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            底部防爆阀+热电分离,龙鳞甲电池映射的技术趋势
            发布时间:2023-01-03 14:03:00
            关键词:锂电池

              截至2022年11月,中国市场在2022年新能源汽车销量已经达到606.7万辆,渗透率超过25%,同比增速超一倍。对于2023年市场趋势,业内预测全年新能源汽车销量或将突破900万辆,渗透率将升至32%。

              然而,值得注意的是,随着新能源汽车渗透率的快速提升,整车安全事故也开始增多。对相关车辆事故梳理发现,主要原因包括电池部件老化、外部碰撞、高温天气、电池热失控、高负荷等。其中,用火用电因素所导致的火灾占一半以上。

              另一方面,从终端来看,安全、续航、充电、成本和残值仍然是影响消费者购买电动汽车的主要顾虑,而其核心对象仍然是需要从动力电池着手。

            01

            底部防爆阀设计成新趋势?

              日前,蜂巢能源在其第三届电池日上正式对外发布了“龙鳞甲电池”,该电池系统的一大特点就是电芯防爆阀设计与传统设计相比有了“颠覆式革新”:“龙鳞甲”采用防爆阀置于短刀电芯底部的创新结构设计。

            底部防爆阀+热电分离,龙鳞甲电池映射的技术趋势

              现阶段,电池企业普遍习惯将电芯的防爆阀设计在顶部。电芯防爆阀在顶部,对于电池包设计来说,在单个电芯热失控过程中,就要求防爆阀上方要预留泄压通道,将电池热失控喷泄物引导到侧面或者底部排除。然而,这一过程中这些高温喷泄物极易蔓延到相邻电芯或者电气单元,进而使得电池包安全隐患增加。

              事实上,针对这一问题,国内整车企业已经在尝试改变。上汽集团的魔方电池,就采用了不同于传统电池包立式电芯的结构设计,而是将“电芯躺着放”。躺着放的一大好处就是电芯喷发口不再向上,改为侧向喷发到底部托盘结构上,减少蔓延至周边电芯的风险。

              蜂巢能源的设计更为大胆,将龙鳞甲电池使用的短刀电芯防爆阀创新设计在底部,一旦发生某个电芯热失控可快速实现定向泄压,喷发物可按指定方向、通过最优的通道迅速排出,不会蔓延至周边电芯。

            底部防爆阀+热电分离,龙鳞甲电池映射的技术趋势

              其实,蜂巢能源在设计第一代短刀电芯时,就已经将防爆阀设计在了侧面,到了第二代已经改至底部,且设计了2个泄压阀的位置。

              无独有偶,作为电动汽车和动力电池风向标的特斯拉,防爆阀设计也与蜂巢能源不谋而合。特斯拉公布的的Model Y CTC方案,4680电芯的防爆阀设置在电芯底部,和正极端相反。

            02

            电池包要更安全,热电分离是迭代方向

              常规电芯防爆阀和极耳在同一侧,热失控泄压区与高低压线路处于同一区域。一旦一个电芯热失控,喷发物容易在泄压通道堆积,造成高压短路。因而,要做到电池包真正的不起火甚至不冒烟,热电分离是发展趋势。

              防爆阀设计在电芯底部,也为“热失控泄压区和电源传送区独立创造了可能”,而龙鳞甲电池的设计师显然从一开始就系统性地规划了这一点。

              据蜂巢能源介绍,当前电池、整车企业基于电池热失控的研究和安全设计已经非常成熟了,但是电芯一旦热失控,喷发出来的气-液-固混合体非常容易引起热失控的“二次危害”,其中由“电”造成的二次危害是最严重的,像电弧(击穿金属板、烧熔金属板等)、短路、绝缘失效等,“在这种情况下,本来可以压制住的热失控,瞬间就变成无法控制了。”

