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大禹治“火”?长城汽车大禹电池技术究竟有多安全?

【EV视界技术解析】大禹治水的传说人尽皆知,话说在上古时代三皇五帝时期,黄河泛滥,鲧、禹父子二人受命于尧、舜二帝,任崇伯和夏伯,负责治水。而鲧因只知筑坝挡水,九年过去了洪水依然无从消退。后来其子禹吸取了鲧治水失败的教训,采取疏导的办法治水。他和千千万万的人一起,疏通了很多河道,让洪水通过河道,最后流到大海里去,洪水终于退了。

面对洪水,大禹与其父的做法完全不同,他采取了“变堵为疏”的理念,通过导流泄洪的方式,征服了洪水。可谁又能想到今天,这一智慧精髓居然被运用栽倍受关注的电池安全解决方案之中。

随着全球各大车企品牌开始“淘汰”传统内燃机车,新能源车型正在成为主流,目前市面上的多数车型在购车成本、续航里程、充电时间和残值等问题上都有相应的提升,为了提高电动汽车与传统燃油车的竞争力,所搭载的电池能量密度正在迈向350Wh/kg以上,单次充电行驶里程超过800km!要实现这个目标,很大程度上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。

有数据显示,在2020年国内的新能源汽车事故中,因电池问题而导致的事故占据了大部分的比例,而这其中的热失控问题成为了主要原因。

所谓热失控,导致它诱发的原因包括机械电气诱因(电池碰撞挤压、针刺等)和电化学诱因(电池过充过放、快充、低温充电、自引发内短路等)。一般来说,电池在放电的过程中,其所产生的“副作用”就是放热。若散热条件不好,放热的“副作用”有可能引起更高温度的超标,当电池达到450℃时则会引起电解液燃烧,从而引发热失控。

而当一个电池单体发生热失控之后,相邻单体受影响后也相继发生热失控,导致热失控蔓延造成的连带效应后引发安全事故。这就好比在茂密的森林之中,如果一颗树木被引燃,在借助风力等因素后,会逐渐蔓延起来,形成大范围的森林火灾。

热失控仿真模拟

虽然道理很简单,但该如何解决热失控问题呢?这就又回到我们文章开头所提到的“大禹治水”。

此前,一些车企品牌采用了如同大禹其父鲧的做法,试图以“封堵”办法去解决,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,但最终的效果却不尽人意。而在长城汽车看来,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,因此“大禹电池”安全技术应运而生。

“大禹电池”

“大禹电池”并不是一种新的电池,它是一种提高电池安全的重要技术,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。简单来说就是,如果电池包中的一个电芯出现了热失控问题,那就在短时间内将该电池的热量按照一个设计好的通道排放出去,从而避免电芯聚集燃烧爆炸。

如何做到电池包热失控的“变堵为疏”呢?长城汽车的“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。

热源隔断:建立电芯与电芯之间的“防火墙”

当电芯出现热失控时,如果在它即将爆发的初期就将它控制在一个范围里,可以说是一个非常有效的手段。

“大禹电池”的热源隔断技术分为两个部分即电芯隔断和模组防护。其中,电芯隔断是指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(泛指二氧化硅气凝胶,有导热率低、重量轻的优点,但材质密度较低,不坚固)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,设计双层复合材料,既可有效解决电芯膨胀对空间的需求,又能隔离热源。

另外的模组防护,就是指在电池模组之间采用高温绝热复合材料,而该材料要比电芯所采用的复合材料更加坚硬,如此可阻止火焰冲击和长时间热传导。值得注意的是,整个外包装在电芯模组的防护罩上,设计了一些小开口,它的作用就是将电池模组内的热失控能量释放出去,通过一个定向排爆的出口释放,这样可快速的将模组内部高温气火流排出,避免模组内部热蔓延。

模组防护

所以综合看出,“大禹电池”热源隔断的设计就是将因热失控而导致燃烧爆炸的电池或整块电池组都封堵在一个预定的空间里,并将所释放出的火焰热流通过预定线路引向排爆口释放。这就好比在饭馆吃烧烤一样,每个餐桌都设计了独立的隔断和吸油烟管道,即便烧烤油烟再大,通过隔断的封堵引流和吸油烟管道的吸收排放,就不会影响到其它顾客的进餐了。

热失控传热传导数据仿真云图-热传导定向排爆

双向换流:稀释高温高压气流的走廊

“大禹电池”在整个电池模组的四周,预留了多种类换流通道的设计,可以将热失控所产生的的高温、高压气火流引导出去并向温度和气压较低的区域扩散,这就如同遭遇洪水的大坝泄洪一样,分担压力,按照预定轨迹及时远离电芯区域,从而减少对相邻模组的热冲击,避免再次引燃。

换流通道

热流分配:热源导流背后的“军师”

其实,如果你要是认为“大禹电池”的双向换流技术只是设计了几个导流通道,那可就大错特错了。因为除了导流通道的设计,还需针对爆燃时所产生的燃烧、力学、压强等进行多方面考虑,因此需要通过电脑技术来搭建电池包热失控燃烧模型,在少占用电池包空间的同时,实现将气流、火流在多种结构通道内的均匀分布,由此摆脱了热源汇集一处而造成该区域形成高温的现象,避免了再次引发其他电芯热失控的可能,这也算是为整个电池包的安全设计起到了有力的数据支撑。

