特斯拉如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池輕量化？

Model3正負(fù)極連接片從一整片變成了布局在電池組兩側(cè)，而非電芯正反面的樹(shù)枝狀連接片。也就是原先是2個(gè)面的鋁片變成了1個(gè)面，同時(shí)還更細(xì)更輕。如果單純的以一整個(gè)面的鋁片來(lái)計(jì)算，那么這部分的減重又是若干公斤。

先說(shuō)一下Model3電池包的減重成果，在車(chē)身主要結(jié)構(gòu)使用鋼材的情況下，Model3的車(chē)重控制在1.7噸，對(duì)應(yīng)的是最大80.5kWh的電池容量（實(shí)際BMS控制在78kWh的放電能力），與之相同檔次汽油車(chē)如寶馬3系和奔馳C級(jí)的車(chē)重在1.5-1.6噸。這是繼充電能力接近汽油車(chē)使用閾值之后，又一個(gè)與汽油車(chē)極為接近的電動(dòng)車(chē)弱項(xiàng)。

裝了80.5度電的Model3電池包重量?jī)H有478公斤，其中非電池部分重量169公斤。而ModelS85D版本總能量為81.5kWh的電池包重量545kg。也就是實(shí)現(xiàn)相似電池容量的電池包，重量減輕大約67kg。

怎么做到的？

一、電芯數(shù)量減少了

來(lái)自電池能量密度的提升已經(jīng)賦予了Model3相當(dāng)可觀的電池包能量密度，而應(yīng)用單個(gè)容量更大的2170電池所帶來(lái)的另外一個(gè)好處則是電池?cái)?shù)量的大大降低，從ModelS的7000多節(jié)降低到4416節(jié)。

電芯數(shù)量少了在減重上有啥作用？

首先是更短的散熱管路長(zhǎng)度。即便是考慮到2170單個(gè)電池比18650需要更多的散熱接觸面積，4416節(jié)所需要的散熱管長(zhǎng)度還是比7000多節(jié)降低許多。

其次是電氣結(jié)構(gòu)集成度高，DC-DC、充電機(jī)、配電器全部集成，而且每一個(gè)模塊相對(duì)ModelS/X也更小、更輕。值得一提的是，Model3布置電氣設(shè)備的servicepanel是和電池包主體部分隔離的，在需要維修的時(shí)候可以獨(dú)立打開(kāi)。

拆解開(kāi)的Model3電池包，最左側(cè)的模組已經(jīng)被拆走。

最大頭的則是結(jié)構(gòu)減重，大部分ModelS車(chē)型的電池包分為16個(gè)小模組（S60為14個(gè)模組），Model3長(zhǎng)續(xù)航版的電池包則只有4個(gè)模組。更少的模組意味著更少的電池包內(nèi)部隔斷、電池組BMS、線(xiàn)束和散熱管路接口。

綠色部分是Model3上使用超高強(qiáng)度鋼材的部分，可以看到底部的電池包基本被超高強(qiáng)度鋼所包圍

前面提到，Model3的電池包安全問(wèn)題交還給了車(chē)身，電池組的安裝位置基本覆蓋了乘員艙，因此原本在車(chē)身底部圍繞起來(lái)保護(hù)成員的高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)同時(shí)被用來(lái)保護(hù)電池，而電池包結(jié)構(gòu)組件只用于承載電池包自身重量。ModelS電池包的保護(hù)殼就重達(dá)125公斤，Model3的電池包去掉了這部分重量中的大部分。

事實(shí)上電氣部分和結(jié)構(gòu)減重已經(jīng)幫助Model3減輕了大部分可減重量，還嫌不夠怎么辦？

二、從細(xì)節(jié)上摳

在第一次了解到Model3電池包正負(fù)極連接結(jié)構(gòu)的時(shí)候，我很是震驚。

先放一張特斯拉在專(zhuān)利中公布的電池連接結(jié)構(gòu)圖：

▲來(lái)自特斯拉最新專(zhuān)利

圖上圓柱形的自然就是2170電池，左側(cè)的樹(shù)枝狀鋁片是整個(gè)電池組的負(fù)極部分，右側(cè)樹(shù)枝狀鋁片是正極。

連接電池正極的鋁絲通過(guò)超聲波焊接在電池正極正中心的位置，連接電池負(fù)極的鋁絲則劍走偏鋒，連接在2170電池正極同一側(cè)最外沿的負(fù)極上，也就是圖上黑色部分，這部分的寬度只有1.5-2mm，同樣使用超聲波焊接工藝。

