特斯拉Model S Plaid的U型冷管设计

在之前的文章中，我们探讨了S Plaid整个电池包的设计，这是特斯拉由Model 3方案向4680 CTC方案切换的一个重要过渡产品，在S Paid身上能够看到Model 3和4680 CTC的不少共性技术。这里就S Plaid的U型冷管设计再进一步细化探讨。

S Paid采用了5个大模组横向布置的思路，在原来Model S(图片|配置|询价)电池箱体的包络内进行了重新设计，最大的一个变化是原来两侧布置液体管路调整为一侧布置液冷管路，另一侧布置BMS从控，这样可以更好地利用横向空间。

基于此，特斯拉必须在同一侧完成模组内蛇形管的进出设计，即冷却液需要在模组的另一侧再管内返回来，这就形成了一个U型方案，如下图所示，U型方案的一个优点在于进水管道与出水管道内的液体在相互流动的过程中，能够对水温进行均衡，从而让整个冷却管轴长度方向的各电芯得到更均匀的冷却效果，增加电芯之间的温度一致性，利于进一步提高快充和加速能力（技术专家George Bower评估有10%的提升）。

这里，我们将Model S的冷却技术演变做下简单的汇总，可以更好地理解特斯拉的技术进化特点。

基本的演变思路是增加冷却效率，实现的手段包括：

（1）增加与电芯的接触面积，两个方向一是增加冷管的高度，二是增加冷管弯曲的弧度；

（2）增加管内的流道，这与增加冷管高度是一致性的方案；

（3）减少单根冷管的长度，这个主要是为了更快、更充分冷对电芯进行冷却，即每根冷管需要应对的电芯数量减少，如下图所示。

S Plaid的单根U型冷管，它的进水口布置在上面、出水口布置在下面，每两个电芯之间夹一个冷板，即保证每个电芯有一面是与冷管相接触的。

接下来，我们重点分析下S Plaid这种U型冷管设计，是如何来提高快充和大功率放电（加速）能力的。这需要借助于特斯拉的专利“US 20210159567A1 ：Integrated Energy Storage System”对于U型管设计的基本出发点：

In one embodiment there exists within each cooling channel there is a separated "supply" and "return" section, also known as "U-FLOW", which can be used to collapse thermally-induced intra-parallel brick voltage gradients that negatively impact performance via current balance and supercharge temperature limits. The "U-FLOW" arrangement may also be used to reduce cell array overhead packaging volume by consolidating/more efficiently nesting bulky components/interfaces along a single side of the cell array. Another benefit of consolidating the hydraulic interfaces to a common face of the cell array is a reduction of sealing interfaces to be included on the resin container (potential leak points) which may also consequentially ease the packaging of nearby measurement & sensing electronics components.

这里特斯拉给出了U型设计的3个好处，除了减少管路体积的占用、减少密封接口点，最重要的就是第一条：减少同一个并联电路内电芯的压差。可以这样理解，其本质还是均温带来的好处，U型管设计减少了它两侧电芯之间的温差，从而减少了由温度带来的内阻不一致性，进而改善了电芯的电压（内阻会占据一部分压力，从V=IR得出）。

而在快充或大功率放电时，充放电功率往往是受到电芯温度的限制的，以快充为例，当电芯的最大温达到XX如55℃时，就会进行限功率；或是电芯温差达到XX如4℃度时。如果均温性控制得好，就可以减少因温差带来的限功率，从而延长达到最高温度时的快充时间，这可以从下面的图示中看出。