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特斯拉Powerpack 1.0和2.0的设计与热失控测试

2020-04-02 14:39:44·  来源：知化汽车  
　
特斯拉在2015年和2016年相继推出了Powerpack 1.0和2.0，如下：Powerpack 1.0: 2015，100kWh，18650电芯；Powerpack 2.0:2016，210kWh，21700电芯。美国对这两代P
特斯拉在2015年和2016年相继推出了Powerpack 1.0和2.0，如下：
  • Powerpack 1.0: 2015，100kWh，18650电芯；
  • Powerpack 2.0:2016，210kWh，21700电芯。
美国对这两代Powerpack在2015和2018年分别进行了一次热失控测试，以研究和评估大型锂电池储能系统的热失控危害。对于大型储能系统，尚没有公开的测试来说明或展示它们在发生热失控时的表现或潜在危害，因此，这两个测试具有很好的参考价值。
其中，在2015年对Powerpack 1.0分别进行了外部火烧，内部加热的热失控触发测试，在2018年对Powerpack 2.0仅有内部加热触发的测试。
 
以下分别来看下这两次的测试，以及它们的结果分析，由于测试记录的参数较多，包括温度，热量，气压，有害气体等，这里仅选择最有代表性的温度进行对比。
1、Powerpack 1.0设计与热失控
Powerpack 1.0 的构成层级如下：
 
450个电芯组成一个Module，两个Module构成一个Pod，16个Pod组成一个Powerpack，每个Powerpack共有14400个电芯。Pod 和Powerpack系统的结构布局如下图。
 
Powerpack 1.0采用水冷设计，热管理的冷却液置于前门的内上侧。
 
在箱体的顶部，有热失控排泄阀。
 
对于外部火烧的测试，整个Powerpack系统布置有36个温度传感器TC，如下：
 
每个Pod 温感器的布置
 
整个系统的温感器布置
对于内部Heater加热电芯触发的测试，选择第6个Pod（从下向上数）作为被触发的对象，它的Heater布置、温感器（共计12个）布置如下：
 
Heater位于模组中间的位置 ，共有6个heater，每个加热器的功率为25W，同进开启，能够同时触发10个电芯发生热失控，再听到有10个电芯发生热失控的爆破声音后，断开加热器。和Pod 6上、下相邻的Pod 5、Pod 7温感器布置如下：
 
整个系统的温感器布置
 
测试结果：
1）对于外部火烧测试，pods 1, 2,3, 4中最大的温度超过1093°C，系统外壳体上最大的温度为238 °C
2）内部加热器触发的测试：Pod 6中被触发模组的最大温度TC1位置，超过1093°C；该模组中其他温感器最大温度大约843°C。Pod 6中的另外一个模组，每个温感器测量的最大温度在93到204°C之间。
与Pod 6上下相邻的Pod 5/7最大的温度分别为26°C到51.7°C，26°C到82°C。
3小时45分钟，直到整个Powerpack被烧尽；有浓烟，有火焰冒出，没有爆炸或喷射物。
3）对于外部火烧，整个过程，有浓烟、有火焰喷出、没有爆炸、没有喷射物，在3小时45分钟烟火熄灭；在内部加热器触发热失控的测试中，有浓烟、没有火焰喷出、没有爆炸，没有喷射物，在1个小时30分钟内，烟雾散去，热失控停止。
4）这两个测试关键事件点的对比
2、Powerpack 2.0设计与热失控
Powerpack 2.0的系统层面与Powerpack基本保持一致，仍然是16个Pod，但Pod的设计设计变化较大。
 
从上图中可以看出，该Pod采用一个大模组的方案，没有像Powerpack一代采用两个模组，共分为4个区域，共有1019个电芯（没有核对）。
注意：这里的数量是根据图中的电芯排布而计算出来的，每个Powerpack共有16个Pod，那么共有16304个电芯。如果采用与Model 3同样规格的电芯，则每个Powerpack共有16304*4.8*3.7＝290kWh，远大于特斯拉对外宣称的210kWh；按210kWh来逆推，可知该21700电芯的容量为3.5Ah。
上图中间有两处Heater加热器的布置，一个为主触发区，确保至少10个电芯同时触发，另外一个为备用触发区，以便在主触发区失效的情况下启用，保证测试进行。
与Powrpack 1.0的测试不同，Powerpack 2.0的测试重在评估对相邻Powerpack的影响，因此，除了被测试的Powerpack外，还有3个假Powerpack（里面只有第7个和第16个是真的Pod）。具体布置如下：
 
 
另外3个假Powerpack中温感器的布置如下：
 
对于被测试的Powerpack，其温感布置如下：
 
测试结果：
1）加热器有10分钟的预热，然后达到最大功率，最初的单个电芯的热失控没有造成巨大的影响，整个系统相对安静地持续了90分钟左右，然后引燃相邻的Pod，在没有引起多个Pod几乎同时热失控前，差不多45分钟烧一个Pod；
2）关键事件点的对比如下：
 
3）整个测试过程中，Pod的最大温度超过2000°C，系统外壳体的温度超过600°C
 
 
 
4）整个过程，有浓烟、有火焰冒出、有爆炸（前门冲开）、有喷射物。
 
对比如下：
 
 
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