            底部防爆阀+热电分离,龙鳞甲电池映射的技术趋势

              在安全方面,龙鳞甲电池采用热电分离的设计思路,就是将热失控区域与电连接区域分割。底部泄压阀与两侧极柱完全物理隔离,电芯的泄压物与电气连接空间完全绝缘,杜绝了“热失控”后导致的“电”的危害,这与传统的电池包安全防护,是质的迭代与提升。

              从目前业界各企业发布情况来看,蜂巢能源也是“第一个吃螃蟹的人”,率先在业内大胆进行热电分离的结构设计。

              当然,作为风向标的特斯拉,实际上也已经在热电分离上有所迹象。特斯拉4680电芯防爆阀设计在电芯底部,在集成时只需做好底部泄放空间的引导和固定即可,在电芯正极端完成电连接,它的热、电空间分别是底部和顶部。

            底部防爆阀+热电分离,龙鳞甲电池映射的技术趋势

              “龙鳞甲电池”的安全设计并不止如此。龙鳞甲电池采用上下大面水冷板,电芯大面积和冷却板接触,这样的设计能够让冷却板迅速带走电芯的热量,水冷后几乎没有温度异常区域。实物测试大电流充电800V超级快充下,电芯温度一致性非常好,换热能力提升70%。既可提升非充电场景下电池包的安全,也可显著提升电动汽车在快充场景的安全性。

              可以看出,由电芯底部出防爆阀到热电分离实际上是正向系统研发的结果,是一脉相承的。敢于大胆创新,并率先“吃螃蟹”,无论是蜂巢能源,还是特斯拉,都是源于对整车和电池有着极深的理解和研发能力,而这种基于整车和电池系统更高安全层级出发的电池系统,或许也是为何蜂巢要将其名称定位“龙鳞甲电池”的原因。

            03

            安全底座之上的一体化突破

              在安全设计上,龙鳞甲摆脱传统设计思维,从电池安全内核思考,进行颠覆式思维,使得其从本质上实现了更高安全层级。在安全之外,蜂巢能源基于整车视角,龙鳞甲在续航、成本、快充等维度也实现了质变。

            底部防爆阀+热电分离,龙鳞甲电池映射的技术趋势

              例如,原本电芯和电池包底部之间一般预留有空间,以防止底部碰撞时损伤电池。底出防爆阀设计将两部分空间合二为一,可提升电池包体积利用率;另外,得益于底部泄压,“龙鳞甲”取消了中央排气通道设计,进一步为电芯腾下了空间;第三,从系统来看,龙鳞甲电池包上盖、水冷板、车身地板三件合一,龙鳞甲电池的高效集成,可扩展CTC/CTB,具备很高的兼容性,而高效集成,在减少材料和重量的同时,可显著提升集成效率,增加电池包的体积利用率和能量密度,降低成本、提升装配效率,极大扩展了整车续航可能。

              蜂巢能源透露,采用磷酸铁锂电芯的龙鳞甲电池系统体积成组效率大幅提升至76%,同等电池包下,续航超过800公里;采用高锰铁镍电芯超过900公里;采用高镍三元电芯续航则超过1000公里……刷新业内纪录,实现极致续航。

              成本方面,通过系统集成化的优势,龙鳞甲电池减少了20%的结构件,为电池包减重10-20公斤。结构件的减少和减重,可直接降低物料成本,并提升生产效率。

              据悉,龙鳞甲电池可以覆盖全部300mm-600mm各尺寸电芯,兼容各种化学体系,车型可覆盖A00-C级车全系列车型,可以大幅缩短车企的车型研发周期和降低研发成本。

              在快充方面,得益于纳米网硅负极技术,在高安全和长续航之外,龙鳞甲电池还能够在匹配三元电池同时支持4C快充。

              基于第二代短刀电芯的底出防爆阀设计、热电分离技术、双面冷却设计等一系列创新,蜂巢能源针对用户核心痛点,并前瞻性研判电动汽车技术趋势推出的龙鳞甲电池,有望实现动力电池系统的极致安全、极致续航、极致性能、极致成本、极致兼容。

            稿件来源: 电池中国网
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