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无热扩散技术是动力电池安全的基石?

  汽车电子设计朱玉龙   2022-10-14 次浏览

在这次电动车百人会上,工信部副部长辛国斌提出“健全法规标准,提升质量安全水平”,特别提到“发布实施新能源汽车企业安全体系建设指导意见,提升动力电池热失控报警和安全防护水平,让消费者更喜欢买,更放心用”。

电动汽车发展到现在,用户需求主要聚焦在续航里程、快充,而安全是底线。动力电池安全是新能源汽车安全的重要组成部分,解决动力电池的安全问题能极大程度解决用户对于新能源汽车的安全焦虑。特别是电动汽车出现在生活中越来越多的封闭建筑空间,如车库、地下停车场、防空掩体等,这些封闭空间排烟慢、视线差、救援难度大,对电动汽车安全问题提出了更高的要求。


Part 1盘点动力电池安全技术


如果在电池单体失效的情况下,系统不发生热扩散,就能极大降低热失控后的烟气危害;建筑物内,如果只是局部出现个别电芯单体热失控产气量,比较容易把排烟的范围控制住。这样的话,公众对于下个阶段大规模的保有新能源汽车会比较有信心,对新能源汽车的安全性认知也更充分,可以最大程度保护生命财产安全。

▲图1.动力电池在封闭空间里面的热失控带来的问题

我们首先还是来看一下中国动力电池安全法规的要求,2020年5月,工业和信息化部宣布,由其组织制定的GB 30381-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》强制性国家标准由国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会批准发布,并将于2021年1月1日起开始实施。《电动汽车用动力蓄电池安全要求》特别是标准增加了电池系统热扩散试验,要求电池单体发生热失控后,电池系统在5分钟内不起火不爆炸,为乘员预留安全逃生时间。

▲图2.中国领先于全球率先在电池热失控扩展实验中积累了很多

随着2021年的推进,中国电池企业的动力电池和车企,开始在电池安全技术方面不断发布技术,主要包括:

▲图3.不完全统计时间线的热不扩散电池

电池企业

宁德时代、弗迪电池、欣旺达、蜂巢能源

汽车企业

比亚迪、江淮汽车、广汽乘用车、东风岚图、长城汽车、吉利极氪


时间轴主机厂&动力电池厂商技术概览

2020年01月

比亚迪的刀片电池

2020年03月

江淮的蜂窝电池

2020年09月

宁德时代推出NCM811 NP电池

2020年12月

蜂巢能源发布的果冻电池

2020年12月

欣旺达推出不起火电池

2021年03月

广汽推出弹匣电池

2021年03月

东风岚图推出琥珀电池

2021年06月

长城推出大禹电池

2021年07月

极氪推出极芯电池


这一系列的电池系统的发布,都是在电池热失控扩展实验5分钟的基础上,达到电池热失控不扩展的效果。但如2022年“两会”期间,人大代表、长城汽车总裁王凤英“推动动力电池热失控防护技术应用”的提案所言,以动力电池热失控防护为方向,多家车企推出相关安全技术,但由于业内认识不足,新技术推广应用远不及预期。

因此,在标准制定层面,工信部也发布了2022年汽车标准化工作要点,明确提出要启动动力电池安全标准修订,提升热失控预警和安全防护水平。所以从这个意义上来看,在未来的标准修订中,可能会从强制性标准角度提高热扩散要求,大幅提高安全门槛。

总体来看,电动汽车安全不容妥协,应该从源头上解决问题,电池热失控不扩散在当前阶段应成为标配。


Part 2汽车企业对于车主安全的保障


在百人会宁德的讲演材料里面,很有趣的地方在于,2020年还只有14%的企业有“高要求”认为电池应该出现单体热失控,系统不扩散的要求。绝大多数企业已经在2021年,对不热扩散技术要求高达86%,也就是车企也在快速提高这个设计需求,认为电芯可以有故障,但是车不能烧起来,这个是共性的技术。

▲图4.宁德时代统计汽车企业的对于电池热扩散的要求

目前技术的手段数据:


化学体系的差异,难度三元811大于三元5系大于磷酸铁锂,目前主要的难度还是在高镍电芯方面存在挑战。


电芯之间的热隔绝材料,以气凝胶为例,电芯间隔热材料在满足不同化学体系电芯膨胀对空间的需求条件下,在第一层隔绝电芯之间的热失控。


一定电池区隔之间可使用隔热材料:每隔一定的电芯数量间都采用高温绝热复合材料,然后配合防护罩设计定向排爆出口,将高温气火流排出。


泄压和排气:通过设计多种类换流通道设计,控制热源按预定轨迹流动,减少对相邻电池区块进行热冲击;并且控制电芯热失控排出的气火流,在不同结构通道内的均匀分布,设计纵向通道(底部换流通道)等,避免对相邻的电芯产生急剧性的热冲击,引发第二次热失控。


绝缘设计:对电池包内的高压部件进行绝缘防护,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。


在这次百人会上,宁德时代的8系产品已实现NP(不热扩散),并且满足1000km的新一代高比能NP产品将实现量产。


2022年从低续航安全到高续航安全,是有一个过渡的,随着低续航版本的磷酸铁锂渗透越来越快,在这个领域的带有超快充能力的三元电池的安全性也需要更上,一旦具备了这样的条件,中国的电池系统安全性就补上了完整的版图。中国是第一个引导热失控传播实验5分钟预警的要求的,在动力电池安全领域标准制定应该有中国自信,在当前的条件下,不应该因为GTR是5分钟就止步不前,中国新能源汽车走在全球前列,也要勇于引领国际标准。


我个人认为,正好借着工信部的专家组对于电池安全的标准进行升级,在修订标准的时候考虑行业技术发展的阶段和中国消费者的刚性需求,在这些条件已经成熟下,建议把“不热扩散技术纳入新国标”,这样也符合我们发展新能源汽车的初衷。


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