用仿真工具解密Tesla 4680电池设计准则

    4680电池装车以后众多竞争对手和研究者相继进行了拆分解密，其中的众多细节都已经公之于众。看到了设计不代表看懂了设计。比如大家不太理解为何使用了强力的聚酯类结构粘合剂和阻燃粘合剂，造成电芯更换和拆解极为困难。大家也不太理解为何4680的金属侧壁厚度达到0.5毫米厚，远远超过一般的强度要求。同时也不太理解拆解Model Y的时候发现的电池侧面与车身之间的大量空隙。

    跳出具体的工艺参数，站在更高的策略上来理解就容易看出特斯拉的本意：利用优良设计将电芯的正常使用的失效概率降到最低；利用热管理将热失控降到零；利用电芯结构设计和车身结构设计将意外失效和失控降到极低水准。在这种情况下，个别电芯的维护和拆解问题就基本不存在了。

    在这些相对容易理解的宏观结构设计之外，4680设计中全极耳设计独树一帜，侧向冷却设计剑走偏锋，容易看，却更不容易懂。好在有强大的仿真工具帮助我们来解密设计准则。

电池的电化学与传热学综合建模

    温度是影响电池性能、寿命和安全性的关键因素。例如研究表明，温度每升高 1 度，锂离子电池在 30-40°C 时的寿命就会缩短 2 个月。因此通常需要使用热管理系统 (TMS) 进行主动冷却，以确保电池组在合适的温度范围内运行。两个热因素显著影响电池的整体性能：热边界条件，由 TMS 的设计决定；内部热量的产生和传输，受电池设计的影响。

    英国科学家建立了如下模型描述多极耳、金属封装的电池热特性：

    计算域被离散为多个单位体积；在每个微元体内，所有组成部件（阳极、阴极、隔膜和集电器）都以堆叠形式排列。ECN 方法描述了每个元件内的电气和热行为。电极和隔膜形态使用阿基米德螺旋形描述。以此模型为基础，重点研究了冷却方式的影响和极耳形式的影响。

侧向冷却方式的优势

 

    侧向传热冷却虽然会导致更高的温升以及相对于顶部/底部传热更大的温度分布，但是侧向冷却在保持电池平均温度相对较低和不会在电池内产生较大的温度梯度之间取得平衡，因此是最佳的冷却方式。

全极耳设计的优势

 

    电池内的大温度梯度已被证明会严重影响电池性能。因此，优化极耳设计以最小化温度不均匀性是有益的。计算表明具有更多极耳的配置可减少热量产生和温度不均匀性，这与Tesla的专利中关于具有连续极耳的电池的权利要求完全一致。

结论

    电化学与传热学仿真证明了4680电池：侧面传导冷却设计提供了最佳的冷却效果并最大限度地减少了内部热不均匀性；多极耳设计则通过在电池中提供更均匀的电流密度，使得产热和温度都更加均匀。

审核编辑：刘清