在經(jīng)過(guò)初步熱分析，確認(rèn)特斯拉4680電池將采用更簡(jiǎn)單、更容易組裝的平板冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電池之間沒(méi)有使用冷卻盤(pán)管后，機(jī)械工程師和傳熱專(zhuān)家Keith Ritter PE繼續(xù)分析了特斯拉4680新電池的其他特性，包括對(duì)比2170與4680電池組尺寸，估算4680電池組橫截面，同時(shí)估計(jì)了可能的電池串并聯(lián)配置方式以及電池單元連接方式。
盡管特斯拉沒(méi)有明確表示將采用平板冷卻方式，但多種原因都強(qiáng)烈暗示了這樣的設(shè)計(jì)，其中最主要的原因是無(wú)法通過(guò)側(cè)面對(duì)較大直徑的電池提供有效冷卻，冷卻無(wú)極耳設(shè)計(jì)電池的最有效方法是穿過(guò)電池兩端，畢竟無(wú)極耳設(shè)計(jì)在電池蓋板與電池內(nèi)部之間提供了良好的熱通道。
銅陽(yáng)極電極板本身可以用作散熱片，并在電池內(nèi)部提供良好的均勻溫度分布。平板冷卻設(shè)計(jì)可能的另一個(gè)原因是特斯拉首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克（Elon Musk）稱(chēng)電池粘合在電池組的底部和頂部。盡管他聲稱(chēng)此舉是為了增加電池組的剪切強(qiáng)度，但我們認(rèn)為頂板和底板也可以兼作冷卻板。而在Model 3的電池組中，電池是粘合在冷卻盤(pán)管上的。
Keith Ritter PE直接比較了Model 3/Y的2170電池組與4680電池組。為什么選擇Model 3電池組進(jìn)行比較？這是因?yàn)?170電池組更為熟知，盡管未來(lái)4680電池組主要應(yīng)用于Semi電動(dòng)卡車(chē)、Cybertruck電動(dòng)皮卡以及Model S Plaid，上述幾款新車(chē)細(xì)節(jié)仍不得而知，用已知基準(zhǔn)來(lái)量化改進(jìn)效果肯定要比未知基準(zhǔn)容易得多。
經(jīng)過(guò)估算，我們得到了最終的結(jié)論。首先，充電時(shí)間大大綜短。通過(guò)計(jì)算，充電時(shí)間方面，在29.4攝氏度的環(huán)境溫度下，4680電池組的電量從10%充到80%所花費(fèi)的時(shí)間由25分鐘減少到15分鐘。如果只用充電到50%，那么僅需7分鐘即可完成，這樣的結(jié)果幾乎和汽油車(chē)加油一樣快。
按充電時(shí)間顯示的2170電池組與4680電池組（估算）充電特性比較
而在最大充電功率方面，4680電池組從2170電池組的250 kW增加到275 kW，其中逐漸降低充電功率時(shí)，275 kW的充電功率在10%-50%的充電狀態(tài)下保持恒定。而當(dāng)電池組達(dá)到以Model X數(shù)據(jù)設(shè)定的45攝氏度溫度極限時(shí)，我們便開(kāi)始逐漸降低充電功率。這是因?yàn)檩^高的環(huán)境溫度下，空調(diào)系統(tǒng)的性能會(huì)降低，降低充電功率點(diǎn)是環(huán)境溫度的函數(shù)。
按充電狀態(tài)顯示的2170電池組與4680電池組（估算）充電特性比較
其次，電池組尺寸大大減少。不用冷卻盤(pán)管特斯拉可以將電池更緊密地堆疊在一起，因而質(zhì)量更集中到車(chē)輛的中心，進(jìn)一步減小了慣性力矩，改善了車(chē)輛的操控性能。
76 kWh 4680電池組尺寸（估算）同比例對(duì)照Model 3現(xiàn)有2170電池組
最后，估算的4680電池組橫截面顯示了頂部和底部平板冷卻設(shè)計(jì)以及電池的電氣連接方式。這是一種更簡(jiǎn)單的電氣連接方式，特斯拉將通過(guò)線焊等方法不再使用指狀捕集器，而轉(zhuǎn)向一種可以直接焊接到無(wú)極耳陽(yáng)極或陰極連接冷卻罐上的簡(jiǎn)單板狀捕集器。為了將一組電池單元的正極與另一組的負(fù)極相連，特斯拉會(huì)采用Model S倒置技術(shù)，顛倒其他并聯(lián)電池組每一個(gè)電池單元。
