研究了一下岚图发布的琥珀/云母电池,概括要点如下:
- “琥珀/云母电池”是一种名为“三维隔热墙”的电池包安全技术,并非电芯技术。
- 此次岚图发布会表达了一个意思: 岚图不生产电芯,但全面自研电池系统安全技术,以技术更好地兑现品牌对车主安全的理解。
在理解岚图的“琥珀/云母电池”技术之前,我们简要介绍一下新能源电池的安全技术。
锂电池的安全技术说到锂电池安全,我们常听到“热失控”这个词:机械滥用、电滥用、热滥用都可能导致热失控发生。
机械滥用、电滥用、热滥用与热失控
第一次听到这个说法时,我心理是有些不爽的: 不就是电池碰撞、短路、过热后可能起火吗? 干嘛要用“热失控”这个文绉绉、吊书袋的怪词呢?
后来才知道,热失控并非普遍意义上的“易燃物 火源“的起火,而是具有“链式反应“的特征[2]。
链式反应的第一个含义是指,电池的副反应通常是放热的,若散热条件不好,放热的副反应有可能引起更高温度的副反应,甚至达到450度引起电解液燃烧。也就是:副反应1放热→温度达到T2→副反应2放热→温度达到T3→副反应3放热→热失控。下图是一个形象的表达:
电池副反应与反应温度
链式反应的第二个含义是指,单体电池的热失控会大量放热,若单体电池之间的隔热/散热条件不好,热量有可能引发相邻电池的热失控,进而引发整个模组(module)甚至整个电池包(Pack)的热失控。2019年的上海特斯拉自燃事故中,总共烧掉了4个模组,如果不是采取了消防措施,大量喷水使其降温,最可能的结果是其他模组也被引燃烧光。
单体电池热失控引发相邻单体的热失控
与“易燃物 火源“的起火事故相比,锂电池热失控的“链式反应“特征其实要相对温和一些,也就为我们提供了锂电池安全管理的思路,大体上就是:
- 电池包保护:尽可能保护电池不受侵害,特别是碰撞导致的挤压、穿刺。
- 算法诊断:电芯放热副反应的早期阶段,早发现、早扼杀。
- 防止热扩散:单体电芯热失控之后,采取“就地隔离”措施,防止蔓延扩散到其它电芯。
- 降低损失:若电池包的整体热失控难以阻止,首先要保证乘员安全,其次是降低事故规模。
国家强制标准<GB38031-2020 电动汽车用动力蓄电池安全要求> 对第1层面的保护电池包进行了详细的要求,要求电池包在过充、过放、外部短路、加热、温度循环与挤压试验中不爆炸、不起火。
至于第2、3、4层面,国家标准要求得就没那么细,比如宽泛地以效果来要求:发生“热扩散”时提前5分钟报警,以给乘员充足的逃生时间;以及国家推荐标准<GB/T 31498-2021电动汽车碰撞后安全要求>也有一些相关规定。
观察在这些国家标准语焉不详的地方做得深还是浅,就可以看出一家车企对于安全的重视程度与技术积淀的水平。
琥珀与云母:防止热扩散的三维隔热墙平时我们见到的电动汽车热失控事故,大都是火热汹汹;甚至就连消防队来了也于事无补,很多情况下只能静静等它烧完。这样看来,电池热失控实在是太凶猛了,根本无法阻挡啊!
俗话说,千里之堤,毁于蚁穴 —— 除非能提前找到蚁穴并填上;星星之火,可以燎原 —— 除非将火扑灭在将起之时。
实际上,电池热失控“链式反应”的特征暗示了:单个电芯的起火,夸张点说我拿块布就能将其制服;如果能将单体电芯“就地隔离”,杜绝从热失控到热扩散,整个电池包也就没有大碍。
岚图的“三维隔热墙”就是充分利用热失控的“链式反应”特征,力图将单体电芯的热失控“就地隔离”,从而保护整个电池包的安全:
岚图的“三维防火墙”技术
“琥珀”与“云母”,则是岚图实现“三维隔热墙”的技术手段:
1. 琥珀电池
在岚图FREE的纯电版电池包中,填充了有机硅聚合物 低密度隔热材料 阻燃剂的复合材料,形成高效的隔热阻燃绝缘层,使得每个电芯单元像“琥珀”一样处于充分包裹中。
具体效果就是单个电芯热失控了、不小心“发烧”了,但在“就地隔离”的措施下,不会扩散到周围的电芯。
岚图的三维隔热墙技术
这种思路并不难想到,难的是工程实现。岚图汽车新能源技术总监黄敏博士现场介绍:“为了使三维隔热层每个电芯间隙填充均匀,并攻克气泡等工艺难题,我们采用独特的模块开孔方案,尝试数十种复合材料”。
个人认为,琥珀电池的技术难题不止于此。例如,电池热管理技术中,保证温度一致性的一个主要思路就是增强导热性[4],甚至有人提议干脆就上导热硅脂吧!
