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降低起火概率一个数量级,蜂窝电池安全性更高吗?

时间:  2020-04-14 17:21  来源:  中国汽车报   作者:  网络转载

“历史上有一个著名的战役——赤壁之战,在这场战役中,曹操因用铁链把战船拴在一起而损失惨重。为什么?因为当周瑜大军起火的战船烧过来的时候,曹操军队的战船因连在一起一时无法解开,灾难自然就不可避免。假如拴战船的铁链能够自动断开,曹操至少不会损失如此惨重,最多也就是外围的几艘战船被烧,仍然可以保存实力。”江淮华霆动力有限公司董事周鹏在向《中国汽车报》记者讲解蜂窝电池的技术原理时,首先举了一个简单易懂的例子。他说,蜂窝电池技术即是如此,因为可以自我断开就可以切断坏电芯对外扩张的通路,保护整体电池包的安全。“这项技术把电池包起火概率降低了一个数量级。”周鹏说。

动力电池技术日新月异,新技术层出不穷,不过,在普遍追求能量密度的情况下,侧重于安全技术提升的蜂窝电池显然有其更重要的意义。近日,江淮汽车开启iC5电动汽车预售,搭载的正是蜂窝电池。那么,这项号称领先行业3~5年的“黑科技”真能大幅提升动力电池的安全性吗?

运用仿生技术提升电池安全性

在大自然中,六边形是一个神奇的图案。蜂巢几乎接近正六边形、乌龟背上有多个六边形图案、冬天的雪花有很多是对称的六边形……近年来,被称为“黑金”的石墨烯的碳原子也是按照六边形排布,相互连接形成碳分子。

大自然经过长期演化筛选出众多符合自然规律的技术、现象,人类也热衷于向大自然学习,于是便催生了近代兴起的仿生学。江淮汽车在动力电池技术的运用上就借鉴了仿生学的原理,经过4年多的努力,研发出蜂窝电池。

众所周知,六边形结构具有较高的稳固性,在工程建设中大量采用六边形结构。江淮汽车的蜂窝电池同样采用六边形结构。周鹏告诉记者,六边形结构可以吸引一定的碰撞和挤压能量,即便遭遇较大的外力碰撞、挤压也不易出现大面积的坍塌。“蜂窝电池采用六边形结构,并在电芯之间注满导热胶,从而做到电池单体之间电隔离和热隔离。假如有一颗电芯失效,它不会波及到周边,因此不会引起连锁反应。这项技术切断了坏电芯向周围扩散的通路,从而确保电池包的安全。”周鹏说。

具体来看,首先,“蜂窝电池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。”周鹏说,”UE技术可以降低电池系统内的热扩散,并且保持电池系统恒温,降低季节性温差对电池续驶里程的影响。”

其次,周鹏告诉记者,蜂窝电池的电芯之间注满了导热胶,这保证了电芯的散热速度。他解释称,一个基本的原理是,水冷却散热效果好于空气冷却的散热效果。如果导热胶与电芯100%接触将加快电芯的散热速度。电芯的电化学反应不可避免带来热量散发,导热胶快速把热量传递出来,可以确保电池包内部的温差≤3℃。“当电池单体间出现温度不均衡时,电芯的电化学反应速率会出现不均衡,进而导致电池单体间的循环寿命、容量和内阻出现差异,这种差异会缩短电池寿命。”周鹏说。

第三,除了实现良好的散热效果,蜂窝电池还具有保温作用。周鹏形象地介绍说,住过铁皮屋的人都知道,夏季铁皮屋像一个蒸笼,冬季又寒彻透骨。同理,圆柱电芯都用铁皮包裹,温度调节能力很差,在电芯当中注入导热胶不仅可以散热,还可以起到保温作用。在冬季,有了导热胶的防护,电池可以快速升温。“低温会导致电池内部物质的活性降低,内阻、极化电压增加,快速升温之后,这些不利影响将能尽快消除。”周鹏说。

电芯设计同样注重安全性

从以往发生的多起电动汽车起火事故来看,电池内部故障是起火的主要原因。蜂窝电池不仅电池单体之间的防护措施有所改变,在电芯设计上同样要求配套变化。

据介绍,江淮汽车蜂窝电池采用力神的21700 NCA电池,这款电池的看点是采用了双防爆阀设计,容量为1C~4.8Ah(0.2C~5Ah),单体能量密度为245Wh/kg。从能量密度来看,蜂窝电池的能量密度符合主流趋势,并且处于中上游水平。

