充电模式下最大输出为240V/40A，充电速度比普通家用接口速度更快，每小时可充电29mile（约为46km），如图2-91所示。
图2-91 高能充电桩
在双充电模式下可以输出240V/80A，每小时可充电58mile（约为93km）。所谓双充电器模式，就是用户的车内部拥有两个充电单元，其中一个是原车出厂自带，而另外一个是需要用户付费选装的，官网价格是3600美元。它的作用和效果其实很简单，就是给用户的车增加了一个充电通道，使充电速度提升为原来的1倍，最多1个小时可以充电58mile，这个速度要比普通电源插座快多了，基本一个晚上就能将车辆充满。
3.充电方式三——超级充电桩
第三种就是最受用户喜欢的超级充电桩，因为这里的充电效率最高，一辆车从0到充满电最多只需要75min，一般情况下用户只需要充电0.5h左右，所充的电能就足够用户在市区里用一整天，如图2-92所示。
图2-92 超级充电桩
超级充电桩输出电压为380V，电流接近200A，每小时可以充电220mile（约350km）。当然，超级充电站的充电速度也不是永远都这么快，每个充电站的输出电流都是额定的，当只有一辆车充电的时候，它可以享受充电站70％的电流额度，但是当充电的车数量增加时，电流就会平均分配到每辆车上。充电速度也可能下降到每小时60mile左右，不过这仍然是最快捷的充电方式。
4.快速充电站的发展
特斯拉充电桩代表世界上最发达的充电技术，如图2-93所示。特斯拉承诺，ModelS用户将永久获得免费充电的服务。随着特斯拉充电技术的更新换代，充电速度变得更快，充电时间相对之前减少了30％，充满一半电量只需20min，而一辆60kW·h电池组版本的特斯拉 ModelS充满电可以续航368km。同时，这一充电速度是普通电动车充电速度的20倍。
图2-93 特斯拉充电桩
每个充电桩的造价大概在10万～17.5万美元之间，其中多半的资金将用在地基的重塑上。这些充电站会位于餐馆、商场，总之，所有可能的（高档）公共停车场所的业主只需同意充电桩的建造，所有建造、维护和电力费用都是由特斯拉承担。
5.太阳能充电站
电动汽车制造商特斯拉公司启用了一批太阳能充电站网络，为该公司的电动汽车免费提供独家充电服务，如图2-94所示。这些充电站使用快速增压器直流充电技术，汽车电池仅需要30min就能完成充电，以每小时60mile的速度行驶3h。
图2-94 太阳能充电站设备组成
特斯拉已经在加利福尼亚州的几个高速公路休息区推出太阳能汽车充电站。这些超级太阳能充电站包括福尔瑟姆、吉尔罗伊、科林加、勒贝克、巴斯托和霍桑。特斯拉公司的汽车制造厂位于加利福尼亚州弗里蒙特。
特斯拉公司计划迅速扩大太阳能充电站的基础设施建设。在未来，该公司计划在北美（比如从温哥华到圣地亚哥，从迈阿密到蒙特利尔，从洛杉矶到纽约）、欧洲和亚洲建设更多的超级充电站。