Tesla Model S Plaid Battery: se descubren nuevos avances inteligentes

Fondo

El paquete Tesla Model S ha experimentado una gran evolución. El paquete original era propenso a sobrecalentarse en carreras de pista ligera y no podía tolerar los niveles de potencia de carga del V2. Una mirada a los detalles del empaque original y es obvio. Tenía solo un tubo de enfriamiento por módulo.

Había 16 módulos en total con 7104 celdas, lo que significa que un módulo tenía 444 celdas, todas enfriadas por un tubo de enfriamiento en forma de cinta que serpenteaba a través del módulo. ¡Son muchas células para enfriar en una sola pasada! No es de extrañar que se sobrecalentara.

Cuando salió el P100D, Tesla rompió el tubo de refrigeración en dos tubos. La compañía también aumentó ligeramente el número de celdas en el paquete, pero el número de celdas enfriadas por un paso en el tubo se redujo casi en un factor de dos (258 frente a 444).

Ahora en Plaid vemos otra reducción en las células por tubo por (aproximadamente) un factor de 2 a 144 células. El Plaid ha sido completamente rediseñado no solo para simplificar su producción, sino también, y sobre todo, para manejar el enorme aumento en el rechazo de calor. Tesla ha reducido la cantidad de módulos en el paquete de 16 a 5. ¿Recuerda la doble pila de dos módulos en la parte delantera del antiguo Model S? Se ha ido, con ese espacio ahora ocupado por la electrónica.

Dicho todo esto, el nuevo paquete ciertamente no es un paquete estructural como lo serán el nuevo Model Y y Cybertruck. Se parece más al diseño original del Model 3, con módulos individuales que son una pieza sólida de celdas unidas con un material similar a la resina que tiene características ignífugas.

Sin embargo, no sabemos si Tesla está usando la misma técnica de ensamblaje que los módulos del Modelo 3, donde las "bandejas" de las celdas se pegan primero al tubo y luego se montan en el módulo. Tesla tuvo problemas para que el sistema de "bandera" funcionara al principio y tenía altas tasas de rebote.

Nuevo avance n.° 1: tubo de enfriamiento de 2 pasos (llamado U-Flow en la patente)

El tubo de enfriamiento U-Flow de 2 pasos se menciona en la solicitud de patente "Sistema de almacenamiento de energía integrado" @[0037] y se llama a las 3:30 en el video de YouTube de Ingineerix "Tesla Model S Plaid Battery Torn open". El refrigerante de glicol ingresa al tubo de enfriamiento por la parte superior, hace un paso longitudinal, hace un giro en U y vuelve a la parte inferior del mismo tubo de enfriamiento.

La forma en que se controla el sistema de enfriamiento se basa en la temperatura máxima de la celda, no en el promedio. Si la dispersión de alta a baja en las celdas es de 7°F con un solo paso, el nuevo arreglo U-Flow equilibra la temperatura y la temperatura máxima se reduce en 3.5°. Esto permite más potencia antes de alcanzar el umbral de temperatura durante la carga y más potencia en la pista. Estimamos un incremento de aproximadamente 10%.

Con 2 pases, cada celda experimenta enfriamiento de ambos pases. La "primera celda" recibe tanto el glicol más frío en la mitad de la celda como el glicol más cálido en la otra mitad. La última celda, antes del giro, recibe glicol a temperatura media en ambas mitades. El glicol de células T delta "promedio", teniendo en cuenta ambos pases, es el mismo para todas las células. Suponiendo que la lata exterior de la celda tenga suficiente conductividad para "equilibrar" el enfriamiento dentro de la celda, el efecto neto es que todas las celdas obtienen el mismo efecto de enfriamiento y se enfrían a la misma temperatura.

Para mantener la misma velocidad de flujo de serpiente, reduce el flujo a la mitad y duplica el delta T de glicol desde la entrada hasta la salida. Misma transferencia de calor general sobre la misma área general. La bomba tiene que generar el doble de presión y la mitad de flujo por serpiente, por lo que tiene un tamaño diferente.

Esto también afecta la forma en que se diseña el enfriador de chimenea... menor flujo, mayor delta T, lo que significa más flujo en serie a través de él de placa a placa y menos flujo paralelo. Esto generalmente se hace con las rutas de paso interno estampadas. No vería ningún cambio en la forma o el tamaño exterior del enfriador. El enfriador es exactamente lo que dice. Enfría el refrigerante de glicol que pasa por el paquete y transfiere calor de la celda al refrigerante.

Usamos este efecto de 2 pasadas todo el tiempo en HVAC. Los serpentines de calentamiento o enfriamiento de glicol o refrigerante de 2 pasos aseguran que todo el aire que pasa a través de un serpentín se calienta o enfría de la misma manera. Cuando calentamos losas de piso, envolvemos la mitad del suministro de calefacción uniformemente alrededor de la losa, luego nos doblamos hacia atrás y serpenteamos la segunda mitad a lo largo de ella. Esto asegura que toda la losa se caliente de manera uniforme y que no haya puntos "calientes" o fríos.

