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封堵变疏导!长城汽车揭秘不起火不爆炸的大禹电池

【EV视界报道】动力电池技术快速发展,安全问题不容忽视,防止电池包热失控被视为最关键因素。

新能源汽车市场的蓬勃发展,推助了消费持续升级,尤其是高性能电动车成为了市场的新增长点。三元锂和磷酸铁锂作为当前锂电池正极材料的中流砥柱,各自有着适合的市场定位。磷酸铁锂的安全稳定性、充放电循环寿命和成本优势明显,但同时也存在能量密度低,充放电效率低,低温表现不佳等问题。

为了提高电动汽车与传统燃油车的竞争力,电池能量密度就需要达到350Wh/kg以上,单次充电行驶里程超过800公里,这样的目标若要实现,在很大程度上最终仍然要取决于高镍电池的发展。但随着镍含量的提高,正极材料的稳定性也随之下降,导致热失控引发电池自燃风险上升。为了解决这一难题,此前有很多“封堵”的办法,比如通过正极掺杂改性、陶瓷涂层、特制电解液等来隔热阻燃。 

但在长城汽车看来,堵不如疏,如同大禹治水的理念,将水疏导到安全区域,这样比堵的效果要好得多。9月24日,长城汽车首次对外揭秘了自研大禹电池技术的相关理念和技术。

长城汽车动力电池设计总监曹永强表示:““大禹电池”主要设计思想是“变堵为疏”,采用‘控+导=通’的核心技术原理,改变了传统以堵为主的电芯控制技术,将热失控后产生的气火流按照设计通道安全疏导出电池包外,从而解决热失控导致的起火和爆炸问题。”

电池安全涉及到电化学安全、机械安全、电器安全、功能安全、整车集成安全等等,是一个系统性综合问题。大禹电池技术对电池进行了创新设计,搭建4层5维安全矩阵,采取8大创新设计,包括热源隔断、双向换流、热流分配、定向排爆、高温绝缘、自动灭火、正压阻氧、智能冷却等,覆盖热源抑制、隔离、冷却、排出等各项领域,从而保障电池不起火、不爆炸。

目前,大禹电池技术拥有超60项专利,长城汽车宣布将对全社会免费开放。2022年,大禹电池技术将对长城汽车旗下新能源系列车型开启全面应用,首搭车型为沙龙品牌第一款车型。

多维度多层次的矩阵式保护

大禹电池系统解决方案将气火流按照设计通道安全疏导出电池包外,核心优势在于可以覆盖所有的化学体系,同时在电池包的任意位置电芯触发单个或多个电芯,在同时热失控的情况下仍然能够做到不起火、不爆炸。

大禹电池从电芯、模组、电池系统、整车四层进行匹配,从电芯测试、系统数据、安全设计、虚拟仿真、测试验证五个维度设计理念,实现电池热失控安全全防护。

在核心设计上,大禹电池有八大特点:热源隔断、双向换流、热流分配、定向排爆、高温绝缘、自动灭火、正压阻氧和智能冷却,下面进行逐一解读:

1、热源隔断:除了车身框架的物理防护,电池被动安全的设计思路是热失控发生之后,要及时抑制火焰,控制温度,延缓其他电芯热失控的传播,降低能量释放量和释放速度。这其中需要热源阻隔的设计,也就是阻止单个热失控的电芯向周围电芯蔓延,通常做法是利用阻燃材料打造隔热墙。

大禹电池的做法是,在电芯间采用全新开发的双层复合材料,既能隔离热源,又耐火焰冲击,有效解决了传统气凝胶不耐冲击的痛点。同时结合不同化学体系电芯循环膨胀特性不同,这种双层复合材料既可有效解决电芯膨胀对空间的需求,又能隔离热源。

针对模组间的防护,大禹电池同样采用高温绝热的复合材料,以阻止火焰冲击和长时间传热传导。同时在防护罩设计定向排爆出口,快速将模组内部高温气火流排出蔓延。

2、双向换流:热失控过程中会产生大量高温、高压气火流,大禹电池通过对多种换流通道的设计和仿真模拟设计,最终选择了一个最佳的理想通道,可以实现换流强度和比例精准化设计,有效控制了热源按照预定的轨迹来流动,这种控制热源轨迹的设计也减少了对相邻模组的热冲击,避免电池的再次引燃。