这张图就是通过多种电池模组热失控之后得到的热源扩散数据图,而这也是针对电池的安全数据做出的有力保障。

定向排爆:让高温气体“降火气”的核心技术

当电芯发生热失控之后,双向换流便开始发挥作用,其后便是通过分流、导流与换流将火源快速地转移至灭火通道排出电池包外。但排爆通道的宽度、阻力均不相同,并且内部是异形结构,所以如何让气火流在这里均匀分布是一个巨大的难点,而这也是“大禹电池”最核心的技术。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。

据测算,定向排爆技术在此过程中可以将超过1000度的高温气体快速降温至200度以内,然后再将其进行快速分散以使得排出电池包外的气体温度低于100摄氏度,从而避免对周遭的人与其他事物造成二次伤害。

热失控定向排爆气流场仿真

自动灭火:用特定结构来实现火焰快速抑制和冷却

自动灭火功能是在定向排爆出口设置多层不对称蜂窝状结构,实现火焰快速抑制和冷却,并通过多点化、均布化、小型化设计,有效减小体积、降低重量,提升降温效果。在我们的生活中有这样一个小常识:同样是从嘴巴里面出来的气体,可是哈气是属于热的,吹气就是冷的,这到底是什么原理呢?其实这是因为哈气时,嘴张开的面积较大,哈出的气体速度相对较慢。当哈出的气体撞击皮肤并返回的过程中,基本没有加速蒸发,人感觉到的更多的是哈出的热空气,所以会感觉哈气是热的。但吹气时,气体的流速快且截面小,这就相当于一股湍流,会“吸引”周围的空气汇入,使气流整体温度快速下降,吹得越远,热量散失也越多,所以如果你靠近嘴唇吹气就会发现,它一开始也是热的。

 “大禹电池”也基本沿用了这个原理,在整个电池包的底端,有两个黑色的凸起的结构,它就是整个“大禹电池”的定向排爆口。其采用了多层不对称的蜂窝状结构,可以起到将引导来的高温气体快速冷却和熄灭。

蜂窝孔火流强度仿真 

从仿真模拟的数据动态图可以看出,通过定向排爆口喷射出去的高温气体在不到3秒的时间内得到了有效抑制,并且整体的温度也被降到了100度以下。值得注意的是,这两个定向排爆口的位置被设计在了一个非常安全的区域,避免了高温射流对下车乘客和周围车辆人员的二次伤害。

正压阻氧:用特殊设计从根源消除火患

“大禹电池”的这项功能设计主要采取阻绝助燃物——氧气(或者说外界空气)的思路,其电池的PACK包排气孔采用精细化设计,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。

高温绝缘:从细节上也能看得到的防护措施

“大禹电池”对电池包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,为的是消除热失控过程中的高温对电芯连接铜排线造成绝缘损伤,并防止高压起弧损伤金属箱体。

智能冷却:争分夺秒中抑制热扩撒

该技术是行业比较通用的技术,当电池管理系统识别到电芯已触发热失控,通过BMS和云端双重监控,确保整车快速开启冷却系统,抑制热扩散。

采用单张大冷板与箱体集成设计方案,有效避免管路因高温泄漏和爆裂问题,并且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,实现不同热失控条件下、高效冷却策略。

通过上述的各项抑制热失控的措施,我们会发现整个“大禹电池”的系统架构确实非常的精细周到,那么长城汽车是如何做到这么细致的设计规划的呢?这就不得不提之前我们提到过的仿真模型技术了。

动力电池开发简单来说可以分为整包设计,模组设计电芯设计和材料设计,需要机械、电气、软件、仿真、材料、化学等专业的工程师共同配合,才能设计成最终的产品交付整车使用,因此前期在人力资源和试验成本的投入上非常大,并且整个开发的周期也非常漫长。

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。

热失控传热传导数据仿真云图-热传导定向排爆

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。

实验视频中,长城汽车选取了行业内公认最具挑战性的三元NCM 811高镍电芯,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,连续3次热失控,电池包依然不起火、不爆炸,如此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。

编辑总结:

目前,“大禹电池”计划于2022年全面应用于长城汽车旗下新能源产品,同时面向下一代全新电动车平台,基于电池PACK与整车深度融合,将动力电池安全提升到全新高度。此外,“大禹电池”还将为全行业免费开放专利。可以说,为了解决电池安全问题,各个车企可谓绞尽脑汁。其中,广汽埃安和岚图汽车相继发布了弹匣电池和三无琥珀电池技术,旨在防范电池爆炸及热失控等难题。此次长城汽车“大禹电池”的横空出世,再一次把动力电池安全推升到全新高度。

“大禹电池”技术是一套从单体、模组、系统到整车的安全技术,安全是从设计之初就根植的理念,并且“大禹电池”技术保证动力电池安全,在电池正常生命周期内永不起火、永不爆炸,在动力电池领域可谓独此一家!我们期待“大禹电池”技术量产上车的表现。


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刘昊编辑
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