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強標實施后,動力電池安全防護技術(shù)成車廠角逐新焦點2021-03-23 08:27

近日,多個汽車廠家相繼發(fā)布了各自最新的三元鋰電池安全防護技術(shù),一時間,“不起火”、“不爆炸”甚至“不冒煙”的三元鋰電池層出不窮。

三元鋰電池安全防護技術(shù)取得重大突破

3月10日,廣汽埃安率先發(fā)布了新一代動力電池安全技術(shù)——彈匣電池系統(tǒng)安全技術(shù)(以下簡稱“彈匣電池”)。基于“防止電芯內(nèi)短路,短路后防止熱失控,以及熱失控后防止熱蔓延”的設(shè)計思路,彈匣電池采用類似安全艙的設(shè)計,可有效阻隔熱失控電芯的蔓延、當偵測到電芯電壓或溫度等出現(xiàn)異常時,自動啟動電池速冷降溫系統(tǒng)為電池降溫。

為了驗證彈匣電池的安全性,廣汽埃安還公布了中國汽車技術(shù)研究中心的測試視頻,對搭載了彈匣電池系統(tǒng)安全技術(shù)的三元鋰電池整包進行針刺熱擴散試驗。試驗結(jié)果顯示,彈匣電池整包在試驗過程中熱事故信號發(fā)出5分鐘后,僅出現(xiàn)短暫冒煙,無起火和爆炸現(xiàn)象。

3月17日,嵐圖汽車通過線上技術(shù)分享會的形式,對旗下首款量產(chǎn)車型嵐圖 Free 搭載的三元鋰電池包進行了全面的解讀。嵐圖汽車表示,嵐圖FREE電池包主要有三大優(yōu)勢:首創(chuàng)“三維隔熱墻”技術(shù)、BMS獨創(chuàng)電池安全監(jiān)測和預(yù)警模型、高安全電池PACK方案。在這三大黑科技的加持下,新電池包在熱失控觸發(fā)并發(fā)出熱事件報警信號后,不冒煙、不起火、不爆炸。

緊隨嵐圖汽車之后,R汽車在3月18日的品牌大會上宣布,R汽車基于航空級標準,能夠?qū)崿F(xiàn)L0級別零熱失控管理。通過云端實時監(jiān)控高效主動預(yù)警,為每一塊動力電池做云端健康體檢,將電池包因電芯問題導(dǎo)致的熱失控概率控制在無限接近于零的范圍內(nèi),做到永不自燃。

研究表現(xiàn),由于熱穩(wěn)定性相對較差,三元鋰電池在某些極端環(huán)境下易發(fā)生熱失控起火。但是,與安全性能相對較高的磷酸鐵鋰電池相比,三元鋰電池又因能量密度高、低溫性能好、倍率特性好等特點,常用于高端電動品牌。因此,如何讓三元鋰電池在高性能和高安全上達到平衡,成為產(chǎn)業(yè)多年研發(fā)的重點。

而此次,不論是廣汽埃安的彈匣電池,還是嵐圖FREE的“不冒煙,不起火,不爆炸”電池,亦或是R汽車L0級別零熱失控管理的永不自燃電池,整車廠在三元鋰電池的安全防護技術(shù)方面可謂取得了不小的突破。

多維度創(chuàng)新,三元鋰電池達到“三不”水準

新能源電池研發(fā)專家表示,三元鋰電池系統(tǒng)要實現(xiàn)“不起火”、“不爆炸”甚至“不冒煙”,需要從材料、電極、電芯、系統(tǒng)等多個維度進行創(chuàng)新設(shè)計與研發(fā)。

當前較為主流的實現(xiàn)路徑有兩種,一是從電芯本體出發(fā),通過材料本體物性改善、添加阻燃劑等方式,讓電芯在出現(xiàn)極端情況下,中間的本體發(fā)生變更,比如起到熱量吸收、表面鈍化、阻斷膨脹、機械實效的效果等,以此實現(xiàn)電芯不起火;二是從模組及系統(tǒng)層級出發(fā),添加氣凝膠等物質(zhì)及設(shè)計,即便是一顆電芯出現(xiàn)極端情況也不會影響其他電芯。

以廣汽埃安彈匣電池為例,據(jù)官方介紹,該電池包就是從電芯材料、電池結(jié)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)四個緯度來提升動力電池的安全性。

