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    底部防爆閥+熱電分離,龍鱗甲電池映射的技術趨勢
    發布時間:2023-01-03 14:03:00
    關鍵詞:鋰電池

      截至2022年11月,中國市場在2022年新能源汽車銷量已經達到606.7萬輛,滲透率超過25%,同比增速超一倍。對于2023年市場趨勢,業內預測全年新能源汽車銷量或將突破900萬輛,滲透率將升至32%。

      然而,值得注意的是,隨著新能源汽車滲透率的快速提升,整車安全事故也開始增多。對相關車輛事故梳理發現,主要原因包括電池部件老化、外部碰撞、高溫天氣、電池熱失控、高負荷等。其中,用火用電因素所導致的火災占一半以上。

      另一方面,從終端來看,安全、續航、充電、成本和殘值仍然是影響消費者購買電動汽車的主要顧慮,而其核心對象仍然是需要從動力電池著手。

    01

    底部防爆閥設計成新趨勢?

      日前,蜂巢能源在其第三屆電池日上正式對外發布了“龍鱗甲電池”,該電池系統的一大特點就是電芯防爆閥設計與傳統設計相比有了“顛覆式革新”:“龍鱗甲”采用防爆閥置于短刀電芯底部的創新結構設計。

    底部防爆閥+熱電分離,龍鱗甲電池映射的技術趨勢

      現階段,電池企業普遍習慣將電芯的防爆閥設計在頂部。電芯防爆閥在頂部,對于電池包設計來說,在單個電芯熱失控過程中,就要求防爆閥上方要預留泄壓通道,將電池熱失控噴泄物引導到側面或者底部排除。然而,這一過程中這些高溫噴泄物極易蔓延到相鄰電芯或者電氣單元,進而使得電池包安全隱患增加。

      事實上,針對這一問題,國內整車企業已經在嘗試改變。上汽集團的魔方電池,就采用了不同于傳統電池包立式電芯的結構設計,而是將“電芯躺著放”。躺著放的一大好處就是電芯噴發口不再向上,改為側向噴發到底部托盤結構上,減少蔓延至周邊電芯的風險。

      蜂巢能源的設計更為大膽,將龍鱗甲電池使用的短刀電芯防爆閥創新設計在底部,一旦發生某個電芯熱失控可快速實現定向泄壓,噴發物可按指定方向、通過最優的通道迅速排出,不會蔓延至周邊電芯。

    底部防爆閥+熱電分離,龍鱗甲電池映射的技術趨勢

      其實,蜂巢能源在設計第一代短刀電芯時,就已經將防爆閥設計在了側面,到了第二代已經改至底部,且設計了2個泄壓閥的位置。

      無獨有偶,作為電動汽車和動力電池風向標的特斯拉,防爆閥設計也與蜂巢能源不謀而合。特斯拉公布的的Model Y CTC方案,4680電芯的防爆閥設置在電芯底部,和正極端相反。

    02

    電池包要更安全,熱電分離是迭代方向

      常規電芯防爆閥和極耳在同一側,熱失控泄壓區與高低壓線路處于同一區域。一旦一個電芯熱失控,噴發物容易在泄壓通道堆積,造成高壓短路。因而,要做到電池包真正的不起火甚至不冒煙,熱電分離是發展趨勢。

      防爆閥設計在電芯底部,也為“熱失控泄壓區和電源傳送區獨立創造了可能”,而龍鱗甲電池的設計師顯然從一開始就系統性地規劃了這一點。

      據蜂巢能源介紹,當前電池、整車企業基于電池熱失控的研究和安全設計已經非常成熟了,但是電芯一旦熱失控,噴發出來的氣-液-固混合體非常容易引起熱失控的“二次危害”,其中由“電”造成的二次危害是最嚴重的,像電弧(擊穿金屬板、燒熔金屬板等)、短路、絕緣失效等,“在這種情況下,本來可以壓制住的熱失控,瞬間就變成無法控制了?!?/p>

