我们知道,电池包里的一颗颗小电芯作为一个化学的储能体系,在某些极端情况下(比如针刺试验、碰撞变形等等),不可避免地会发生热失控。

 

但最近这一半年里,新能源行业却出现了一个有意思的现象。

 

像比亚迪的刀片电池、蔚来的100度电池、广汽的弹匣电池、极氪的NTP技术、岚图的三维隔热墙技术等等,就和提前商量好了一样,都宣称自己的电池包能“不起火、不爆炸”!

 

                         

而且,这一现象似乎还有蔓延的趋势——

 

包括宁德时代在内,有不少动力电池企业都公开披露过自己的不起火电池包技术。其他的车企也不甘示弱,纷纷在电池安全领域展开了尝试。

 

长城也不例外,最近发布的大禹电池技术,就玩了这么一手。

 

 

别人都是在阻隔热量和主动降温上下功夫,把热失控控制在电芯层面,避免热量大量聚集和蔓延,导致电池包热失控。

 

长城却反其道而行之,干脆从一开始就“放任”电芯放热!

 

颇有几分“他强由他强,清风拂山岗”的味道。

 

那么,长城的葫芦里到底卖的是什么药?这项电池黑科技,真的能保障电池包的安全吗?

 

今天,我们就来好好聊一聊。

 

01. 大禹电池是个啥?

 

 

 

 

 

治水的大禹大家都知道,凭借“三过家门而不入”的坚定毅力,用了13年的时间疏通河道、消灭洪水,让百姓过上了安居乐业的生活。

而大禹采用的方法,和前人筑坝挡水的方法有些不同。

 

因为洪水只靠堤坝是挡不住的,只有让洪水顺利地通向东边的入海口,缩短洪流淤积在中原大地的时间,才能彻底消灭洪水。

 

用四个字来形容,就是“改堵为疏”。

 

电池的热失控,也和洪水有几分相似。两者都是会从局部蔓延到整体,不加以处理的话会酿成大祸,处理起来又都有几分棘手。

 

 

关注新能源车的朋友们应该都知道,在新能源车的电池包里,会有几个到几十个不等的模组,而模组中间又会有若干颗电芯。

 

只要有一颗电芯出现问题,它就会迅速升温、并且波及到周围的电芯。结果就是许多电芯一起达到分解温度,从而引发整个电池包爆燃,最终造成事故。

 

所以无论是哪家的电池包,只要提到电池安全,最重要的都是这两点:一是监测,二是温控。

 

一个优秀的BMS电池管理系统,必须要通过温度传感器提前监控到电池风险,及时给出升温预警。电池包也要及时开启主动降温功能,避免电芯过热自燃。

 

 

这就是用“堵”的方式来治理,只要不让电池达到分解温度就可以了。

 

简单粗暴,但最为有效。

 

但出于维持电量的考虑,BMS很难24小时不间断地工作,车企被迫要在下电和安全之间做出选择。所以往往都是停车后维持一段时间,等到电池包没有风险后再下电,节约电量。

 

如果新能源车的BMS不够优秀、策略过于激进或者电池包损伤过于严重,就不可避免地会有一些充电或托底后自燃的情况发生。

 

 

这时候,就轮到长城“改堵为疏”的大禹电池技术出马了。

 

既然洪水是止不住的,那么不如引导洪水往该去的地方去。

 

举个例子,在某些严重拖底的情况下,外力冲击会破坏电池隔膜导致电池短路、放出热量。如果相邻的几颗电芯一同热失控,温度会超过1000℃。

 

这就有点像夏天的第一场大暴雨,会引发河流水位上涨,变成洪水一样。

 

 

因为三元锂电池的正极材料在300℃时就会分解、释放出氧气,遇到可燃的电解液和碳基的负极材料就会开始燃烧,升温又会进一步加剧正极材料分解,释放出更多的氧气加剧燃烧。

 

各家车企的电池包也会在模组和整包层面配备泄压阀,让高温高压气体能够从电池包中疏通出来一些。有点像主动开闸放水,避免洪水冲破堤坝,引发更大的危险。

 

这时,泄压阀中会喷发出大量气火流,随之而来的是巨量的热。单靠BMS系统换热已经不够用了,电池包处于整包热失控的边缘。

 

 

想要阻止自带可燃物和氧气的电池包继续燃烧下去,常规来说只能从温度上下手。消防员面对自燃的电池包也是用大量的水来降温,慢慢等待热失控的电芯反应完毕。

 

这就好比抗洪过程中加固堤坝一样,只要不决口,等到雨停,就是胜利。

 

那如果让这些热量能够通过一条安全通道,迅速排出电池包,让其他电芯周围的环境温度低于200℃,那是不是就能把热失控阻止在电芯层面了?

