特斯拉4680电芯的汇流、焊接和防护设计

4680 锂电池

在蒙罗老爷子最新的视频里面,主要讲述了4680的电芯设计。根据和供应商的交流,目前我们看到的这一版设计在锁定中,在调整材料和设计;可以说这个版本的更迭是特斯拉很重要的设计方向。

特斯拉的电池系统迭代,是围绕圆柱进行的:

18650

这个时代没有特别好的选择,当时的能量远超同行,车价也保持在高位,合格供应商松下

21700

这是当时做到3.5万美金的一个重要抓手,也确实把产量搞上来了,合格供应商松下、LG

4680

这是特斯拉想进行自研自产,定义下一代电池的重要战略手段,潜在供应商包括特斯拉自有工厂、松下、LG、SDI、宁德时代、亿纬锂能和其他中国供应商。

特斯拉的设计更迭
特斯拉的设计更迭

在模组设计中我们看到:

  • 特斯拉在4680上舍弃了铝丝焊接的方法,通过激光焊接来连接Busbar和电芯正负极
  • 模组的顶部和底部都是完整的一块空间,整个加工的速度会更快一些
  • 特斯拉采取了顶部集成采样线的模式,也导入了类似CCS的结构来提高可制造性和可靠性
特斯拉的4680模组设计的探讨
特斯拉的4680模组设计的探讨

4680模组的电气设计

在特斯拉的模组设计专利图里面,已经透露出来了一些差异化的东西,在本次蒙罗老爷子的拆解中得到了很系统的展示。

特斯拉4680模组设计概念和实际落地情况
特斯拉4680模组设计概念和实际落地情况

汇流排设计的并联结构,确实有点诡异,从目前清点的数量来看,凸起来有9个电芯,一共有6排,然后按照三角形进行圈住。下面图里面,用黄色框代表一个特写,绿色我圈出来的电芯。然后我把整个的汇流排结构用圈住的方式进行标注,因此这里分为两部分:

电芯连接点,可以看到用激光焊接的方式进行标注

Busbar之间进行连接,这里设计有意思啦,有一块大的支撑部分把汇流排和电芯之间连接起来

汇流排的设计(分为连接电芯和汇流排之间连接)
汇流排的设计(分为连接电芯和汇流排之间连接)

如下图所示,为了从结构上固定,这里使用了树杈固定的部分来把汇流排固定住,而且Busbar之间的连接是配置了绝缘材料,充分考虑在3D的范围内把Busbar之间进行连接。

汇流排的设计细节
汇流排的设计细节

从焊点来看,特斯拉在母线排上放弃了铝丝Bonding焊接这种既麻烦、可靠性又比较差的方案,一个可能原因是整个连接承载的电流变大了,从可靠性和体积利用率来看,这种3D复合的效率更高,工艺更可靠。

同时电芯的电压线,使用铜片直接与汇流排直接焊接, 9个并联的电芯出一个电压采样点,这里使用了CCS的概念,把4680上面的盖子进行高度集成,内部通过集成温度传感器的方式。

采样线和整体复合顶盖
采样线和整体复合顶盖

总体来看,这种设计起始把难度全部交给了供应商,等于供应商需要提供这么一个底部的盖子和顶部的盖子,然后通过机械的方式把电芯一个个放进去。

4680的总体设计思路
4680的总体设计思路

框架的两端

为了方便电流连接,类似大框架模块两端输出的连接通过激光焊接与输出极片连接,输出极通过框架塑料基板顶起来。整个电气部分还是通过橘黄色的塑料板顶起来,然后通信线通过顶部管道连接到BMS。

模组的主要输出连接部分
模组的主要输出连接部分

这里有一个绝缘盖子,能把模块的输出部分保护起来,达到加强绝缘的电气隔离。

4680模块框架的塑料隔离部分
4680模块框架的塑料隔离部分

小结:总体来看,这个4680的设计部分一步步是简化装配过程,把很多的零件尽量集成起来,然后交给供应商来提供,进一步提高4680电芯到电池包的组装速度。

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