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电池安全哪家强 看比亚迪/长城/广汽埃安电池方案

汽车活动 2021-07-05 浏览(6) 评论(0)
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原创 谈及2021年电动车最热门的是什么话题?当然是电池安全性。谁解决了电池的热失控安全问题,谁就赢得消费者的信赖。比亚迪、广汽埃安、长城汽车等等厂家纷纷拿出自己的方案,今天就来帮大家分析一番。

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安全,是电动车首要的追求。

6月29日,长城汽车第8届科技节的第二天上,长城汽车发布了“大禹电池”,并且宣称它在热失控情况下实现了不起火、不爆炸。

大禹电池实际为NCM811三元锂电池,即正极材料中镍钴锰的含量比例为8:1:1,属于热失控管理挑战很大的高活性电池。

在长城汽车看来,电池包里包含大量电芯,其中有个别单体发生热失控是不可避免的(或者说各类交通事故诱发热失控是早晚问题),除了做好基础的隔热和冷却工作,还要在限制热量扩散、避免二次引燃等等问题多下功夫。

大禹治水(小学课本插图)

“堵不如疏”,长城汽车向大禹学习治水之道。面对滔滔洪水,大禹从鲧治水的失败中汲取教训,改变了“堵”的办法,对洪水进行疏导。

长城汽车认为,将电池热失控的热量做好疏导工作,就能有效解决电池安全问题。因此,这款电池被命名为“大禹电池”。

NCM811电池在降低动力电池成本方面有着积极作用,有着电池能量密度大的优点。但同时,NCM811电池的缺点是热稳定性较差,安全性一直是个待解决的难题。

这款电池通过搭载多梯次换流系统、快速极冷抑制系统、多级定向排爆系统、灭火盒系统等全新设计,让电池在热失控情况下实现不起火、不爆炸,所排出的烟气温度也控制在100℃左右。

为了测试这款电池的安全性,长城汽车采用了行业内少见的模组中间电芯触发和双电芯连续触发的加热触发方式进行测试。

试验结果为全程无明火爆炸,电池组排出的烟气温度低于 100 摄氏度。

从设计思路来看,大禹电池采用了热源隔断、双向换流、热流分配、定向排爆、高温绝缘、自动灭火、正压阻氧以及智能冷却等理念。据介绍,长城汽车在研发这款电池时,还考虑了电池发生热失控时的排热问题,并且拥有数十项相关的核心专利。

双向换流:一般来说热失控的电芯会首先出现高热,当温度超过一定程度才自燃。而在高温出现时,双向换流设计能够实现将这些热量安全分摊到整个电池包。

换言之,单个电芯热失控产生的热量也许会引燃临近正常的电芯,但这些热量显然远远不够让整个电池包发生同样的危险。

热流分配+定向排爆:假如热失控的源头真的自燃并爆炸,就需要通过泄压并排热来进一步减小损失了。长城介绍,大禹电池在设计时对热失控时的热流、温度、压强等因素做了充分考虑,足以使气火流快速引导并安全排除,同时电池内对高压区域的绝缘措施也将启动,以防万一的起弧风险。

自动灭火,正压阻氧:考虑到体积限制,大禹电池的灭火设计主要采取阻绝助燃物——氧气(或者说外界空气)的思路,通过对定向排爆出口的通道加以特殊设计,保持电池包内部压力始终高于外界大气,从而阻止氧气进入扩大火势。

当然,在上述设计发挥作用的过程中,BMS电池管理系统和云端双重监控,通过温度监控察觉并及时提高热失控局部的冷却效率,配合电池包内部电芯间的隔断设计,有效减小热失控扩散的风险。

长城汽车表示,大禹电池将于 2022 年作为全新一代动力电池,全面应用于长城新能源车型中,并且将为全行业免费开放“大禹电池”的专利。

比亚迪的方案则是放弃三元锂电池,将电池能量密度低一些的磷酸铁锂电池重新设计,取消了模组,单个电池形状呈扁平状的长方体。

自2020年3月29日,比亚迪正式发布了刀片电池,公布其续航里程达到了三元锂电池的同等水平,更顺利通过了动力电池界令人望而生畏的“针刺测试”,刀片电池的知名度大增,关注电动车的消费者都听过它,并对其产生好感和信任。

好感度就源自比亚迪通过刀片电池解决了新能源汽车的电池安全问题,这里的问题是指动力电池的热失控、从而引起电池爆燃的问题。消费者买电动车最担心的就是它发生自燃事故以及其电池的耐久度出问题。

三种动力电池针刺对照测试结果

对比目前主流的纯电动车常用的两种电池,磷酸铁锂材料本身具有放热启动温度高、放热慢、产热少、材料在分解过程中不释放氧气、不易起火这几大优势。而三元锂电池天性热稳定性差、安全性差也是行业公认的事实。

