长城汽车揭秘大禹电池:能抗1000℃高温、不起火不爆炸

“在连续发生三次多个电芯集聚触发热失控,温度最高达到1037℃,电池包内气压达到三次高峰,瞬间最高气压约16kPa,通过尾部灭火盒设计,可以将外溢烟雾最高温度控制在100℃以下。”

 

这是长城汽车披露的大禹电池的测试结果。

 

9月24日,长城汽车在北京举办了“大禹电池技术媒体品鉴会”,首次详细披露核心技术。

 

大禹电池八大核心技术: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,以及智能冷却,最终可实现“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都能实现不起火、不爆炸。

 

大禹电池技术兼容性也很好,可满足未来不同化学体系电芯,以及不同PACK的应用技术。

 

长城方面表示,大禹电池技术将于2022年全面应用于旗下新能源系列车型。首搭项目为沙龙品牌第一款车型。

 

除了自用,大禹电池还对外开放专利。超60项专利,将免费开放给全社会。

 


1

“变堵为疏”的设计理念

 

“变堵为疏”应该是大禹电池技术与其他电池技术最大的不同点。

 

在长城汽车动力电池设计总监曹永强看来,电池安全涉及电化学安全、机械、电气、整车集成、功能安全、热安全等多个方面,是一个系统性的综合问题。就电芯而言,目前行业内通过正极掺杂改性、陶瓷涂层、特制电解液等技术来提升安全性,但电芯仍面临内部缺陷、一致性差异、滥用等挑战,无法做到绝对“零热失控”。

 

也因此,电池系统层面的安全就尤为重要。

 

长城汽车在电芯、模组、电池系统、整车四个层级,从电芯测试、系统匹配、安全设计、虚拟仿真、测试验证等多个维度,进行矩阵式设计来实现电池安全防护。

 

“大禹电池”主要设计思想是“变堵为疏”,它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。

 

长城汽车动力电池设计总监曹永强 长城汽车动力电池设计总监曹永强

用曹永强的话说,这是一个“控”、“导”、“疏”的过程。“控”是把热源通过材料在模组和电芯层级安全有效控制。“导”通过双向放流和定向排爆精准化设计,让它安全地沿着安全通道流动;“疏”在流动过程中会就近快速疏导到通道之中,在高压之下快速排出包外,排出之后通过材料抑制减少长时间传导。

 

2

实现方式:八大核心技术

 

设计思路有了,技术实现方面,长城汽车则通过热源隔断、双向换流、热流分配、定向排爆、高温绝缘、自动灭火、正压阻氧、智能冷却这八大核心技术加以实现。

 

曹永强介绍说,这每一项核心技术中都有许多专利技术,目前已获得数十项核心技术专利。

 

(1)热源隔断

 

首先是热源隔断,它的最主要优势是从电芯、模组两个层级进行双重防护。


电芯方面,所有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,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。

 

模组方面,每个模组间都采用高温绝热复合材料,可阻止火焰冲击和长时间传热传导。防护罩设计定向排爆出口,能快速将模组内部高温气火流排出,避免模组内部热蔓延。




(2)双向换流

 

电池发生热失控过程中会产生大量高温、高压气火流,大禹电池技术通过对多种类换流通道设计方案仿真模拟,实现换流强度和比例的精准化设计,有效控制热源按预定轨迹流动,减少对相邻模组的热冲击,可以避免再次引燃。

 



(3)热流分配

 

则是通过搭建燃烧模型、热力学与流体力学拟合仿真、冲击强度和压力计算等虚拟技术应用,可实现气火流在不同结构通道内的均匀分布。


曹永强介绍说,电池包之内,他们设计了纵向通道,纵向通道和底部的换流通道是连通的,就是说它在气压的作用下,它会上下流动。


对于流动轨迹,曹永强他们也是经过精心设计的。“我们通过大量的仿真,对于气火流的强度和比例进行精准化的设计,它是要经过我们对热量的分析,气流强度的冲击的大小,温度的变化,按照热源轨迹去流动,避免对相邻的电芯相邻的模组产生急剧性的热冲击,引发第二次热失控。”

 



(4)定向排爆

 

这是大禹电池最核心的技术。它是通过分流、导流、换流将火源快速引导至灭火通道并安全排出。该技术目前已攻克了通道内压力和流量均匀化调节的难点,消除了热量集中,使气火流在通道内分层均匀流动。

 

曹永强解释说,通过定向排爆和换流,可以使高温气体,例如NCM811电池,超过1000℃的高温迅速降到200℃以内。

 

(5)自动灭火

 

长城汽车在电池包的定向排爆出口,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。此时,气火流排出到电池包外的温度已经低于100℃。

 