具體來看,電芯材料方面,通過正極材料的納米級包覆及摻雜技術(shù)的應(yīng)用,提升電芯熱穩(wěn)定性,防止熱失控;電解液應(yīng)用新型添加劑,可實現(xiàn)SEI膜的自修復(fù),改善電芯壽命;高安全電解液能在高溫下自發(fā)聚合形成高阻抗特性聚合物膜,大幅降低熱失控反應(yīng)產(chǎn)熱。這些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用,使得電芯的耐熱溫度提升30%。

電池結(jié)構(gòu)上,通過網(wǎng)狀納米孔隔熱材料和耐高溫上殼體,形成超強隔熱安全艙,實現(xiàn)三元鋰電芯熱失控不蔓延至相鄰電芯,電池包上殼體能耐溫1400℃以上。

冷卻系統(tǒng)方面,通過全貼合液冷系統(tǒng)、高速散熱通道、高精準的導(dǎo)熱路徑的設(shè)計,彈匣電池實現(xiàn)散熱面積提升40%,散熱效率提升30%。

電池管理系統(tǒng)采用車規(guī)級最新一代電池管理系統(tǒng)芯片,可實現(xiàn)每秒10次全天候數(shù)據(jù)采集,相比前代系統(tǒng)提升100倍,以24小時全覆蓋的全時巡邏模式,對電池狀態(tài)進行監(jiān)測。

在上述四大核心技術(shù)的加持下,彈匣電池整包在試驗過程中熱事故信號發(fā)出5分鐘后,僅出現(xiàn)短暫冒煙,無起火和爆炸現(xiàn)象。廣汽埃安還表示,彈匣電池相對于同類普通電池,體積能量密度提升9.4%,重量能量密度提升5.7%,成本下降10%。根據(jù)計劃,彈匣電池今年將在廣汽埃安全系列車型上陸續(xù)搭載。

相較之下,嵐圖FREE電池包的防護技術(shù)在做到“不起火、不爆炸”時,還可實現(xiàn)“不冒煙”。而實現(xiàn)這一性能的關(guān)鍵就是上文提到的三大黑科技:“三維隔熱墻”技術(shù);BMS電池安全監(jiān)測和預(yù)警模型;高安全電池PACK方案。

據(jù)嵐圖汽車新能源技術(shù)總監(jiān)黃敏博士介紹,三維隔熱墻的技術(shù)原理是,在電池包內(nèi)使用超強高分子隔熱阻燃材料(一般隔熱材料仍會在觸發(fā)熱失控后致電池包冒煙或起火,三維隔熱墻技術(shù)可做到無熱擴散現(xiàn)象發(fā)生),對每個電芯實現(xiàn)單獨的全方位三維立體包裹。三維隔熱墻在電芯與電芯之間,形成高效的隔熱阻燃防護層,每個電芯均處于隔熱阻燃材料的充分包裹中,形如“琥珀”。

BMS電池安全監(jiān)測和預(yù)警模型則基于BMS云端衛(wèi)士進行大數(shù)據(jù)分析和追蹤,可實現(xiàn) “千車千面”。據(jù)悉,電池包在原有溫度電壓預(yù)警基礎(chǔ)上,搭建了精確的電池安全監(jiān)測和預(yù)警大數(shù)據(jù)模型,基于不同使用場景(例如平原與山區(qū)、南北方溫度和濕度、高低海拔晝夜溫差等),追蹤每一臺車、每一塊電池的使用數(shù)據(jù)。

此外,嵐圖還采用了高安全電池PACK方案,即定制化開發(fā)車身防護、高強框架、壓力傳遞、形變吸能和電池雙保險共五大電池安全結(jié)構(gòu)設(shè)計。

總結(jié)下來,嵐圖FREE電池包主要在隔熱、監(jiān)測以及車體方面做了改進,在電池材料這塊并未有明顯變化。據(jù)悉,嵐圖FREE電池包純電版將首發(fā)搭載新電池包,并于今年第三季度上市交付。