岚图增加了“隔热材料”的琥珀,就意味着要在电池热管理上做更多的研发工作,才能兼顾安全与寿命。牵一发而动全身,正向的自主研发从来都不容易。我对岚图是如何兼顾这两点的也非常感兴趣,目前还没有见过拆解后的岚图电池包,将来有机会看到后再深入研究。
2. 云母电池
在岚图FREE的增程版电池包中加入层状Al-Si云母和气凝胶,且电芯和云母、气凝胶会像云母石一样层叠堆积,因而命名为“云母电池”。
云母的特点是耐高温,可以防止热失控的进一步蔓延,特别是防止明火对热扩散的加速效果。特斯拉也采用了相似的方案,在
@工科男老王的拆车视频中有介绍:
琥珀与云母之外:保护、诊断与未来布局
上文介绍的琥珀与云母电池技术,都属于第2层面的“防止热扩散”技术。
其实本次发布会上,还公布了第1层面的保护技术和第2层面的诊断技术。
1. 电池包保护
发生碰撞时,要尽量保护电芯不要变形,那就要遵循“强-弱-强”的三明治结构:
首先,车身和电池框架要“强”,既保护电池包,也保护乘员。岚图FREE车身高强钢占比高达75%,其中1500MPa以上31%;特别是侧面结构中,B柱、门槛、车门防撞梁均采用了1500MPa上的超高强度钢或热成形钢。
其次,电池包的外围结构要“弱”,以溃缩吸能。如果碰撞较为严重波及到了电池包,那尽量让外围结构变形,吸能碰撞能量,从而保护电池内部的电芯安全。岚图设计了30mm 的形变吸能空间,这其实与车身设计的原理也是相似的。
然后就是电池包内部结构一定要“强” —— 若外围结构溃缩还没有完全吸收碰撞能量,那也不办法了,只能“裸衣”硬扛!岚图在电池包内部设计了多条横纵加强梁,形成横纵交织的立体结构 —— 只要骨头足够硬,内脏也可以保护得很好。
对电池包最严苛的碰撞试验,莫过于欧洲E-NCAP的75度角侧面柱碰试验了。在设计合理的层层保护之外,岚图FREE横梁仅发生小程度溃缩,而电池模组与电芯没有受到挤压影响,从而保护了电池安全。
除此之外,岚图虽然不生产电芯,但为电芯开发了独特的防爆阀和熔断装置,作为“最后一层防护”。一旦有极端的撞击侵入,电芯造成短路或电芯内压力增加,电池双保险能立即启动保护作用,切断电池内短路回路,释放额外压力,确保电池不起火、不爆炸。
在发布会现场,岚图对电池包进行了挤压测试、模拟碰撞测试与高温淋水测试[6],电池包均安然无恙。
左上:高温淋水测试 左下:挤压测试 右:模拟碰撞测试
有人问,为什么不进行针刺测试呢?明确要求穿刺试验的测试标准,本来就是少数[7]。即便在这些少数穿刺试验中,试验的有效性也受到广泛的质疑:
- 与现实情况不符:穿刺试验的现象,与真实发生事故的现象,差别很大。(现在很少有事故可以穿刺到电芯)
- 不能代表内短路:穿刺导致的后果,不能代表内短路的后果。
- 试验参数不明确:穿刺物的材料、速度、直径与电池SOC都会大大影响试验结果。试验重复性较差
2. 更强的监测与诊断系统
传统的诊断算法置于车载BMS内部,只能根据单车信息进行诊断。未来的云端BMS可以充分利用大数据信息和超强算力来更早、更准地诊断出隐患,将事故扼杀在摇篮。
我明白,一说到大数据、云端算力这些词,就让人觉得有点虚。但是,具体到BMS电池安全领域,这种技术方案确实是有用的。
其实很早之前,咱们国家就建设了一个新能源车大数据监测系统,存储了海量数据,但如果要查询与分析某辆车的状态,就需要专人来查询再编程分析,总体来说不是很好用……
我也见识过一个较为先进车企的云端大数据系统雏形,想查询数据或分析问题基本上都可以做到实时响应,也能够从海量数据中发现单车容易被忽视的数据,这个系统也帮助这家车企杜绝了一些本来要发生的事故。
正因为这些,我才觉得云端BMS是一条正确的技术路径。此次发布会也公布了岚图专属云BMS,宣称拥有深度自学习功能;随着车辆接入量增加和使用时间增长,故障预测和寿命预测模型,还能不断优化模型参数提升预测精度,越用越“聪明”。
效果好不好,光说没有用,咱们还是要观察后续疗效。但是,最起码岚图的思路是正确的;一家脱胎于传统车企的“新势力”在技术路径上并不落伍,这点我还是很惊讶的。
3. 未来布局
发布会的结尾,岚图发布了电池技术的未来主攻方向:高镍软包电池、固态电池与大功率快充技术。
其中,高镍软包电池计划实现完全无热失控,还要达成行业最佳的能量密度与功率密度,并导入330Wh/kg的电池技术。高能量密度与高安全性如何兼得?这点还是让人非常好奇的!另外,固态电池技术也已进入商品化开发的日程。
快充技术也列出来具体的技术指标:20分钟60%电量;基于下一代800V与SiC技术,实现10分钟400km的目标。内部人士透露,岚图超充技术也将在9月底正式亮相;在基础设施上的投入,体现了岚图在汽车电动化方面的决心。
小结通过知乎汽车拆车试验室了解到[8]:市面上另外一家主流增程电动车型就采用了宁德时代的整包供应,供应商包圆了设计与制造,主机厂只要采购就行。
拆车实验室 | 理想ONE电池包设计解析 针刺实验满足国家强制标准
所说,这种模式的好处是:省时、省力,花钱就行;弊端就是设计话语权不掌握在自己手里,特别是供应商还是非常强势的宁德时代。
你可能会说,供应商是大厂就行,水平也很高;至于设计话语权,那重要吗?在我看来,设计话语权决定了产品能否反映出品牌调性 —— 一款30多万的豪华SUV,理应加入更多的安全设计,但供应商不一定响应你的这些需求。如视频[8]所述,下面这款车就没有防火隔热设计、也没有防爆阀设计,反正不影响通过国标。
而岚图FREE从一开始就推出了增程版与纯电版,说明做好了面向未来的电池技术储备,这些储备同时也可以反哺当前的增程版电池技术方案。既有增程又有纯电,研发难度更严苛、研发投入更大;从技术角度来讲的话,岚图作为“国家队”更值得信赖
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