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如何看待热失控防护措施的迭代?

  NE时代   2022-10-14 次浏览

沃尔沃插电混动“爆炸”的事情传遍了朋友圈,其实我们看这个电池的结构和电池容量和电池的化学体系,这个电池是否能形成这么大威力的爆炸,我是持怀疑和否定态度的。

但是确实存在下一代高镍电池安全问题如何来做的问题,我想借着一些材料做一些综述。天一和千叶写过一篇研究报告《新能源车前瞻技术研究之一:新能源车自燃问题分析》,我想就里面一些内容也做一些精简。

沃尔沃设计的电池系统热失控防护技术迭代

中国是最强调热失控防护技术的国家,核心还是中国的企业特别多,应用领域也很分散,所以这个领域其实国内是走在世界前列的(烧的多了,自然也就成为一个显性问题需要大家来克服)。

我的理解:

第一代热失控防护方案:

对圆柱来说最简单,特斯拉的设计结构是最为典型的,方形的难度更大已突破,软包的实现难度难度最高。三种电池技术,都是围绕加强隔热,加快散热为主要技术手段。通过单体释放能量、单位散热能力、周边电芯隔热能力等多维度定量分析。

  • 圆柱电池

这种设计的原则是通过一定的空间进行隔离,然后通过填充隔热材料来充分把电芯热失控条件下的热量隔开。在热失控传播条件下,这种材料阻隔单个5Ah以上电芯散发出来的能量。

图2 典型的21700圆柱热隔绝的示意图

在4680的时代,整个设计逻辑也是相似的,只不过按照调研的情况,电芯的开阀方向和我们之前理解的不一样,是往下喷射,并且采用了隔热材料防止用户感知到会恐慌。CTC时代脚底下就是一层电池,所以需要隔热材料进行防护。

图3 电芯之间的空隙成了核心关键了

  • 方壳设计

其实每家的设计都是趋同的,分为电芯层面的隔绝、电连接的隔绝。

图4 方壳模组热设计示意图

这一波使得做材料的厂家特别开心,如下图所示,以3M为例,围绕这套热隔绝技术形成了一系列的谱系,你按着材料标号选就可以了。

后续类似杜邦、陶氏、BASF都可以玩得起来,我个人觉得这种堆材料解决问题的办法增加的成本太多,和当前需要和特斯拉PK成本的,加这么多材料是按照千来算的。当然软包的情况,就很麻烦了。

图5 一整套的材料体系来做的防火墙未来能用到的技术

在这里也分了两个方向的,系统级别热失控防护方案是通过大量灌注冷却液灭火,这套技术预计2023年量产。大量灌注水是目前唯一能够熄灭锂电池火焰的方法。这套方法其实最早是欧美那边搞消防的同志想出来的,但是通过精妙设计电池的专用灭火管路,在热失控时充分利用电池包内冷却液,实现定向灌注冷却液灭火。

在这种设计中,是配合方壳大电芯使用的,防爆阀在上方的硬壳电芯使用该方案的效果比较好,然后对于软包的而言,分块注入也是一个比较好的方案。

图6 热失控防护方案中的浇灌冷却液的办法

在同时进行的,就是电芯层面的改进,主要是围绕超高热稳定性材料是关键,高镍电芯均可通过针刺。从目前解决高镍问题的办法,主要是复合集流体、固态电介质(半固态的方案也算)等。所以目前这个阶段,后面两种是竞争关系,也能让我们看到做1000公里车辆的可行性。

小结:我觉得现有的防护技术中,对圆柱电池更有利,所以在最近的2年内方壳其实很难从系统成本上对圆柱高镍形成压制,而铁锂技术则会成为一个“白菜”技术,把锂电池往标准品方向演化。

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