強標實施后,動力電池安全防護技術(shù)成車廠角逐新焦點

上述多個汽車廠家相繼發(fā)布最新的三元鋰電池安全防護技術(shù)背后,還要追溯到去年5月12日,工信部制定的三項電動汽車強標。

2020年5月12日,工業(yè)和信息化部組織制定的GB 18384-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》、GB 30381-2020《電動汽車安全要求》和GB 38032-2020《電動客車安全要求》三項強制性國家標準(以下簡稱“三項強標”)由國家市場監(jiān)督管理總局、國家標準化管理委員會批準發(fā)布,并定于2021年1月1日起開始實施。

這三項強標中,《電動汽車用動力蓄電池安全要求》是國內(nèi)電動汽車用動力電池領(lǐng)域的第一項強制性標準,該項標準在優(yōu)化電池單體、模組安全要求的同時,重點強化了電池系統(tǒng)熱安全、機械安全、電氣安全以及功能安全要求,試驗項目涵蓋系統(tǒng)熱擴散、外部火燒、機械沖擊、模擬碰撞、濕熱循環(huán)、振動泡水、外部短路、過溫過充等。

其中,需要特別指出的,該項標準增加了電池系統(tǒng)熱擴散試驗,要求電池單體發(fā)生熱失控后,電池系統(tǒng)在5分鐘內(nèi)不起火不爆炸,為乘員預(yù)留安全逃生時間。

據(jù)參與該標準制定的中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長王子冬介紹,標準設(shè)置的初衷是構(gòu)筑安全底線,對于消費者生命安全考慮,本來制定的時候是要30分鐘的,后來做了調(diào)整,5分鐘已經(jīng)是最為基礎(chǔ)的底線要求了。不管是什么體系的電池,從安全的角度出發(fā),這個標準必須要達到。

其實,在強標正式實施前,在“不起火”的三元鋰電池布局上,相關(guān)動力電池企業(yè)早已有所行動。

2020年10月,寧德時代就公開表示已開發(fā)出“只冒煙、不起火”的三元電池,通過高安全電解液、熱擴上隔離技術(shù),直擊高能量密度、高安全性的痛點,可以確保電池包不燃燒,即便一個電芯起火,整個電池包只冒煙。

同年12月,蜂巢能源在其電池日上對外發(fā)布了熱失控系統(tǒng)性解決方案——冷蜂,通過材料、電芯、電池包、監(jiān)控系統(tǒng)四大層級的原創(chuàng)技術(shù)徹底解決電池系統(tǒng)的熱失控問題。

欣旺達也在2020年宣布成功研發(fā)“只冒煙、不起火”電池包,并可通過“加熱觸發(fā)電芯熱失控實驗”,即單個電芯在被觸發(fā)發(fā)生熱失控之后,整個電池包只冒煙不起火。

今年3月12日,作為動力電池新勢力的領(lǐng)湃新能源亦發(fā)布“四個零戰(zhàn)略”,即零風險、零衰減、零焦慮、零誤差。據(jù)悉,領(lǐng)湃新能源從材料、電極、電芯、系統(tǒng)等多個維度進行創(chuàng)新設(shè)計與研發(fā),杜絕熱失控,實現(xiàn)零風險、高安全電池。其首款產(chǎn)品高電壓中鎳VDA355電芯模組將于今年SOP。

基于此,有分析人士指出,隨著強標的正式實施,以及動力電池企業(yè)新技術(shù)的加持,進入2021年,動力電池安全防護技術(shù)將成為繼續(xù)航、智能、5G之后,整車廠商在新能源汽車領(lǐng)域角逐的一個新的發(fā)力點。

小結(jié):很長一段時間,當聽聞電動汽車發(fā)生起火、自燃等事故時,電池往往被首當其沖地列為“罪魁禍首”,而今在國家強標的約束下,在動力電池企業(yè)新技術(shù)的不斷突破下,并在整車廠商的大力聚焦推動下,相信“不起火”、“不爆炸”、“不冒煙”的三元鋰電池將從一個個標簽成為現(xiàn)實,而電動汽車起火、自燃事故也將不復(fù)存在。

深圳市恒創(chuàng)興電子科技有限公司是一家專業(yè)從事BMS電源管理系統(tǒng)、鋰電池保護板、儲能電池的開發(fā)、集成、測試、銷售及相關(guān)電子產(chǎn)品的生產(chǎn),混合集成電路的技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)、測試及銷售一體的高新科技企業(yè),電池保護板定制廠家。



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