“蜂窝电池”:将起火概率降低一个数量级-电动汽车观察家

“蜂窝电池”:将起火概率降低一个数量级

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江淮ic5

去年起,电池包层面的技术进展就层出不穷。

宁德时代、比亚迪、蜂巢能源为代表的企业纷纷推出新的电池包技术。他们主打的是CTP(Cell To Pack)无模组电池包,目的是提升能量密度,降低成本。

3月5日,江淮汽车举办了一场关于电池包技术讲解的直播,提出了“蜂窝电池”的技术。该技术与之前那些降成本的CTP电池包技术不同,他们首要解决的是安全问题。

“蜂窝电池”主要是利用外延包覆(UE)技术、双防爆阀,以及NCA(镍钴铝三元电池)三方面技术,来提升电池包的安全防护等级。

“蜂窝电池”最突出的效果是,预计可以将因电池失效导致的车辆起火概率降低一个数量级,例如由1万台发生一起热失控,变成10万台发生一起。

从产品端来看,江淮iC5补贴后预售价区间为15.5万-18万元,电池包容量为64.5kWh,电池系统能量密度为160.68Wh/kg,NEDC续航里程可达530km。从系统能量密度和续航里程来看,都属中上水平。

江淮iC5,采用的是21700NCA圆柱电芯,电芯层面的能量密度和成本基础较好,问题是成组:如何做到既能充分利用其电芯的高比能量,又防止其热失控威胁电池包和整车安全?

这要从它的蜂窝结构说起。

1、

利用仿生技术,

开发“蜂窝电池”

“蜂窝电池”,顾名思义,采用了蜂巢结构的仿生设计,通过外延包覆的UE技术(Unitized Encapsulation),实现单元化封装。

“蜂窝电池”技术的最大特点在于,极大程度上降低电池系统内的热扩散,并且通过保持电池系统恒温,降低季节性温差对电池续驶里程的影响。

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“蜂窝电池”

“蜂窝电池”有哪些特点?

为了能够深入了解这一技术,《电动汽车观察家》采访了江淮新能源产品总监。

该总监介绍说,“蜂窝电池”是江淮华霆电池公司多年的研发成果。该电池包的亮点在于采用了外延包覆技术,就是指所有电芯360度包覆导热胶,这有两大好处。

第一,有效防止热扩散。电芯之间做到了电隔离和热隔离。即使有1颗电芯失效,它不会波及到周边,就不会引起连锁反应,做到了电池包的安全。

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资料来源:江淮汽车

第二,电芯与导热胶的接触面积是做到了100%,散热更快。电池包内部的温差≤3℃。之所以要降低温差,是因为当电池系统中电池单体间出现温度不均衡时,电池的化学反应和自放电反应速率也会出现不均衡,进而导致电池单体间的循环寿命、容量和内阻出现差异。这会直接导致电池包的寿命减短。

导热胶的全覆盖也有利于电池的保温。在冬季,有利于电芯的快速升温。低温会使电池内部活性物质的活性降低,内阻、极化电压增加,导致电池充放电功率和容量都会显著降低。

第三,蜂窝结构具有很好的坚固性特点,即便受到外力碰撞挤压也不易出现大面积的坍塌现象,其特殊结构能起到吸收碰撞和挤压产生力量。利用这个原理,可以使圆柱电芯在模组中间隙空间更大,在遇到外力挤压和碰撞时有更好的迂回空间。

上述江淮新能源产品总监介绍,为了验证电池包的安全性,江淮对电池包进行了一些极端试验。例如从底部直接用汽油加热,连续加热130秒;以及直接用火焰接触电池包,连续燃烧130秒。在防水实验中,江淮把整个电池包泡入水深1米的水池,连续浸泡12个小时,这样的浸水试验达到了行业内目前最高的防护标准,也就是IP68的标准。

此外,还对电池包进行了最大挤压力200KN,相当于用20吨的挤压力对电池系统进行挤压的实验,以及25g的加速度的冲击试验;同时还有振动实验,例如加速度1.8g,频率200赫兹的高强度的振动试验等。

该总监告诉《电动汽车观察家》,目前看到的“蜂窝电池”,其实是2.0版本。这一技术江淮在2016年的时候就已经在研发,性能逐步提升。未来“蜂窝电池”还会继续迭代。

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资料来源:2017年10月7日,CCTV《还看今朝》

2、

电芯选型有要求

蜂窝电池包的电芯不是随便选的,其核心还是安全。

电芯的关键词是双防爆阀、圆柱21700和NCA。

先来介绍下,这款力神21700电芯,其容量为1C-4.8Ah(0.2C-5Ah),单体能量密度在245wh/kg,从能量密度来看也处于中上游水平。

力神电池(苏州)有限公司总经理薛雷告诉《电动汽车观察家》,“蜂窝电池”所用的圆柱电芯是按照最高的标准来生产的,其安全等级最高;而且电芯的“死法”是有要求的,即定向爆破。

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江淮ic5采用的电芯

这款电芯的一大亮点在于防爆阀设计,电芯两端都有防爆阀。六七年前的圆柱电芯在电芯盖上只有一个防爆阀。薛雷解释说,只有一头有防爆阀,发生热失控时相当于子弹,气体都向一个方向射出;两端都有防爆阀,就帮助电池快速泄压,减小电池热失控时的威力,有助于电池包的安全。