比亚迪董事长王传福在发布会现场

“以安全为本源,才是动力电池产业可持续发展的保证。”比亚迪董事长王传福在发布会谈到,“比亚迪的刀片电池不止是能量体,还是结构件。”

三元锂电池与刀片电池

将磷酸铁锂材料做成长电芯的方案,电池单体形状又长又扁,其厚度不到2cm,宽度约为10cm,长度大于0.6m。它们看起来像是一片片刀片,比亚迪就给予了它“刀片电池”的名字。

刀片电池穿刺试验

从电池的穿刺试验可以看到,刀片电池在5mm直径的钢针穿刺后,电池温度稳定在30-60℃,表面无浓烟无明火,而三元锂电池则会发生剧烈燃烧的现象,表面温度超过500℃,两者的安全性高下立见。

三元锂电池穿刺试验

起火的原因是,在500℃的温度下,磷酸铁锂材料结构都非常稳定,但三元锂材料在200℃左右就会发生分解,且化学反应较剧烈,会释放氧分子,更容易引发热失控。更何况纤薄的刀片电池在穿刺后,电池表面温度也不超过60℃,所以就更谈不上有明火或者爆燃了。

得益于比亚迪通过CTP技术(Cell to Pack),将电芯直接矩阵排列到电池包,实现取消了模组这一步。长电芯的方案能极大提升电芯的成组效率,使得电池包壳体内部的空间利用率大大提升,也进一步保障了其具有足够的刚度与强度。

发布会现场我们还看到了一项新的电池强度测试——46吨重卡碾压测试。经过重卡碾压的刀片电池包完好,无漏液、无冒烟现象,但还能重新装回车上使用,再次刷新大家对刀片电池安全性的认知,刀片电池确实能起到一定的结构加强作用。

与三元锂电池相比,刀片电池能减除因电池安全和强度不够而增加的结构件,实现了电池具有高强度的同时,电池包的安全性能也得到提升,还有体积利用率也提升了50%以上,有助于电池包内容纳更多的刀片电池,从而达到主流三元锂电池同等的续航能力。

再来看大家关心的电池使用寿命问题。刀片电池相比三元锂电池具有一定优势,电池循环次数大幅度提升,刀片电池拥有超过100万公里的使用寿命,倍数级提升了整车的实用性。

比亚迪汉EV

加上刀片电池还具有较高充放电功率的优点,在提升车辆性能方面也有一定的帮助。譬如首款搭载刀片电池的车型汉EV,全车共178片刀片电池,瞬间最大功率可达363kW,相当于500Ps马力,0-100km/h加速仅3.9秒。

消费者还担心电动车在冬天使用会出现“续航打折”的问题。“无论是牙克石的零下35度,还是吐鲁番的55度高温,我们都有做安全测试”,弗迪电池工厂的工程师向我解释道,加持保温棉、保温材料和热管理技术,让刀片电池时刻保持最佳状态。

通过测试,低温高电量充电功率下,刀片电池高于三元电池。而低温低电量充电功率下,刀片电池低于三元电池,但可以满足正常需求。刀片电池低温放电能力可以维持在常温的90%,低温下的放电功率刀片电池依然优于三元电池。

综上所述,刀片电池有着高安全、高强度、长续航、超低温、寿长命以及大功率方面的优势,为纯电动车带来更优质的用车体验,当然值得大量推广使用。

广汽埃安的弹匣电池

不久前,广汽埃安发布了新一代动力电池安全技术—弹匣电池系统安全技术(简称“弹匣电池”),并通过了中汽中心的针刺试验,业内首次实现了三元锂电池整包针刺不起火。也是继“刀片电池”后,另一个大幅提升电池整包安全性的技术。

将一个个电芯放置在安全舱中,类似“弹匣”,中间采用航空级的二氧化硅级耐高温纳米材料,因此它具有耐高温、绝热的特征,能最大程度上可以起到阻燃、隔热的效果。这就是“弹匣电池”名字的由来。

弹匣电池的四大核心技术:一、超高耐热稳定的电芯;二、超强隔热的电池安全舱;三、极速降温的速冷系统;四、全时管控的第五代电池管理系统。

借助这几项技术,弹匣电池也能在穿刺试验中做到不起明火,与刀片电池一样。

刀片电池和弹匣电池,凭借各自的技术优势,都在电动车的电池安全性能上有更好的保障。刀片电池的推出使得比亚迪在动力电池的成本方面预估能下降 20%-30%,以控制电池成本带动整车成本下降,对发展新能源车也有提升利润空间的可能。

只有刀片电池做到了提高电池安全性的同时,还降低了制造成本,一举两得。

从消费者的角度看,购买电动车首先要考虑的是它要具有高安全性,再者就是新车续航能力强、购车成本低;比亚迪自主研发的刀片电池正好具备了高安全、高强度、长寿命、强温控等优势,满足了消费者购车的基本需求,唯一的不足就是磷酸铁锂电池能量密度低,电动车的续航能力只是同级别里的中等水平。

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