Las placas de refrigerante del módulo Ford Mustang Mach-E tienen un patrón similar de 2 pasadas. El glicol sube por un lado del módulo, tocando la mitad de cada celda, luego se dobla y regresa por el otro lado del módulo, enfriando la otra mitad de cada celda.

El tablero de Hyundai hace lo mismo, excepto que en lugar de tableros de módulos individuales, lo hace con un solo tablero usando un elaborado serpenteo de un solo paso para contactar la mitad de cada celda y luego plegarse hacia atrás, similar a ¿Cómo hacemos la placa de calentamiento? -tubo.

LG trató de hacer esto con el Chevrolet Bolt EV, pero arruinó el concepto de T y corrió los pases de serpiente en la dirección equivocada y consiguió que algunas celdas en cada módulo tuvieran todo el glicol frío y otras todo el glicol caliente. Cada módulo generalmente tiene un enfriamiento uniforme, pero debe obtenerlo al nivel de la celda, no al nivel del módulo.

Nuevo avance n.º 2: los tubos de enfriamiento se alinean con grupos de celdas paralelas (ladrillos)

Tesla afirma que la principal ventaja de este canal "U-FLOW" es que mantiene todas las celdas dentro de un solo "ladrillo" a la misma temperatura, lo que asegura que cada celda dentro de ese ladrillo tenga la exactamente la misma resistencia interna y voltaje de base térmica. Esto sería específico para el nuevo módulo Model S, ya que los "ladrillos" del módulo constan de 72 celdas, todas corriendo en una sola línea lateralmente de un lado del paquete al otro.

Con 22 filas de celdas, cada módulo tiene 22 "ladrillos" y 11 serpientes. Al ejecutar un canal de flujo en "U" para cada bloque, las 144 celdas de esos dos bloques estarán exactamente a la misma temperatura. si Tesla ejecutara una serpiente de un solo paso con el mismo enrutamiento lateral, la primera celda del ladrillo que se enfría con glicol sería mucho más fría que la última celda, y la primera y la última celda tendrían diferentes voltajes internos, creando "gradientes de tensión de ladrillos intraparalelos inducidos térmicamente"Flujos de corriente desequilibrados y temperaturas desiguales, lo que afecta la velocidad de la Supercarga (que era mi punto principal original).

[0037] En una realización, dentro de cada canal de enfriamiento hay una sección separada de "suministro" y "retorno", también conocida como "FLUJO U", que se puede usar para colapsar gradientes de voltaje de ladrillo intraparalelos inducidos térmicamente que afectan negativamente el rendimiento a través de la corriente. Límites de temperatura de equilibrado y sobrecarga. La disposición "U-FLOW" también se puede usar para reducir el volumen de empaquetamiento de aire de la matriz de la celda mediante la consolidación/anidación más eficiente de componentes/interfaces voluminosos a lo largo de un solo lado de la matriz de la celda. Otro beneficio de consolidar las interfaces hidráulicas en una cara común de la matriz de celdas es la reducción de las interfaces de sellado que se incluirán en el contenedor de resina (puntos potenciales de fuga), lo que también puede facilitar el empaquetado de la electrónica de medición y detección.

Por lo tanto, el concepto U-FLOW fue fundamental para que el proyecto de celda de ladrillos del nuevo módulo funcionara. Los módulos Model 3/Y 2170 y el paquete 4680 están diseñados para ejecutar las serpientes longitudinalmente, pero cada serpiente pasa a través de 23-25 ​​ladrillos, por lo que el gradiente térmico máximo en cada ladrillo es solo alrededor del 4% del total delta serpiente T .

Por lo tanto, el "gradiente de voltaje intraparalelo" aparentemente es insignificante, y Tesla decidió que podía quedarse con la serpiente de 1 paso más simple para el nuevo paquete de celdas 4680, incluso si crea algunas diferencias de temperatura en las celdas que afectan negativamente la máxima velocidad de sobrealimentación. El viejo El modelo S con tubos de enfriamiento desalineados y grupos de celdas paralelos se muestra en la figura 10. La desalineación es obvia.

Todo esto se remonta al subtítulo del artículo... el nuevo paquete Model S es el "paquete de celdas cilíndricas perfectas" desde el punto de vista de la gestión térmica. Área máxima de contacto de la placa celular con glicol por wH con baja resistencia térmica de la placa celular. El flujo de 2 pasos asegura temperaturas de enfriamiento uniformes para cada celda. Garantiza máximas tasas seguras de carga/descarga y mínimos gradientes de voltaje dentro de la celda.

George BowerBSME

Keith Ritter BSME, Educación Física