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比亚迪- 比亚迪汉

相比普通锂电池 刀片电池在安全性上有什么优势?

  • 原创
  • 2020-06-17 09:19
  • 来源:电车资源
摘要:在上一期《电车知识学堂》中,我们介绍了目前主流三元锂电池对于电池安全的防护设计,而最近还有一款新型的电池频频被推上热搜,引起了广泛的讨论,它就是我们今天的主角---刀片电池。

【电车资源 技术文章】在上一期《电车知识学堂》中,我们介绍了目前主流三元锂电池对于电池安全的防护设计,而最近还有一款新型的电池频频被推上热搜,引起了广泛的讨论,它就是我们今天的主角---刀片电池

《电车知识学堂》聊聊刀片电池的安全性“秘诀”

“刀片电池”中的“刀片”指的是其单体电芯的形状,并非是什么前所未有的黑科技,它在化学层面上的本质仍然是我们熟知的磷酸铁锂电池,但通过不断优化的物理结构设计以及材料更新,它与三元锂电池的差距已经越来越小,今天我们就来看看比亚迪是如何做到的,新的刀片电池与三元锂电池相比有什么优势。

 ● 采用CTP思路提升空间利用率

目前常见传统结构的电池包内部长这样(不分三元锂还是磷酸铁锂):

《电车知识学堂》聊聊刀片电池的安全性“秘诀”

传统电池包内部结构

图中上半部分为6块模组,每一个模组都是由多个同样的小电芯封装组成,最后再将多个模组安装在带有固定横梁与纵梁的框架中,本身从电芯到模组的空间利用率在80%左右,而从模组到电池包要被连接部件和内部骨架挤占不少空间,空间利用率还要再损失一半,最终电芯只占电池包总体积的40%左右。

对于天生能量密度较高的三元锂电池来说还好,但对于原本能量密度难以做高的磷酸铁锂电池来说则明显限制了单体电芯的能量密度以及总容量的提升。

《电车知识学堂》聊聊刀片电池的安全性“秘诀”

比亚迪刀片电池

对此,比亚迪选择先从电池的结构入手,突破传统电池框架的限制,打造了长条形的磷酸铁锂电芯,通过CTP(Cell to Pack)设计思路,直接取消了电池包内部的框架,通过横向密集排列的多排电芯,将内部空间的利用率提升到了60%左右。

《电车知识学堂》聊聊刀片电池的安全性“秘诀”

最为直接的结果就是电池包整体的能量密度以及容量的提升。以搭载最新刀片电池的比亚迪汉EV为例,其电池包总能量为76.9kWh,能量密度140Wh/kg,工信部的续航里程能够达到605km,已经达到了新能源车续航水平的第一梯队。

新的CTP设计思路不仅让刀片电池在性能参数上达到了平均水平,由于减少了电池组装模组的端板、侧板以及用于固定模组的框架、螺栓等紧固件,还降低了部分制造成本,提升制造效率。

● 刀片电池的安全性

比亚迪的刀片电池和“刀”并没有什么关系,只是由于其电芯形状十分特别,又长又薄,就像刀片一样,故称之为“刀片电池”。应用在比亚迪汉EV车型上的电芯长度为1米,宽约10厘米,厚度仅为2厘米,单体电压3.34V,容量可达100Ah,这是之前的电芯形式上从未出现过的形状。

《电车知识学堂》聊聊刀片电池的安全性“秘诀”

1、外力挤压

在之前的文章中,我们分析过锂电池会发生的最严重的安全性问题就是燃烧甚至爆炸,出现这些问题的根源在于电池内部的热失控,而避免热失控首先的要求就是在发生碰撞时,避免电芯收到外力挤压。

《电车知识学堂》聊聊刀片电池的安全性“秘诀”

比亚迪的刀片电池在电池包的外侧依然设计有类似汽车防撞梁的吸能盒结构,能通过变形吸能来抵御对电池包本体的冲击,而刀片电芯则直接竖向紧密排列,并固定在电池包的边框上,让每块电芯本身也变成结构件,成为支撑电池包的横梁。一根薄薄的横梁起不到什么作用,但横梁数量一多,就会形成有点类似“一把筷子拧不断”的效果,并且面积最大,最容易发生弯折的部分正好面向车头与车尾,外部有更为充足的缓冲区域。

刀片电池在100-800kN的测试标准中,电池包只发生了轻微变形,未冒烟和起火,而在三点压强测试中,刀片电池最终可以承受445kN的压力,其可承受的碰撞、挤压强度确实比传统的电池包结构还要强。

2、电芯热失控

已经发生的新能源电动汽车事故大部分与动力电池的热失控有关,或由于碰撞挤压、或由于过充过放,最终导致电芯过热起火。

《电车知识学堂》聊聊刀片电池的安全性“秘诀”

普通的三元锂电池在超过200℃时就有可能发生热失控,且正极材料含镍越高就越不稳定(目前能量密度最高的NCM811电池表示正极的镍、钴、锰配比为8:1:1,理论上最不稳定),若BMS无法及时断电散热,就非常容易发生燃烧。

而磷酸铁锂正极材料本身的热稳定性就比三元锂要好不少,在500℃以内都有着极高的稳定性,超过800℃时才有发生热失控的可能。此外即便发生热失控,磷酸铁锂电池的放热也非常缓慢,且分解时不会释放氧气,减少了起火的风险。

《电车知识学堂》聊聊刀片电池的安全性“秘诀”

对比同样材料的传统电池,刀片电池的长条结构散热面积大,伴随而来的还有整个电路的回路长,产热能力低。总结起来就是:发热量低和散热性能好,那么热失控或自燃的概率也就小了很多。

《电车知识学堂》聊聊刀片电池的安全性“秘诀”

在针对锂电池最难的针刺试验中,比亚迪按照GB/T 31485-2015的针刺试验方法,将电池充满电,用直径为5mm的耐高温钢针,以(25±5)mm/s的速度,从垂直于电池极板的方向贯穿整块电池,人为的创造一个极限情况下的短路环境,来考验电池受损最严重时的安全性。

《电车知识学堂》聊聊刀片电池的安全性“秘诀”

在穿刺后,NCM622三元锂离子电池瞬间剧烈燃烧,表面温度超过500℃。传统的磷酸铁锂块状电池在经过短暂的反应时间后,电池开始膨胀并打开了泄压阀,将内部高温液体与气体喷出,虽然没有产生明火,但表面温度也升高至200℃-400℃,虽然也有一定危险,但总体上还在控制范围之内。

《电车知识学堂》聊聊刀片电池的安全性“秘诀”

最后刀片电池的电压在穿刺后还只是以很缓慢的速度下降,并且没有冒烟起火现象,表面的最高温度也仅停留在30-60℃,十分安全。退一步讲,就算在极端情况下出现热失控,搭载刀片电池的车型也能提供更长的逃生及救援时间。

● 写在最后

在公共充电桩等设施尚未大规模普及的今天,新能源车对高能量密度、高续航的追求仍然是主流目标。三元锂电池的正极材料从原本的333、532、622,再到811,随着能量密度的不断提高,电池的热稳定性也会变差,近期多起电动车的自燃事件也让人们对电动车的安全性越来越关注。

而比亚迪刀片电池的出现,打开了一道解决新能源汽车续航与安全矛盾的全新大门,既然刀片电池在结构上有着空间利用率高、散热面积大、电路回路长、产热能力低的特点,那么我们是否可以将三元锂电池也做成“刀片”的形状呢,这或许是未来的另一个方向。


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