然而由于電池正面可供連接的負(fù)極部分實(shí)在太窄，負(fù)極鋁絲的超聲波焊接成功率在Model3量產(chǎn)的早期階段并不盡如人意，電池包產(chǎn)能?chē)?yán)重受到制約。

解決方法主要是兩個(gè)：

一是電池之間的聚合物在焊接之前就填充到位，保證各個(gè)電芯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

二是采購(gòu)了更好更強(qiáng)大的超神波焊接機(jī)，提高焊接精度。

解決負(fù)極連接的工藝問(wèn)題可謂是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，那么好處呢？還是減重。

先看三張對(duì)比圖：

▲傳統(tǒng)的電阻焊連接工藝

▲ModelS的電池連接工藝

▲Model3的電池連接工藝

ModelS電池模組里的電池連接方式比起傳統(tǒng)的電阻焊已經(jīng)是革命性改變，電阻焊只是通過(guò)簡(jiǎn)單粗暴的電流短路方式把鋁片上的N（N為2的倍數(shù)）個(gè)點(diǎn)融化到電池正負(fù)極上，毫無(wú)美感也提供不了單個(gè)電池的斷路保護(hù)功能。

ModelS的電芯則通過(guò)電池兩側(cè)的鋁絲與一整塊鋁片連接，在單個(gè)電池電流過(guò)大的情況下可以提供斷路保護(hù)，也提供了維修時(shí)的補(bǔ)焊能力。

而到了Model3上，可以很明確的看到，正負(fù)極連接片從一整片變成了布局在電池組兩側(cè)，而非電芯正反面的樹(shù)枝狀連接片。也就是原先是2個(gè)面的鋁片變成了1個(gè)面，同時(shí)還更細(xì)更輕。如果單純的以一整個(gè)面的鋁片來(lái)計(jì)算，那么這部分的減重又是若干公斤。

這一設(shè)計(jì)帶來(lái)的另一個(gè)好處則是散熱，電池反面不需要連接電極之后就可以直接與絕緣導(dǎo)熱底板接觸，甚至安裝額外的底部散熱管路，提高電池包熱管理能力。

值得稱(chēng)贊的是電池包大幅減重之后Model3的安全性并沒(méi)有因此下降，美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（IIHS）給予了Model3正面碰撞預(yù)防測(cè)試最高評(píng)級(jí)。而在一個(gè)多月前的一起交通事故中，一輛Model3與其他車(chē)輛發(fā)生碰撞后又撞向水泥隔離墩并翻滾多次，在車(chē)頭部分嚴(yán)重受損的情況下駕駛艙保持完整，且電池沒(méi)有起火。

當(dāng)然，特斯拉在Model3電池包的安全保證遠(yuǎn)不止車(chē)身底盤(pán)那一圈超高強(qiáng)度鋼材。為了應(yīng)對(duì)極端撞擊情況下電池受損之后出現(xiàn)的熱失控現(xiàn)象，Model3電池模組的正負(fù)極覆蓋材料上設(shè)計(jì)了很多“預(yù)留泄壓孔”，這些泄壓孔使用了更加脆弱的材料。在單個(gè)或多個(gè)電芯結(jié)構(gòu)被破壞，噴出炙熱氣體時(shí)，泄壓孔能及時(shí)溶解，把熱失控電池散熱的高溫氣體及時(shí)排出，以免影響其他電池，這個(gè)設(shè)計(jì)有些類(lèi)似坦克上的彈藥艙泄壓門(mén)。

綜上而論，Model3在電池包減重輕量化上是無(wú)所不用其極，甚至在早期脫離了特斯拉所掌握的工藝范疇，還好通過(guò)后續(xù)改進(jìn)埋掉了此前留下的大坑。

從Model3的產(chǎn)品演進(jìn)方向也能看到，為了控制整車(chē)能耗并且兼顧入門(mén)級(jí)車(chē)輛的車(chē)身維護(hù)成本，特斯拉將車(chē)身極致輕量化的指標(biāo)轉(zhuǎn)移到電池包上，為此不惜帶來(lái)產(chǎn)能爬坡上的困難節(jié)點(diǎn)。

因?yàn)?，續(xù)航和能耗是電動(dòng)車(chē)打入主流市場(chǎng)的根本啊。