Похоже, время зарядки может быть конкурентоспособным с газовыми автомобилями.
В презентации Tesla Battery Day были отмечены значительные улучшения в стоимости, энергопотреблении, времени зарядки и размере аккумулятора. Мы покажем вам нашу оценку нового профиля зарядки, наложение размера батареи 2170 и 4680, а также примерное поперечное сечение новой батареи 4680. Мы также оценили последовательно-параллельную конфигурацию ячеек и потенциальный способ, которым Тесла электрически соединит ячейки.
В предыдущей статье (ссылка) мы обрисовали результаты предварительного теплового анализа, который предположил, что новый блок Tesla 4680 будет использовать гораздо более простую и легкую в сборке схему охлаждения с плоской пластиной и избавиться от охлаждающей змеи между ячейками, в которых они были пользуюсь с первого дня.
Хотя Tesla конкретно не сказала, что будет использоваться охлаждение с плоскими пластинами, это настоятельно рекомендуется по ряду причин. Основная проблема заключается в том, что вы не можете эффективно охлаждать эти ячейки большего диаметра через стороны. Самый эффективный способ охлаждения новой конструкции столов — это охладить концы ячеек, поскольку новая конструкция столов обеспечивает большой тепловой путь между крышкой ячейки и внутренней частью ячейки.
Сами пластины медных анодных электродов действуют как отличные охлаждающие ребра и обеспечивают равномерное распределение температуры внутри ячейки. Другая причина, по которой мы думаем, что плоское охлаждение является вероятным, заключается в том, что Илон Маск сказал, что ячейки приклеены к нижнему и верхнему листам упаковки. Хотя его цитата относится к дополнительной прочности на сдвиг в пакете, мы думаем, что верхний и нижний листы также будут использоваться в качестве охлаждающих пластин. В упаковке Model 3 ячейки приклеены к охлаждающей змейке.
В нашем анализе проводится прямое сравнение упаковки модели 3 / Y 2170 и теоретической упаковки 4680. Вы можете спросить, почему мы выбрали пакет Model 3 для сравнения, когда Tesla заявила, что пакет 4680 в первую очередь нацелен на Semi, Cybertruck и Model S Plaid. Причина, по которой мы решили провести сравнение с пакетом Model 3, заключается в том, что мы много знаем о пакете Model 3, поэтому намного проще количественно оценить улучшения по сравнению с известной базовой линией, чем с неизвестной базовой линией в случае Semi и Cybertruck.
Резюме
При температуре окружающей среды 85 ° F расчетное время зарядки с 10% до 80% с батареей 4680 было сокращено с 25 до 15 минут. Если вам нужно всего лишь 50% заряда, вы можете сделать это за 7 минут. Это почти так же быстро, как бензин.
Расчетная максимальная скорость зарядки увеличилась с 250 кВт для блока 2170 до 275 кВт для блока 4680. Скорость зарядки 275 кВт остается постоянной от 10% до 50% состояния заряда, где мы начинаем снижать скорость зарядки. Мы начинаем сужаться, когда клетки достигают предельной температуры, которая, согласно данным модели X, составляет 45 градусов по Цельсию (113 градусов по Фаренгейту). Точка сужения зависит от температуры окружающей среды, поскольку производительность системы кондиционирования снижается при повышении температуры окружающей среды. Сравнение профиля зарядки показано на рисунке 1 в зависимости от времени и в зависимости от состояния заряда (SOC) на рисунке 2.
Вверху: сравнение профиля зарядки аккумулятора 2170 и расчетного пакета 4680 (на основе времени), кредит Keith Ritter PE Engineered Compliance.
Вверху: сравнение профиля зарядки блока 2170 и расчетного пакета 4680 (на основе SOC), кредит Keith Ritter PE Engineered Compliance.
Мы видим значительное уменьшение размера упаковки
Устранение охлаждающей змеи позволяет Tesla упаковывать клетки ближе друг к другу. Это плюс, потому что он снижает полярный момент инерции и улучшает управляемость автомобиля, поскольку масса больше сосредоточена к центру автомобиля.
Вверху: 96S9P 76 кВт / ч 4680 пакет Credit Keith Ritter PE Engineered Compliance
Вверху: Наложение предполагаемого блока 4680 кВт / ч на блок 2170 Model 3, Credit Keith Ritter PE, Engineered Compliance
Поперечное сечение нашей предполагаемой упаковки 4680 показывает верхнюю и нижнюю плоскую пластину охлаждения и электрические соединения ячейки.
Мы видим гораздо более простой способ выполнения электрических соединений в нашем пакете из 4680 штук. Мы думаем, что Tesla откажется от концепции «пальцевого коллектора» с проволочными сварными швами и т. Д. И перейдет к простому пластинчатому коллектору, который можно напрямую приварить либо к аноду «без стола», либо к банке с катодом. Чтобы соединить + одной группы с — другой, они возвращаются к основанной на модели S технике «инвертирования», где они переворачивают ячейки каждой другой параллельной группы ячеек.
