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比亞迪- 比亞迪漢

相比普通鋰電池 刀片電池在安全性上有什么優勢?

  • 原創
  • 2020-06-17 09:19
  • 來源:電車資源
摘要:在上一期《電車知識學堂》中,我們介紹了目前主流三元鋰電池對于電池安全的防護設計,而最近還有一款新型的電池頻頻被推上熱搜,引起了廣泛的討論,它就是我們今天的主角---刀片電池。

【電車資源 技術文章】在上一期《電車知識學堂》中,我們介紹了目前主流三元鋰電池對于電池安全的防護設計,而最近還有一款新型的電池頻頻被推上熱搜,引起了廣泛的討論,它就是我們今天的主角---刀片電池。

《電車知識學堂》聊聊刀片電池的安全性“秘訣”

“刀片電池”中的“刀片”指的是其單體電芯的形狀,并非是什么前所未有的黑科技,它在化學層面上的本質仍然是我們熟知的磷酸鐵鋰電池,但通過不斷優化的物理結構設計以及材料更新,它與三元鋰電池的差距已經越來越小,今天我們就來看看比亞迪是如何做到的,新的刀片電池與三元鋰電池相比有什么優勢。

 ● 采用CTP思路提升空間利用率

目前常見傳統結構的電池包內部長這樣(不分三元鋰還是磷酸鐵鋰):

《電車知識學堂》聊聊刀片電池的安全性“秘訣”

傳統電池包內部結構

圖中上半部分為6塊模組,每一個模組都是由多個同樣的小電芯封裝組成,最后再將多個模組安裝在帶有固定橫梁與縱梁的框架中,本身從電芯到模組的空間利用率在80%左右,而從模組到電池包要被連接部件和內部骨架擠占不少空間,空間利用率還要再損失一半,最終電芯只占電池包總體積的40%左右。

對于天生能量密度較高的三元鋰電池來說還好,但對于原本能量密度難以做高的磷酸鐵鋰電池來說則明顯限制了單體電芯的能量密度以及總容量的提升。

《電車知識學堂》聊聊刀片電池的安全性“秘訣”

比亞迪刀片電池

對此,比亞迪選擇先從電池的結構入手,突破傳統電池框架的限制,打造了長條形的磷酸鐵鋰電芯,通過CTP(Cell to Pack)設計思路,直接取消了電池包內部的框架,通過橫向密集排列的多排電芯,將內部空間的利用率提升到了60%左右。

《電車知識學堂》聊聊刀片電池的安全性“秘訣”

最為直接的結果就是電池包整體的能量密度以及容量的提升。以搭載最新刀片電池的比亞迪漢EV為例,其電池包總能量為76.9kWh,能量密度140Wh/kg,工信部的續航里程能夠達到605km,已經達到了新能源車續航水平的第一梯隊。

新的CTP設計思路不僅讓刀片電池在性能參數上達到了平均水平,由于減少了電池組裝模組的端板、側板以及用于固定模組的框架、螺栓等緊固件,還降低了部分制造成本,提升制造效率。

● 刀片電池的安全性

比亞迪的刀片電池和“刀”并沒有什么關系,只是由于其電芯形狀十分特別,又長又薄,就像刀片一樣,故稱之為“刀片電池”。應用在比亞迪漢EV車型上的電芯長度為1米,寬約10厘米,厚度僅為2厘米,單體電壓3.34V,容量可達100Ah,這是之前的電芯形式上從未出現過的形狀。

《電車知識學堂》聊聊刀片電池的安全性“秘訣”

1、外力擠壓

在之前的文章中,我們分析過鋰電池會發生的最嚴重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,而避免熱失控首先的要求就是在發生碰撞時,避免電芯收到外力擠壓。

《電車知識學堂》聊聊刀片電池的安全性“秘訣”

