永不爆炸、永不起火?长城汽车“大禹电池技术”什么来路?


长久以来,电池安全一直是消费者对电动汽车的核心关注点,它与动力、续航等不同,会直接影响驾乘人员的生命安全。因此,电池安全技术一直是汽车厂商们的研发重点,比亚迪、广汽埃安等接连推出如“刀片电池”、“弹匣电池”等电池安全技术。

近日,同样大举押注新能源汽车的长城汽车,也曝光了自行研发的电池安全技术——大禹电池技术,并宣称采用该技术的电池包“永不爆炸、永不起火”。


长城汽车大禹电池技术是什么?如何实现的永不爆炸、起火?与刀片电池、弹匣电池等技术又有什么不同?


电池安全,处理“热失控”是关键

目前的电池技术,由于电池的化学特性,无论是三元锂电池还是磷酸铁锂电池,没有哪一款动力电池可以保证自己是绝对安全的。

综合来看,动力电池发生起火爆炸的原因,无非两种:由碰撞、挤压导致的外部损伤,破坏电芯结构产生短路所引起的热失控起火;由锂枝晶过度生长刺穿隔膜所导致的内部损伤,正负极接触产生短路所引起的热失控起火。


而单一电芯的起火会产生大量的热量,这股热量如不能及时导出散发,过多地作用到相邻电芯,又会引起更多电芯的热失控,最终导致殃及整个电池包,起火甚至爆炸。

可见,如何处理“热失控”,是所有电池安全技术的核心所在。


“变堵为疏”,保证电池包整体安全

一般来说,电池安全技术多是通过隔离保护电芯,同时提高电芯散热面积来保证电池安全的,在足够多的隔热阻燃材料保护下,即便单一电芯产生危险,也不会导致整个电池包的起火爆炸。


而长城的大禹电池技术,则在此基础上“变堵为疏”,为电芯设计了专门的气火流疏导通道,如果某一电芯出现热失控,会将电芯起火产生的气流和火焰按照设计通道安全疏导出电池包外,避免电池包整体起火爆炸。而这个“变堵为疏”,也正是来源于“大禹治水”的典故。


而为了验证“大禹电池”的安全性,长城汽车选择以NCM811高镍电池进行测试,并选择以内部加热为触发方式,同时加热两个电芯连续触发,测试电池整包在多个电芯发生热失控时的安全性。


经测试,采用大禹电池技术的电池包,在连续发生三次多个电芯集聚触发热失控,包内温度最高达到1037℃、瞬间最高气压约16kPa的情况下,依然没有发生起火、爆炸,而内部电芯热失控燃烧所产生的热量和压力则随着气火流由电池尾部的灭火盒排出。


这次测试,实际上是要比行业通用的测试标准(GB 38031-2020 《电动汽车用动力蓄电池安全要求》)要严苛的,足以证明其有效性和可靠性。


整包级燃烧模型,定向排爆、自动灭火

我们知道,电芯热失控过程中会产生大量高温、高压的气火流,如果不加以控制,则无法判断其传导路径,更无法对热量的传导进行控制,想要实现电池包内部的定向排爆具有不小的难度。

采用大禹电池技术的电池包,首先根据电芯的规格和泄压阀,在模组间采用了具备定向排爆出口的防护罩,能够快速将模组内部的高温气火流排出,避免模组内部的热蔓延。


同时,长城汽车还创行业之先河,建立了整包级热失控燃烧模型,实现了气流和火流的多维度拟合仿真,并依此对多种换流通道方案进行仿真模拟,实现了换流强度和比例的精准化设计。


基于此,在电池包设计之初,便根据其内部电芯、模组的排布、电芯种类等多方面因素,在电池包内设计了专门的换流通道,当热失控发生时,从电池模组中排出的热源会按照预定轨迹流动,减少对相邻模组的热冲击,避免了模组间的再次引燃。


在电池包底部,还采用了单张大冷板与箱体集成设计方案,在日常使用中,它仅起到对电池的热管理作用,而当BMS识别到电芯已触发热失控,则会快速开启冷却系统抑制热扩散,并根据电芯和模组的热失控温度状态,结合前期燃烧模型拟真数据,智能调节冷却系统的开闭时间、流速及流量,渠道不同热失控条件下的高效冷却策略。


专门设计的双向换流通道+单张大冷板散热,当气火流在电池包内部按照预定轨迹分层均匀流动时,即可将其温度快速由上千度降温至100~200度区间。此时,气火流便可以被引导至灭火通道并安全排出。

当然,气火流也并非直接排出,而是要经过一个自动灭火盒。在电池尾部,也就是定向排爆出口处,设置了两个灭火盒,内部为多层不对称蜂窝状结构,可以实现火焰的快速抑制和冷却。


同时,根据蜂窝孔径及单位气体质量流量,灭火盒可以保持包内压力始终高于包外,实现正压阻氧的作用,避免因氧气进入导致二次燃烧。据测试,经灭火盒排出的气体温度将低于100度,且排气口位于车辆底部,不会对车辆周围的人或其他车辆、物体产生二次伤害。


支持全化学体系,向全社会免费开放

保证电池包永不起火,永不爆炸是大禹电池的技术核心,但这并非它的唯一优势。据长城汽车动力电池设计总监曹永强介绍,大禹电池技术不是仅可以应用于高镍三元锂电池,而是支持目前所有化学体系的动力电池,无论是磷酸铁锂电池还是无钴低钴电池都可以采用这一技术。

这是由于大禹电池技术建立了几乎所有电池的热失控燃烧模型,实现了在没有电池包实物情况下的多维度拟合仿真,不必走“先摸黑开发、再测试验证”的老路。


不得不提的是,长城将把大禹电池技术作为一项开放性系列技术,向全社会免费开放。包括材料、结构、防护等等,覆盖了整个大禹电池技术。

对此,曹永强表示,公开专利的目的,是“为了促进行业安全的提升,也为行业提供一个新的安全提升的思路”。


长城车型全部搭载,真实效果待验证

不难看出,长城的大禹电池技术更像是一种对电池包的“结构创新”,而非比亚迪刀片电池那种,对电芯本身的技术创新。这种技术的好处是,它可以在电池包的层面上保证驾乘人员的安全,防止严重事故的发生,与此同时,也可以兼容其他厂商的电芯层面的安全技术,为电池安全添加多重保障。

但与此同时,大禹电池技术可能也有一些潜在的弊端,如电池包内部换流通道的存在,理论上会增加电池包的体积、重量,从而影响其能量密度的上限。同时,由于电池包内部存在的缝隙,电芯本身难以受力,或在一定程度上会降低电池包本身的强度,需要对电池包周围车身结构做出额外加强。

从2022年开始,长城汽车旗下新能源系列车型将全面应用大禹电池技术,其中,沙龙品牌的第一款车型将作为首款搭载大禹电池技术的车型亮相,可见长城汽车对大禹电池技术的信赖。至于其真实效用,未来在长城旗下众多新能源车型上铺开后即可得到验证,我们不妨乐观看待。


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