对于热源排出,长城汽车也是经过设计的。曹永强说,热源排出的位置是整车的一个安全区域,排出的气体不会对周围的人和物产生二次伤害,这就是定点排出的设计理念。

 

(6)正压阻氧


根据蜂窝孔径及单位气体质量流量,保持包内压力始终高于包外,避免因氧气进入导致二次燃烧。

 

在曹永强看来,正压阻氧非常重要,因为氧气进入导致的二次燃烧是非常爆裂式的燃烧,是很难抑制的。

 

因此,他们在通道和灭火设计时,灭火的孔径大小尺寸,是经过多次测试才选择的最优指标,保证电池包的压力一直高于电池包外,避免电池外部的空气进入到内部。

 

(7)高温绝缘


高温绝缘就是对电池包内的高压部件进行绝缘防护,因为在热时空过程中,传统设计的高温绝缘层会被烧掉,电池包内的金属部件会起弧。

 

曹永强解释说,一旦引起高压起弧,金属部件会瞬间被击穿,电池包就会出现大的孔洞,火焰就会冲出电池包。

 

因此必须对电池包内的高压连接及高压安全区域进行高温绝缘防护设计。

 

大禹电池技术结构演示 大禹电池技术结构演示


(8)智能冷却

 

长城汽车针对电池安全拥有智能冷却监控和自动冷却启动系统,当电池管理系统识别到电芯已触发热失控,能够通过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。

 

曹永强尤其强调了他们一张大冷板的集成式设计。“连接轨道和接头数量多,很容易导致破裂或接头不良,从而导致整个冷却系统失效。”

 

大禹电池冷却系统采用单张大冷板与箱体集成设计方案,能有效避免管路因高温泄漏和爆裂问题,并且可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。

 

3

仿真分析:缩短开发周期和风险

 

为了验证大禹电池技术的安全,长城汽车通过仿真分析实验,构建了整包级热失控燃烧模型。据曹永强介绍,该燃烧模型实现气流和火流多维度拟合仿真,颠覆了在热失控领域先开发再测试的传统方式,实现无实包条件下全数字化热失控虚拟仿真。

 

曹永强说,传统模式是先设计一款电池包,通过加工、制样,再组装,最后将电池包抬到测试地点进行测试,再进行线束采集监测,周期长、人员投入大,还可能有很多情况监测不出来。

 


为了解决这个问题,长城汽车开创了热失控虚拟测试技术。在电池包设计完成之前,他们就可以开展热失控测试,在电池包设计冻结之前,他们已经开展了几十上百次的热失控测试,因此他们对电池包内的每一个位置的温度,每一个电芯的状态,都非常清楚。

 

电池包里面的实时压力,也可以通过仿真手段在前期识别出来,这对他们工作起到了极大的便利性,因为他们可以知道每个原器件、防护件需要承受多少压力,他们根据压力直接选型即可。

 

他们还仿真了电池包热失控后,温度在电池包如何扩散,扩散到不同维度、层面所带来的影响。曹永强介绍说,他们完全能够实时的掌握流量分配,并且可以提取流量大小,热量的多少等数值,并据此来调整冷却系统的工作模式。

 

可以说,通过这个模型,长城可以提取电池包内任何剖面、任何结构热失控的参数,对热失控的全周期状态都能进行预测。在曹永强看来,这是实际测试条件下不可能做到的。

 

4

测试结果及应用领域

 

当然,设计效果如何还得靠测试验证。

 

依据测试标准:GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》,长城汽车选取行业最具挑战的三元811体系高镍大容量电芯进行测试。

 

通过加热方式进行热失控触发,采用两个电芯连续触发的测试方式,触发位置选择了模组的中间电芯。

 

测试中连续发生3次多个电芯集聚触发热失控,温度最高达到1037℃,电池包内气压达到三次高峰,瞬间最高气压约16kPa,通过灭火系统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。

 

曹永强解释说,对于三元811体系电芯而言,虽然针刺和加热剧烈程度相当,但加热产生的大量热源要比针刺严苛的多,所以测试采用加热触发。


当然电池技术的兼容性也很重要。大禹电池技术不仅可满足未来不同化学体系的电芯,还能满足不同PACK的应用技术,包括,未来CTC(Cell to Chassis)电池PACK与融合的技术。

 

针对媒体关注的成本和电池包重量是否增加方面。曹永强表示,他们选取的这些材料都非常容易购买,而且作为技术提升,他们没有额外增加电池包的重量,在局部上还减少了材料应用,因此成本和电池包重量上都没有明显变化。

 

产业化方面,大禹电池技术将于2022年开启对长城汽车旗下新能源系列车型的全面应用。其中,沙龙品牌第一款车型即将首搭大禹电池技术并亮相。


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