从4680电池的体积成组率计算中看特斯拉4680电池能量密度

千叶给我一些信息，用于计算4680的成组率的过程，我觉得很有意义，结合特斯拉4680的电池公开专利《INTEGRATED ENERGY STORAGE SYSTEM》（专利号：WO/2021/102340），做一些探讨。

我们发现这么几个问题：在电池设计中，由于圆柱也是Z向高度敏感型，所以如果考虑电池包的厚度、内部间距和排烟通道等设计考虑，圆柱的体积成组率大约在下图1的范围。

随着7月4680的稳定发展，对于材料段需求也在逐步往上拉，预估从Q3开始4680相关的产业链的拉动效果开始了。

▲图1. 4680的体积使用率的计算

 

Part 1 专利中的一些说明

● 排烟通道和底部的考虑

正常的底部设计，是一定要考虑底部的球击考虑的，也就是说下箱体结构（我们观察到目前4680的底板很平），所以这里在模组层面可能会用蜂窝状结构，尽可能吸收并分散来自车辆底部的撞击能量，以减缓给电芯带来的损坏。

▲图2. 底部球击的考虑

因此我们假设在整个过程中，主要考虑两个维度：一个是电芯在XY方向上的投影面积，主要是看圆柱电池在多个电芯之间的浪费的间隙有多少；一个是在Z方向上的利用率，就是考虑电气连接、组合板、排气通道和缓冲区域需要多少距离。

▲图3. 在两个方向上的考虑

在设计中装载电芯的支架可以起到结构支撑电芯的功能，可以在热失控的时候起到热阻隔的功能，让电芯喷出来的熔渣掉下去。

▲图4. 结构支架的作用

● 结构胶和散热

在Model S Plaid里面，我们看到包裹在电芯四周的结构胶用于定位电芯和约束电芯，以应对外界的惯性冲击和震动载荷，其实这里还是有很多的作用的，结构胶还能起到散热功能，并能提供与主动冷却系统（蛇形冷却管）并行的散热通道。在圆柱电池里面，蛇形冷却管其实作用很大，一方面提供了交叉流通提供了水冷通道，一方面能起到对电芯的限位作用。

▲图5. 对应的专利结构图

● 其他有趣的地方是，由于设计方面的改变，4680电芯的钢壳是不带电的，因此不需要再额外增加绝缘材料，可以让电池系统体积利用率尽可能的提高。

 

Part 2 计算过程

在递进的计算过程中，由于圆柱本身的面积是可以计算的，所以在一定的边界框架下进行计算：

● 是否考虑X和Y方向的壁厚

● 两个方向上边沿和圆柱电池的间距

根据这里就可以计算出X和Y方向上有效的间距，然后把X和Y方面最大的可布置的电芯数量放进去。

▲图6. 电池包的XY值

根据这个数据，可以估算出在XY方向的有效使用率：

▲图7. 分解为XY方向和Z方向的过程利用率

小结：我是觉得4680的方向上，可以通过各种工具来进行计算，来迭代直径和高度的最优解，这个过程其实比我们想象的要简单一些，根据尺寸链的约束去排布，其实很容易能得到结果的。也有工程师朋友给了我发了计算结果，说实话，这种利用率啥的都是物理上可以检验的，动动手算算。