比亞迪的刀片電池在電池包的外側依然設計有類似汽車防撞梁的吸能盒結構,能通過變形吸能來抵御對電池包本體的沖擊,而刀片電芯則直接豎向緊密排列,并固定在電池包的邊框上,讓每塊電芯本身也變成結構件,成為支撐電池包的橫梁。一根薄薄的橫梁起不到什么作用,但橫梁數量一多,就會形成有點類似“一把筷子擰不斷”的效果,并且面積最大,最容易發生彎折的部分正好面向車頭與車尾,外部有更為充足的緩沖區域。

刀片電池在100-800kN的測試標準中,電池包只發生了輕微變形,未冒煙和起火,而在三點壓強測試中,刀片電池最終可以承受445kN的壓力,其可承受的碰撞、擠壓強度確實比傳統的電池包結構還要強。

2、電芯熱失控

已經發生的新能源電動汽車事故大部分與動力電池的熱失控有關,或由于碰撞擠壓、或由于過充過放,最終導致電芯過熱起火。

《電車知識學堂》聊聊刀片電池的安全性“秘訣”

普通的三元鋰電池在超過200℃時就有可能發生熱失控,且正極材料含鎳越高就越不穩定(目前能量密度最高的NCM811電池表示正極的鎳、鈷、錳配比為8:1:1,理論上最不穩定),若BMS無法及時斷電散熱,就非常容易發生燃燒。

而磷酸鐵鋰正極材料本身的熱穩定性就比三元鋰要好不少,在500℃以內都有著極高的穩定性,超過800℃時才有發生熱失控的可能。此外即便發生熱失控,磷酸鐵鋰電池的放熱也非常緩慢,且分解時不會釋放氧氣,減少了起火的風險。

《電車知識學堂》聊聊刀片電池的安全性“秘訣”

對比同樣材料的傳統電池,刀片電池的長條結構散熱面積大,伴隨而來的還有整個電路的回路長,產熱能力低??偨Y起來就是:發熱量低和散熱性能好,那么熱失控或自燃的概率也就小了很多。

《電車知識學堂》聊聊刀片電池的安全性“秘訣”

在針對鋰電池最難的針刺試驗中,比亞迪按照GB/T 31485-2015的針刺試驗方法,將電池充滿電,用直徑為5mm的耐高溫鋼針,以(25±5)mm/s的速度,從垂直于電池極板的方向貫穿整塊電池,人為的創造一個極限情況下的短路環境,來考驗電池受損最嚴重時的安全性。

《電車知識學堂》聊聊刀片電池的安全性“秘訣”

在穿刺后,NCM622三元鋰離子電池瞬間劇烈燃燒,表面溫度超過500℃。傳統的磷酸鐵鋰塊狀電池在經過短暫的反應時間后,電池開始膨脹并打開了泄壓閥,將內部高溫液體與氣體噴出,雖然沒有產生明火,但表面溫度也升高至200℃-400℃,雖然也有一定危險,但總體上還在控制范圍之內。

《電車知識學堂》聊聊刀片電池的安全性“秘訣”

最后刀片電池的電壓在穿刺后還只是以很緩慢的速度下降,并且沒有冒煙起火現象,表面的最高溫度也僅停留在30-60℃,十分安全。退一步講,就算在極端情況下出現熱失控,搭載刀片電池的車型也能提供更長的逃生及救援時間。

● 寫在最后

在公共充電樁等設施尚未大規模普及的今天,新能源車對高能量密度、高續航的追求仍然是主流目標。三元鋰電池的正極材料從原本的333、532、622,再到811,隨著能量密度的不斷提高,電池的熱穩定性也會變差,近期多起電動車的自燃事件也讓人們對電動車的安全性越來越關注。

而比亞迪刀片電池的出現,打開了一道解決新能源汽車續航與安全矛盾的全新大門,既然刀片電池在結構上有著空間利用率高、散熱面積大、電路回路長、產熱能力低的特點,那么我們是否可以將三元鋰電池也做成“刀片”的形狀呢,這或許是未來的另一個方向。


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