    底部防爆閥+熱電分離,龍鱗甲電池映射的技術趨勢

      在安全方面,龍鱗甲電池采用熱電分離的設計思路,就是將熱失控區域與電連接區域分割。底部泄壓閥與兩側極柱完全物理隔離,電芯的泄壓物與電氣連接空間完全絕緣,杜絕了“熱失控”后導致的“電”的危害,這與傳統的電池包安全防護,是質的迭代與提升。

      從目前業界各企業發布情況來看,蜂巢能源也是“第一個吃螃蟹的人”,率先在業內大膽進行熱電分離的結構設計。

      當然,作為風向標的特斯拉,實際上也已經在熱電分離上有所跡象。特斯拉4680電芯防爆閥設計在電芯底部,在集成時只需做好底部泄放空間的引導和固定即可,在電芯正極端完成電連接,它的熱、電空間分別是底部和頂部。

    底部防爆閥+熱電分離,龍鱗甲電池映射的技術趨勢

      “龍鱗甲電池”的安全設計并不止如此。龍鱗甲電池采用上下大面水冷板,電芯大面積和冷卻板接觸,這樣的設計能夠讓冷卻板迅速帶走電芯的熱量,水冷后幾乎沒有溫度異常區域。實物測試大電流充電800V超級快充下,電芯溫度一致性非常好,換熱能力提升70%。既可提升非充電場景下電池包的安全,也可顯著提升電動汽車在快充場景的安全性。

      可以看出,由電芯底部出防爆閥到熱電分離實際上是正向系統研發的結果,是一脈相承的。敢于大膽創新,并率先“吃螃蟹”,無論是蜂巢能源,還是特斯拉,都是源于對整車和電池有著極深的理解和研發能力,而這種基于整車和電池系統更高安全層級出發的電池系統,或許也是為何蜂巢要將其名稱定位“龍鱗甲電池”的原因。

    03

    安全底座之上的一體化突破

      在安全設計上,龍鱗甲擺脫傳統設計思維,從電池安全內核思考,進行顛覆式思維,使得其從本質上實現了更高安全層級。在安全之外,蜂巢能源基于整車視角,龍鱗甲在續航、成本、快充等維度也實現了質變。

    底部防爆閥+熱電分離,龍鱗甲電池映射的技術趨勢

      例如,原本電芯和電池包底部之間一般預留有空間,以防止底部碰撞時損傷電池。底出防爆閥設計將兩部分空間合二為一,可提升電池包體積利用率;另外,得益于底部泄壓,“龍鱗甲”取消了中央排氣通道設計,進一步為電芯騰下了空間;第三,從系統來看,龍鱗甲電池包上蓋、水冷板、車身地板三件合一,龍鱗甲電池的高效集成,可擴展CTC/CTB,具備很高的兼容性,而高效集成,在減少材料和重量的同時,可顯著提升集成效率,增加電池包的體積利用率和能量密度,降低成本、提升裝配效率,極大擴展了整車續航可能。

      蜂巢能源透露,采用磷酸鐵鋰電芯的龍鱗甲電池系統體積成組效率大幅提升至76%,同等電池包下,續航超過800公里;采用高錳鐵鎳電芯超過900公里;采用高鎳三元電芯續航則超過1000公里……刷新業內紀錄,實現極致續航。

      成本方面,通過系統集成化的優勢,龍鱗甲電池減少了20%的結構件,為電池包減重10-20公斤。結構件的減少和減重,可直接降低物料成本,并提升生產效率。

      據悉,龍鱗甲電池可以覆蓋全部300mm-600mm各尺寸電芯,兼容各種化學體系,車型可覆蓋A00-C級車全系列車型,可以大幅縮短車企的車型研發周期和降低研發成本。

      在快充方面,得益于納米網硅負極技術,在高安全和長續航之外,龍鱗甲電池還能夠在匹配三元電池同時支持4C快充。

      基于第二代短刀電芯的底出防爆閥設計、熱電分離技術、雙面冷卻設計等一系列創新,蜂巢能源針對用戶核心痛點,并前瞻性研判電動汽車技術趨勢推出的龍鱗甲電池,有望實現動力電池系統的極致安全、極致續航、極致性能、極致成本、極致兼容。

    稿件來源: 電池中國網
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