 

就好比以前的河道不足以容纳如此高的水位,那就拓展河道、束水攻沙,让洪流有处可去。

 

 

大禹治水是用控流+导水来“改堵为疏”的,大禹电池技术也是如此。

 

听起来好像很简单,但这可并不是有手就行的简单操作,因为还有几个难题。

 

最关键的一点,是如果核心温度超过1000℃,相邻电芯的温度也很容易超过300℃。一旦其他电芯升温,即使阻隔了氧气也没有用,电池包还是会剧烈燃烧。

 

河流的中游决口了,下游肯定不好过。

 

因此大禹电池技术把电池包里的安全通道做成了许多种形状和样式,在不同的位置采用不同的通道,目的就是避免热量在某一处大量堆积。

 

 

而且还通过分流、导流和换流的方式,将热失控的气火流牢牢地控制在它该去的通路上,最终按照均匀的温度、气压和流量安全排出。

 

支流多了,洪水自然也就不容易泛滥了。

 

 

但比起洪水来说,电池包还存在另一个问题:氧气。

 

每一次当电池包内部的氧气刚好快要用完的时候,电池包内外的气压差会导致空气中的氧气从泄压阀进到电池包内,和可燃物反应,引发二次燃烧。

 

所以大禹电池技术在安全通道的末端设置了一种多层不对称的蜂窝状结构,在排气降温的同时控制气火流的流量不要过快喷出,让包内压力始终高于电池包外,从而阻隔氧气。

 

 

再加上电芯/模组间的绝热材料、BMS控制下的冷却功能和高温绝缘防护,看上去大禹电池技术的防护范围是足够了。

 

但这么说,还是有些不放心。“放任”电芯在电池包内放热,真的没关系吗?

 

02. 大禹电池真的安全吗?

 

 

 

按照GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》,长城针对大禹电池技术,来了一次加热触发热失控的电池包安全测试。

 

 

为什么没用针刺试验?长城给出的原因是或许针刺看起来比较刺激,但加热的方式会让电池包内部的热量更多,对安全性的要求会更高。

 

而且长城也的确选取了更容易自燃的811高镍三元锂电池作为电芯,也用上了全球最为严苛的中央两颗电芯同时加热的测试方式,从难度来看也并不简单。

 

 

从长城公布的测试结果来看,在加热过程中连续三次出现多个电芯集聚触发热失控,电池包的最高温度达到1037℃,包内气压也达到三次高峰,瞬间最高气压约16kPa。

 

但电池包周围并没有明火出现,更没有爆燃现象发生。外溢烟雾的温度被控制在100℃之下,不会点燃车辆周围的可燃物、造成二次伤害。

 

从测试中也不难发现,大禹电池技术的一个优势就是无论是哪个位置的电芯出了问题、甚至是多个电芯出了问题,都做到了不起火、不爆炸。

 

据长城动力电池设计总监曹永强的介绍,这项电池技术并不是采用先开发、后测试的传统做法,而是在设计之前就已经进行了无数次整包级的燃烧模型、热力学和流体力学的拟合仿真。

 

 

在拿到数据之后,还要进行多层次的数据标定和细节调整。目的就是保证在任何情况下,都能保证电池包的安全。

 

另一个优势,在于大禹电池技术的本质。它并不是对于电池材料的创新、能够解决电芯自燃问题,而是通过电池包结构的创新,避免电池包甚至是整车层面的自燃。

 

长城专利清单中的专利名称,也证明了这一点。

 

 

这也就是说,无论是523中镍电池、811高镍电池、磷酸铁锂电池还是未来的无钴电池和固态电池,无论是30度电的小电池还是150度电的大电池,甚至是CTP电池包和CTC电池包,都能应用上大禹电池技术!

 

对于那些追求能量密度、稳定性降低的电池材料,大禹电池技术能够为它们的安全性提供一个托底的保障。

 

而对于磷酸铁锂这种相对安全的电池材料,又相当于给电池包上了第二份保险。

 

有了拓展性之后,大禹电池技术也有了实用价值。其将于2022年全面应用于长城汽车旗下的新能源系列车型,首次亮相会在高端新能源品牌沙龙的第一款新车上。

 

 

至于大家最关心的价格和能量密度,现场给出的解释是它是在结构上做出的优化设计,并不会显著增加电池包的制造成本,甚至还可能比之前更低。能量密度也不会受到影响。

 

03. 写在最后

 

目前,主要的电池技术路径基本是两条。

 

 

 

一条路是三元/无钴电池/固态电池这种高能量密度电池,主要供给超长续航车型和高动力性高端车型,会为了电池性能放弃一定的稳定性。

 

但由于电芯一致性问题很难解决,无热失控暂时还无法实现。

 

 

而另一条路,则是磷酸铁锂电池、钠离子电池这种能量密度低但更加安全的电池,由于其造价低的优势,主要应用于低端新能源车。

 

从销量上也肉眼可见,新能源车正在逐步进入下沉市场,前景十分广阔。

 

短期来看,这两条路径并行的现象还要再持续一段时间,高能量密度电池包依然需要注意电池安全问题。

 

大禹电池技术的出现,也的确提供了一种更加安全的解决方案。

 

有意思的是,长城在现场宣布:大禹电池技术的数十项专利将会向全社会免费开放。

 

 

要知道,在新能源领域,号称自己开放专利的也仅有特斯拉、蔚来、丰田等几家。

 

长城这次对外开放的态度,改变了不少人对于长城的一贯印象。

 

按照官方的说法,大禹电池技术不再是长城电池技术上的护城河,而是把它定义为电池行业内安全技术发展的加速器。

 

这项技术究竟好不好用,有没有其他车企会用,到底是长城会受益、还是其他车企会受益,这些都是商业上的话题,我们暂时还无从得知。

 

 

但按照长城的愿景,到2023年,欧拉品牌的全球销量要超过100万台,2025年长城系品牌新能源车的销量,要在全球达到320万台。

 

想要实现如此遥远的目标,还需要付出更多的努力。只靠国内市场是不够的,海外市场也必须要发力。

 

但在新能源行业飞速发展的背景之下,在整个行业的推动之下,社长坚信,不出2025年,一定会有至少一家中国企业,能够实现这个目标。

 

不信的话,我们到2025年再来瞧。