3、热流分配:是指通过搭建一个燃料模型,热力学与流体力学模拟仿真,冲击强度和压力计算等虚拟技术应用,实现气火流在不同结构通道内的均匀分布。

4、定向排爆:排爆通道的宽度不同、阻力不同,而且内部是异形结构,如何让气火流在这里均匀分布是一个巨大的难点,这也是大禹电池最核心的技术。

长城汽车的设计思路是通过分流、导流、换流将火源快速引导至灭火通道并安全排出。目前已攻克了起火热源在通道内压力和流量分布不均的难点,消除了热量集中,使气火流在通道内分层均匀流动。

5、自动灭火:定向排放的出口设置了多层不对称的蜂窝状结构,可以快速将火焰抑制和冷却。

6、正压阻氧:蜂窝的孔径非常关键,它决定了单位气体质量流量,大禹电池的PACK包排气孔的精细化设计保证包内的压力始终高于包外,避免燃烧过程中产生氧气,带入包内使其产生二次燃烧。

7、高温绝缘:大禹电池对PACK内部组件的高压连接及高压安全区域进行高温绝缘防护设计,可以消除热失控过程中的高温对铜排线束造成绝缘损伤,防止高压起弧损伤金属箱体。

8、智能冷却:是行业比较通用的技术,当系统识别到电芯已经触发热失控以后,通过BMS和云端双重监控,快速启动冷却系统,抑制热扩散。 

此外,大禹电池的冷却系统采用单张大冷板与箱体集成设计方案,可以根据电芯和模组热失控温度状态,智能调节冷却系统的开闭时间、流速、流量等。

对于研发的手段和方法,长城汽车也进行了创新和突破,大禹电池开创性地建立了整包级热失控燃烧模型,实现气流、火流多维度的拟合仿真,填补了行业空白。同时也颠覆了在行业内热失控领域先开发再测试的传统开发方法,实现了在没有实包的条件下,完全通过虚拟的数字化仿真来搭建燃烧模型。

同级最严格高镍电芯测试

那么,大禹电池的排爆效果到底如何呢?守住电池安全底线,历经同级最严高镍电芯测试。

大禹电池技术在产品验证过程中依据测试标准GB38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》开展行业内最严苛的高镍电芯测试验证,研发团队针对中镍、高镍、无钴、铁锂等多种化学体系电池均在开展大禹电池技术多元化应用,实现了“电芯化学体系全覆盖”,“任意位置电芯”,“单个或多个电芯”触发热失控的情况下整包不起火、不爆炸。

我们来看一下它的测试视频效果,长城汽车选取了行业内公认最具挑战性的三元NCM 811电芯,对于这种电芯而言,虽然针刺和加热的剧烈程度相当,但是加热会产生大量高温热源,这对于电池包的考验更加严苛,所以长城汽车采用了加热触发方法,同时触发位置选择了模组的中间电芯,而且选用了最严苛的两个电芯、同时触发的测试方法。

验证过程中,抗住了最高1037℃高温,电池包内气压达到三次高峰,瞬间高压16kPa,连续3次热失控,电池包依然不起火、不爆炸、灭火系统能够抑制电池包外溢烟雾最高温度低于100℃,避免对周围产生二次伤害,电芯内部热量被迅速导流,完全有效地保障了电池安全。

大禹电池安全技术可有效解决不同化学体系电芯发生热失控之后的起火、爆炸问题。除能量密度可突破190Wh/kg的NCM811三元锂电池,还包括未来随着镍含量提高电池能量密度更高的三元锂电池。另外也包括三元锂电池体系的NCA(镍钴铝)电芯及无钴电芯等,以及不同技术线路的磷酸铁锂电池。

同时,大禹电池技术还可百搭不同PACK的应用技术,满足未来CTC(Cell to Chassis)电池PACK与融合方式,进一步提升整体刚性。因此,大禹电池技术的全面应用可以最大程度保障动力电池市场的安全,对于行业和用户都有着巨大意义。

结语

“大禹电池”作为下一代全新动力电池技术,将于2022年中开始全面应用推广,搭在当今电池安全问题频发的情况下,长城汽车为用户带来了更强的安全保障解决方案。 

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杨晓红编辑
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