4680電池組橫截面（估算）
如上所述，我們估計(jì)4680電池組使用冷卻頂板和冷卻底板設(shè)計(jì)，電池粘合在冷卻板上，冷卻板還提高了電池組的剪切強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)估算，電池的陰極（鋁）端與電池的陽(yáng)極（銅）端之間的熱傳遞配比為30%：70%。那么，特斯拉僅靠底板就能解決工程設(shè)計(jì)難題嗎？肯定不是，下面將進(jìn)一步深入討論此問(wèn)題。
我們的熱電模型包括了電池組的所有細(xì)節(jié)：整體尺寸、電池單元尺寸、額定電池容量、熱導(dǎo)率等。一個(gè)關(guān)鍵因素是電池單元的電阻，這決定了電池單元的發(fā)熱量（熱損耗=I^2R）。我們?cè)O(shè)定4680的初始內(nèi)部電阻=3 mΩ @ 10%SOC，并在80%SOC下逐漸降至2 mΩ，而2170電池組則為23/20/20 mΩ。換句話說(shuō)，我們將電池內(nèi)部電阻降為十分之一。相比之下，特斯拉專(zhuān)利申請(qǐng)圖則顯示會(huì)降到5-20分之一。
另外，制冷能力是熱電模型的輸入變量。我們選擇保留Model 3現(xiàn)有的2-3噸制冷能力（取決于環(huán)境溫度）。但是，特斯拉可能會(huì)增大堆棧式冷卻器和交流壓縮機(jī)的尺寸，提供更好的電池組冷卻。電池組的熱質(zhì)量也會(huì)起作用。在以最大充電功率進(jìn)行上述充電測(cè)試時(shí)，電池產(chǎn)生的熱量超過(guò)制冷系統(tǒng)承受能力，因此電池組開(kāi)始發(fā)熱。熱質(zhì)量由于存儲(chǔ)熱量而延緩了電池過(guò)熱的發(fā)生。當(dāng)電池達(dá)到溫度極限（45攝氏度）時(shí)，我們開(kāi)始逐漸降低充電功率。下圖解釋了電池組發(fā)熱量與空調(diào)系統(tǒng)的散熱能力的比較。需要注意的是，在較高的環(huán)境溫度下，空調(diào)性能下降。這就是為什么高溫環(huán)境下最大充電功率的初始下降點(diǎn)出現(xiàn)在較低的SOC。
空調(diào)性能與環(huán)境溫度對(duì)照
特斯拉可以只靠冷卻底板嗎？只裝底板結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單且成本更低，大多數(shù)熱量（70%）通過(guò)電池銅（陽(yáng)極）端散熱，那為什么不把所有并聯(lián)電池組的陽(yáng)極端朝下而只用底板？專(zhuān)利圖顯示非常清楚，只有目前的銅質(zhì)捕集器才能獲得無(wú)極耳端處理。鋁質(zhì)捕集器在卷芯中端仍然有一個(gè)極耳用于連接冷卻罐，很可能是因?yàn)樘^(guò)復(fù)雜而無(wú)法在兩端同時(shí)分段插入極耳。
熱傳導(dǎo)計(jì)算表明，使用冷卻底板與銅質(zhì)捕集器的組合僅能完成使用頂板和底板組合的70%，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生更大的軸向熱梯度，負(fù)極極耳末端將是熱點(diǎn)。如果再使用一塊冷卻板，為極耳冷卻罐端提供冷卻，熱點(diǎn)將沿軸向向下移動(dòng)大約1/3，同時(shí)在相同的“熱點(diǎn)”電池組峰值溫度下可以多出30%的散熱量。
兩塊冷卻板可以降低電池單元熱應(yīng)力/衰減，提高使用壽命。特斯拉將不斷提高這些電池的使用壽命，最終達(dá)成百萬(wàn)英里電池。如果特斯拉還想再增大充電功率保持業(yè)內(nèi)領(lǐng)先地位，那么就必須盡一切努力確保電池單元熱應(yīng)力/衰減最小。增加第二塊冷卻板是保證低成本的解決方案，顛倒電池組的每一個(gè)電池單元也有助于提高電池單元之間的熱傳導(dǎo)，從而通過(guò)電池單元軸向散熱，并降低冷卻頂板與底板之間的溫度梯度。特斯拉4680電池的更多消息，敬請(qǐng)關(guān)注后續(xù)報(bào)道。（來(lái)源：insideevs 編譯：黃永芬）