记者在长期跟踪新能源汽车报道的过程中了解到,每家电池企业为了确保安全都设计了防爆阀,不过,以往的圆柱电池都只有一个位于电芯顶端的防爆阀,但电芯内部一旦发生热失控,反应将非常剧烈,只有一端设计了防爆阀,意味着电池发生热失控时气体只能从一个方向涌出。这就类似于大炮发射炮弹时,高压气体推动炮弹从炮管射出一样,电芯仅一端有防爆阀,意味着在短时间内从防爆端口会喷涌出大量的气体。而采用双防爆阀设计,则能分流涌出的气体,降低爆炸的剧烈程度。周鹏告诉记者:“双防爆阀设计可以降低电池热失控时的威力,有助于电池包的安全。”

此外,随着动力电池能量密度的提升,电芯尺寸普遍增大,那么防护难度自然也会增加。在这种情况下,既要保证安全,又要保证足够的容量,找到合适的平衡点至关重要。“从安全的角度来说,电芯容量如果超过6Ah,目前电池包的任何防护都很难起到作用。”有业内人士告诉记者。不过,从江淮汽车发布的蜂窝电池来看,其采用的是力神的21700NCA电池,容量仅为5Ah,电池包的防护设计将很好地发挥作用。

另外,从原材料来看,力神电池采用的NCA(镍钴铝)材料也具有较高的安全性。周鹏告诉记者,相比于国内流行的三元材料锂电池NCM(镍钴锰)电池,NCA电池的安全性和稳定性更好,但技术难度也更大。这种难度涵盖材料技术、电池设计和加工技术。

此外,记者还注意到,我们日常生活中使用的5号电池都有凸起的顶盖,力神的NCA电池两端却都是平的。对此,周鹏告诉记者,这是因为两端都安装了防爆阀,确保电池发生热失控时能够实现“定向爆破”,让气体流向希望导向的方向,不伤及周围的电池单体,从而确保整体电池包安全。

经受住检验才具有实用价值

实践是检验真理的惟一标准。从理论上看,蜂窝电池的设计思路具有独特之处,但能否经受得住检验?江淮新能源相关负责人向记者展示了实验检测的录像。

记者注意到,江淮汽车对蜂窝电池包进行了一些极端试验。如从底部直接用汽油加热,且连续加热130秒;直接用火焰接触电池包,且连续燃烧130秒。在这些极端测试中,蜂窝电池都经受住了考验。

2019年春季,因我国南方雨水较多,电池包的安全防护屡出问题导致发生了多起电动汽车起火事故。那么,这款号称具有高安全性的蜂窝电池的防水效果又如何?记者看到,在防水实验中,江淮汽车把整个电池包泡入1米深的水池之中,连续浸泡12个小时并没有出现问题。这样的浸水试验达到了IP68的标准,超过了行业内普遍采用的IP67标准,也是目前行业内的最高标准。

除此之外,车辆行驶中的碰撞也是导致起火的原因之一,电池包在受到挤压后,电解液因泄露会迅速燃烧。蜂窝电池同样进行了这方面的检测。记者注意到,试验人员对电池包进行了最大挤压力200KN的挤压,这相当于用20吨的挤压力对电池系统进行挤压。同时进行了加速度25G的冲击试验。总体来看,蜂窝电池的表现都还比较理想。

周鹏告诉记者,现在推向市场的蜂窝电池是2.0版本,早在2016年,江淮华霆动力有限公司就开始研究蜂窝电池技术,2017年研发出1.0版本,经过几年的不断完善,技术日臻成熟,性能也逐步提升。“更重要的是,江淮汽车拥有蜂窝电池技术的自主知识产权。在未来还将不断迭代新版本,为我国新能源汽车发展出一份力。”周鹏说。

周鹏进一步强调,蜂窝电池的最大特点就是提升了安全性,预计可以将电池失效导致的车辆起火概率降低一个数量级,比如,以往1万辆电动车中有可能发生一起热失控,运用蜂窝电池技术之后将变成10万辆才发生一起。
 



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