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《電車知識學堂》 新能源車如何保證電池安全性

  • 原創
  • 2020-06-10 09:05
  • 來源:電車資源
摘要:隨著手機、數碼產品、電動汽車的普及,鋰離子電池在人們生活當中扮演著越來越重要的角色。低能量密度、循環壽命有限等使用問題常常被人們詬病,但是與這些問題相比,電池安全問題卻是人們關注的焦點。

【電車資源 技術文章】隨著手機、數碼產品、電動汽車的普及,鋰離子電池在人們生活當中扮演著越來越重要的角色。低能量密度、循環壽命有限等使用問題常常被人們詬病,但是與這些問題相比,電池安全問題卻是人們關注的焦點。

《電車知識學堂》 新能源車如何保證電池安全性

近期接二連三的新能源車起火事故視頻讓消費者非常緊張,新能源車主擔心自己的車容易起火,其它車主也害怕新能源車起火而不敢將自己的車停在旁邊,那么到底新能源汽車的電池安不安全? 現階段采用不同形式動力電池的新能源車都是如何保證電池的安全性的?

● 常見的三元鋰電池形式

目前新能源乘用車主要采用三元鋰電池,而傳統的磷酸鐵鋰電池主要是商用車以及一些低端的微型車(比亞迪最新的磷酸鐵鋰刀片電池暫不討論)。

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將上述表格解讀一下:

1、硬殼電芯(方形電芯)的最大優勢是安全,畢竟鋁合金/不銹鋼殼子本身硬,而且厚度大,甚至連針刺試驗的鋼針都無法刺穿,但是硬殼電池的整包能量密度普遍不高,太多重量被用來保護電芯本身。這是大部分主流新能源車企的選擇。

2、軟包電芯的本體大家都見過,不少數碼產品的電池就是它,軟包電芯重量較輕,單體電芯一致性非常好,問題是加上溫控系統之后的輕量化優勢不多了。目前主要有通用、愛馳、前途等車企選擇使用。

3、圓柱電芯的運用最廣泛,而且散熱好,能量密度較高。除此之外圓柱電芯的供應商特別多,中日美韓都有成熟的圓柱電芯生產企業,而使用圓柱電芯最出名的車企就是特斯拉。

● 鋰離子電池的安全性

鋰離子電池主要產生的安全性問題就是燃燒甚至爆炸,出現這些問題的根源在于電池內部的熱失控。

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一般電池的最佳工作溫度范圍在25℃左右,即使車輛在靜置狀態,電池也不會完全斷電,電池管理系統會根據情況自動調整動力電池的輸出功率。當電池包發生不可控的外力撞擊或者內部短路時,電芯本身會不斷發熱,若無法及時將熱量控制在合理溫度,便會導致由內到外的燃燒。由于鋰電池本身自帶氧化劑,所以使用干粉或泡沫滅火器隔絕氧氣的傳統方法對其完全沒用,只能用大量的水降溫等它自己熄滅。

熱失控的源頭可以分為三大類:

1、電芯受外力擠壓;

2、電芯內部短路;

3、電池管理系統(BMS)失控。

想讓電芯不受外力擠壓比較容易解決,只要在車體以及電池包的外層設計出有效的防護結構,在車輛發生碰撞的時候就能抗下所有沖擊或者在一定程度上緩解沖擊,就能很好地避免出現電芯受到外力的擠壓。

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動力電池普遍安裝在乘員艙的正下方,汽車原本的結構就能夠對前、后方的沖擊起到有效的緩沖防護,一些車型甚至還額外進行了加固。例如奔馳的首款純電動車型EQC就在車頭設計了由多條鋼管組成的安全籠結構。

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而當面對來自側向的沖擊時,除了依靠車輛的B柱以及車身框架作為緩沖之外,電池包外殼的兩側還會額外設計有類似防撞梁的吸能結構,能夠抵御對電池包本體的沖擊。但光應付外部的沖擊還不夠,內部也需要有框架來進行固定,即使沖擊已經傳到內部,也能保證電芯有足夠的“生存空間”。

以蔚來70kWh的電池包為例,采用尺寸規格為PHEV2,容量50Ah的VDA方形電芯,4P96S電芯排列方式,即96顆電芯為一個模組,4個模組組成蔚來電池包,共計384顆方形電芯,每個電池模組內置有3個電芯溫度傳感器。