Вверху: поперечное сечение оценочного пакета в 4680 баллов Keith Ritter PE Engineered Compliance
Как указывалось ранее, мы оцениваем как верхнюю охлаждающую пластину, так и нижнюю охлаждающую пластину с ячейкой, приклеенной к пластине. Охлаждающие пластины также будут обеспечивать прочность упаковки на сдвиг. По нашим оценкам, разделение теплообмена между катодным (алюминиевым) концом ячейки и анодным (медным) концом ячейки составляет 30% / 70%.
Может ли Tesla обойтись только нижней пластиной? Мы думаем, что нет. Этот вопрос обсуждается более подробно в подробном описании ниже.
Подробное обсуждение
Наша термоэлектрическая модель включает в себя все особенности упаковки. Размеры, размер ячейки, номинальные значения ампер-часов, теплопроводность и т. Д. Одним из ключевых ингредиентов является сопротивление ячейки, поскольку оно определяет тепловыделение ячейки (I квадрат потерь R). Шон Митчелл провел отличное интервью с Рави Кемпайя, в котором Рави объяснил снижение сопротивления для новых 4680 ячеек. Ссылка на презентацию выше, а обсуждение сопротивления на видео в 8:11. Основываясь на его презентации, мы использовали начальное внутреннее сопротивление 4680 = 3 мОм при 10% SOC и постепенно уменьшалось до 2 мОм при 80% SOC. Ячейка 2170 была 23/20/20 мОм. Таким образом, мы уменьшили сопротивление элемента в 10 раз. Это сопоставимо с уменьшением в 5-20 раз, которое Tesla указала в своем патентном приложении.
Кроме того, холодопроизводительность является входной для модели. Мы решили придерживаться существующей холодопроизводительности модели 3 — 2-3 тонны (в зависимости от температуры окружающей среды). Однако возможно, что Tesla может увеличить размеры своего охладителя и компрессора кондиционера, чтобы обеспечить лучшее охлаждение агрегата.
Также играет роль тепловая масса упаковки. Во время первой части заряда при максимальной скорости заряда элемент выделяет больше тепла, чем может выдержать система охлаждения, поэтому батарея начинает нагреваться. Тепловая масса задерживает начало перегрева ячейки, так как сохраняет тепло. Когда элементы достигают предельной температуры (45 ° C = 113 F), мы начинаем снижать скорость заряда.
Рисунок 6 дает вам представление о том, как сравнивается теплоотвод блока и способность теплоотвода системы кондиционирования. Обратите внимание на снижение производительности кондиционера при более высоких температурах окружающей среды. Вот почему начальная точка сужения максимальной мощности зарядки происходит при более низком SOC при более высоких температурах окружающей среды.
Вверху: производительность кондиционера в зависимости от температуры окружающей среды, предоставлено Keith Ritter PE.
Может ли Tesla обойтись только нижней охлаждающей пластиной?
Было бы проще и дешевле иметь только нижнюю пластину. Большая часть (70%) тепла уходит с медных (анодных) концов ячейки. Почему бы не ориентировать анод всех параллельных групп ячеек концами вниз и просто использовать нижнюю пластину?
В патенте довольно ясно сказано, что только медный токоприемник получит обработку концов «без стола». Алюминиевый коллектор по-прежнему имеет только один язычок на среднем конце рулона с желе, который соединяется с банкой. Скорее всего, будет слишком сложно делать сумасшедшее чередование сегментированных вкладок на обоих концах одновременно.
Расчеты теплопередачи показывают, что конфигурация «нижнее охлаждение — только медь» может выполнять только 70% того, что могут делать верхние / нижние пластины, и создает больший осевой градиент тепла. Конец клеммы отрицательной вкладки будет горячей точкой. Если мы наденем вторую пластину, которая обеспечивает охлаждение конца вкладки, мы смещаем горячую точку примерно на 1/3 вниз в осевом направлении и можем извлекать на 30% больше тепла при той же пиковой температуре ячейки «горячей точки».
Две пластины означают меньшее тепловое напряжение / износ ячеек и более длительный срок службы элементов. Tesla будет использовать эти элементы на всю жизнь: аккумулятор на миллион миль. Если он также будет наращивать заряд в киловаттах, чтобы оставаться «на передовой», он ДОЛЖЕН сделать все, чтобы обеспечить минимальное тепловое напряжение / деградацию этих элементов. Вторая охлаждающая пластина — дешевая страховка. Мы думаем, что переворачивание ячеек с каждой группой ячеек также помогает проводимости от ячейки к ячейке, чтобы распределять тепло по оси ячеек и уменьшать температурные градиенты между «верхом» и «низом».
Сэнди Манро в одном из своих видео-интервью также предсказывает, что будут и верхние, и нижние пластины. До сих пор он был в курсе своих прогнозов относительно батареи Tesla и структурных изменений.
* Кредит на термический анализ:
Кейт Риттер ЧП
Инженерное соответствие
Энергетический анализ
[email protected]
Эта статья изначально появилась на Inside EVs.