薛雷表示,防爆阀起到的作用是稳定压力。一般设计防爆阀的时候,要给电芯留孔泄压。因此孔开多大是有讲究的,如果孔太大机械强度不够;如果孔留的太小,气体不能快速排出去,就会爆炸。

第二个亮点在于,选择21700圆柱电池这种小电芯。对于电池包的安全来说,电芯的大小也非常重要。薛雷认为,电芯容量超过6Ah,目前电池包的任何防护都很难起到作用。但是21700的容量仅为5Ah,电池包的防护设计上能够起到作用。对于这个大小的电池,圆柱电池的效率及一致性是最好的。

第三个亮点在于,采用NCA(镍钴铝三元电池)电池。相对于NCM电池,NCA电池的安全性和稳定性更好,但能同时技术难度也更大,包括材料技术、电池设计和加工技术。薛雷表示,国内很难找到合格的NCA正极材料的供应商,他们也是和供应商联合开发5年多的时间才成功。目前,该材料全部供应力神电池。

“蜂窝电池”最大的特点在于安全,从电芯到电池包的设计,安全是电池包设计的重中之重。上述江淮新能源产品总监和薛雷都向《电动汽车观察家》提到,他们的设计与特斯拉目前的思路很相似,正是看到特斯拉Model 3安全方面的表现很不错,才让他们认可了这一思路。

3

Model 3与“蜂窝电池”异同分析

那么Model 3的电池包和“蜂窝电池”到底有什么异同呢?

相同点是设计安全设计理念相同。

细节方面,例如电芯间的缝隙都是通过导热胶填充。

同时,《电动汽车观察家》发现两个明显的不同点。

一是电芯的防爆阀不同。

特斯拉所用的松下和LG化学的电芯都只有一个防爆阀。而“蜂窝电池”采用的是力神21700电芯,具有两个防爆阀。

对于这一差别,一位业内专家解释道,这主要是由于不同企业间电池水平差距导致,国内电芯的一致性要略差于日韩电芯,尤其是失效模式一致性,因此需要在电池包设计时加以弥补。

二是电芯摆放和液冷管设计不同。

电芯摆放方面,Model 3的电芯在电池包中是站立摆放,而“蜂窝电池”的电芯则是横向放置;液冷管设计上,Model 3采用的是并联方式,而“蜂窝电池”则是串并联混合方式。

但是横向摆放电芯带来的另一个潜在问题是,如果防爆阀水平释放热量,很可能会点燃旁边的模组。

也就是说,相对于Model 3电池包,“蜂窝电池”还要解决模组间的横向阻燃这一挑战。“蜂窝电池”模组上下装配了多重盖板,应该是对水平释压做了有效控制,不会引燃周边的模组。

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“蜂窝电池”热管理

由此可见,虽然特斯拉开放了其电池技术专利,“蜂窝电池”表面上看也和特斯拉电池模组类似,但并不是照搬特斯拉的方案。江淮华霆在国产21700电芯基础上,做了针对性设计,既保持圆柱三元电芯的长处,又提升了整包安全性。

4、

优化电池包成重要技术方向

进入2019年后,电池企业和车企新技术的发布,开始更多地向电池包方向倾斜。

2019年7月9日,蜂巢能源就发布了CTP电池包技术,声称其产品与传统590模组相比,CTP第一代减少24%的零部件,第二代成组效率提升5-10%,空间利用率提升5%,零部件数量再减少22%。

同年9月份,宁德时代在法兰克福展上也发布了CTP电池包,CTP电池包体积利用率提高了15%-20%,电池包零部件数量减少40%,生产效率提升了50%,电池包能量密度提升了10%-15%。

今年,电动汽车百人会论坛上,比亚迪股份有限公司董事长王传福高调介绍比亚迪磷酸铁锂“刀片电池”。和传统磷酸铁锂电池相比,刀片电池体积比能量密度提升了50%,具有高安全、长寿命等特点,整车寿命可达百万公里以上。

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资料来源:专利图  注:从左至右依次为宁德时代CTP电池包、刀片电池、蜂巢CTP电池包

上述三家电池企业的主要特征是提升电池能量密度,减少零部件的使用,从而起到降低成本,提高电池性能的目的。

“蜂窝电池”则是以安全为主要目的,从电芯选型、材料选择,以及电池包结构等方面共同作用提升电池的安全性。

无论是CTP、“刀片电池”还是“蜂窝电池”,都代表着中国电池企业在电池技术领域的不断创新,开启了以电池包层面的技术创新之路。未来,会有越来越多的企业着眼于电池包技术的改进,涌现出越来越多优秀的设计,帮助电动汽车不断提升性能。

“蜂窝电池”的提出,表明在传统国内车企大多推崇方壳、海外传统车企很多推崇软包的背景下,圆柱电池技术路线也在演进提升。江淮iC5的表现,以及特斯拉在电芯选型上的动向,也能帮助我们判断,圆柱电池能否继续在动力电池上扮演重要的一支力量。(完)

 

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