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液冷恒溫系統對純電動車來說非常重要,蔚來將鋁制液冷板鋪于模組下,在模組與液冷板之間加入一層導熱墊,并在液冷板與殼體底部之間再鋪設有隔熱和絕緣材料,進一步確保電池整系統的恒溫和安全。工作時, 電芯的溫度傳遞到模組與冷板接觸的底部,再通過導熱墊傳給液冷板,液冷板外壁再把熱量傳導到冷卻液,而在電池溫度過低時也可以反向給電池加熱。

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通用旗下別克VELITE6使用的則是軟包電池,內部的一片片軟包電芯如同撲克牌一樣豎直排列在一起。兩個軟包電芯、一片冷卻片,再加上一個模組框架和一片隔熱泡棉組成一個完整的“MINI堆垛單元”,而一個電池模塊總成由26個“MINI堆垛單元”組成。此外,也可以通過線圈加熱冷卻液,使電池升溫,即使在極端寒冷環境下,也能確保電池處于最適宜的工作溫度。

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雖然軟包電芯的電池一致性相比硬殼要稍差,但可以通過良好的電池熱管理系統來解決。而說到這里就不得不提特斯拉了,由數千顆21700鋰電池組成的電池包擁有超高的能量密度,散熱能力也更強,但過多的單體電池導致一致性非常不理想,這對電池熱管理系統是一個不小的挑戰,不過這正是特斯拉的強項。

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在特斯拉的電池包內,所有圓柱形電池都被灌注水乙二醇的導熱鋁管所環繞,鋁管外還有一層橘黃色的絕緣膠帶,更大的散熱面積加上強大的電池熱管理系統讓特斯拉在實際用車中很少因為電池過熱出現問題。

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過度充電是使用鋰電池包方法不當行為中危害最高的一種。由于過量的鋰嵌入,鋰枝晶會在陽極表面生長,有刺穿SEI膜的風險。其次鋰的過度脫嵌也會導致陰極結構因發熱和氧釋放而崩潰(NCA陰極的氧釋放),并加速電解質的分解,產生大量氣體。由于內部壓力的增加,排氣閥打開,電池開始排氣。電芯中的活性物質一旦與空氣接觸,就會發生劇烈反應,放出大量的熱,從而引發鋰電池的燃燒起火。

所以好的電池熱管理系統同樣會設置好最高以及最低電池SOC,并實時監測每個電芯以及模組的電量、溫度等,避免過充過放,從源頭抑制熱失控。一些搭載高容量電池的中高端車型也會選擇將部分電量隱藏,例如奧迪e-tron搭載的電池包容量為95kWh,但為了保證充電效率和電池壽命,在正常情況下的可用容量只有83.6kWh。

● 我國電動汽車首批強制性標準

即使已經做了如此多的努力,但事實證明我們還是不能100%確保純電動車不會發生起火事故,但通過電池內部的阻燃材料以及電池熱管理系統發出的預警,我們可以盡量將電池從升溫到最終燃燒的時間延長。

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在5月12日,國家市場監督管理總局、國家標準化管理委員會批準發布了《電動汽車安全要求》《電動客車安全要求》和《電動汽車用動力蓄電池安全要求》三項標準,計劃于2021年1月1日起開始實施。

其中《電動汽車用動力蓄電池安全要求》在優化電池單體、模組安全要求的同時,重點強化了電池系統熱安全、機械安全、電氣安全以及功能安全要求,試驗項目涵蓋系統熱擴散、外部火燒、機械沖擊、模擬碰撞、濕熱循環、振動泡水、外部短路、過溫過充等。特別是增加了電池系統熱擴散試驗,要求電池單體發生熱失控后,電池系統在5分鐘內不起火不爆炸,為乘員預留足夠的逃生時間。

● 寫在最后

在最近兩年的國家補貼政策上已經不把能量密度但此次針對新能源汽車安全性的一系列相關規定的出臺,無疑給存在亂象許久的中國新能源行業發展樹立了一個重要的標準。在新能源車快速發展的前些年,確實有不少廠家過分追求續航、充電速度等指標而在電池安全性上有所取舍。在標準正式實施后,或許有不少新能源車型的續航里程、動力電池形式以及能量密度等關鍵參數會受到影響,但這也是為了在性能和安全之間取得平衡而做出的合理改變,長遠來看,最終受益的仍是廣大普通消費者。

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