随着新能源汽车的大规模普及,伴随而来的自燃事故越来越多!
据不完全统计,2020年国内有报道的新能源汽车自燃起火的61起事故中,大多数是由于动力电池问题导致的。
为了提高动力电池的安全水平,各大车企和动力电池厂商纷纷推出不起火方案。其中,最为大家熟知的就是比亚迪的“刀片电池”、广汽埃安的“弹匣电池”,以及长城刚刚发布的“大禹电池”。在电池安全方面,它们各显神通,都宣称自己在热失控情况下实现了不起火、不爆炸。
那么问题来了,这三款电池系统到底有何不同?谁又最安全呢?下面答哥就来详细梳理一番。
刀片电池:从结构改变磷酸铁锂“先天不足”
首先来看比亚迪的刀片电池。作为三款中唯一采用磷酸铁锂材料的电池,磷酸铁锂本身结构相比三元锂更加稳定,热稳定性高,安全性更好,而缺点则是能量密度不如前者。
磷酸铁锂电池因能量密度不及三元锂电池,使其在实际应用中会遇到一些障碍,主要体现为在有限的车身空间里布置有限重量(体积,非等同)的动力电池时,车子的续航里程不够理想。尤其是在以续航为导向的鼓励政策与当前充电等配套设施有待完善的情况下,磷酸铁锂电池车型的弱点就被放大。这也是很多车企宁可放弃更安全稳定的磷酸铁锂,而选择三元锂的原因。
但是,在比亚迪的刀片电池上,磷酸铁锂电池这一劣势得到极大的改善。比亚迪的刀片电池则创新地对电池结构进行了优化,堪称电池行业的一种全新颠覆。
我们都知道,一台新能源汽车上所搭载的电池包,一般是需要把电芯(Cell)组装成为模组(Module),再将模组安装在电池包(Pack)里,形成“电芯-模组-电池包”的三级装配模式。
既然需要用到模组,模组自然会占用一定的体积和重量。如果能够设法绕开模组,直接用电芯组成电池包,空间必将能够大大节省。
而这种绕开模组,直接用电芯组成电池包的技术,就是比亚迪在发布会中所讲到的CTP技术(Cell to Pack)。使用CTP技术砍掉模组,省出来的体积和重量,可以用来大幅增加电量、提高续航。
但比亚迪是怎样实现电芯直接组成电池包的呢?
原来,比亚迪发布的刀片电池采用了方形铝壳的长电芯设计方案,创新性地将整个电芯进行了扁平、窄小化设计;再将多个不同尺寸的电芯通过堆栈式摆放,像“刀片”一样插入到电池包,从而使得电池空间利用率达到50%以上,有助于电池包内容纳更多的刀片电池,从而达到主流三元锂电池同等的续航能力。
我们可以这样理解,比亚迪的刀片电池相当于是把一块面团均匀地摊开,同时充分利用了边角料的剩余空间。这样一来,电池的空间体积利用率得到大幅度增加。而且,刀片电池单个电芯的长度可以达到2.1米,是传统磷酸铁锂电池的十倍以上。因此,困扰磷酸铁锂电池能量密度的问题迎刃而解。以比亚迪汉EV的长续航版为例,其可以实现605公里的NEDC续航能力,着实不错。
而相比续航的提升,比亚迪刀片电池最大的优势依旧是其无与伦比的安全性。从此前官方发布的电池的穿刺试验可以看到,刀片电池在5mm直径的钢针穿刺后,电池温度稳定在30-60℃,表面无浓烟无明火,而普通的三元锂电池则会发生剧烈燃烧的现象,表面温度超过500℃,两者的安全性高下立见。
另外,得益于其“刀片”的结构,刀片电池在本身刚度与强度也有很大的优势。此前,比亚迪就公布了电池强度测试——46吨重卡碾压测试。经过重卡碾压的刀片电池包完好,无漏液、无冒烟现象,还能重新装回车上使用,再次刷新大家对刀片电池安全性的认知,刀片电池确实能起到一定的结构加强作用。
看到刀片电池有以上那么多优点,你一定会觉得该电池很贵吧?
事实上,刀片电池的生产成本相对普通磷酸铁锂电池降低了30%。原因在于刀片电池的生产过程中,取消了电芯-模组这道生产工序,生产流程得以大幅简化,生产效率也因此变得更高,电池的制造成本自然得到大幅度降低。
弹匣电池:给电芯加装“安全舱”
诚如我们前面所言,为了追求高能量密度和高续航里程,越来越多的车企采用镍成分比例较高的三元锂电池,从“532”到“622”,再到“811”,维持电池稳定性的钴锰成分仅占约20%,在续航里程大幅提高的同时,电池安全性风险也在增大。
另外,从电池热稳定性来看,三元锂电池热失控温度低于300℃,对电池管理系统要求非常高,需要防过热保护装置和电池管理系统来保护电池安全。对此,广汽埃安发布了新一代动力电池安全技术—弹匣电池系统安全技术,并通过了中汽中心的针刺试验,业内首次实现了三元锂电池整包针刺不起火。也是继“刀片电池”后,另一个大幅提升电池整包安全性的技术。
和刀片电池改变自身结构不同,弹匣电池则是通过打造一个“安全保护壳”来实现安全性能。主要来说就是将一个个电芯放置在安全舱中,类似“弹匣”,中间采用航空级的二氧化硅级耐高温纳米材料,因此它具有耐高温、绝热的特征,能最大程度上可以起到阻燃、隔热的效果。这就是“弹匣电池”名字的由来。
弹匣电池的四大核心技术:一、超高耐热稳定的电芯;二、超强隔热的电池安全舱;三、极速降温的速冷系统;四、全时管控的第五代电池管理系统。借助这几项技术,弹匣电池也能在穿刺试验中做到不起明火,与刀片电池一样。
大禹电池:专门针对热失控提供“管家式”服务
长城汽车的大禹电池实际为NCM811三元锂电池,即正极材料中镍钴锰的含量比例为8:1:1,属于热失控管理挑战很大的高活性电池。
在长城汽车看来,电池包里包含大量电芯,其中有个别单体发生热失控是不可避免的(或者说各类交通事故诱发热失控是早晚问题),除了做好基础的隔热和冷却工作,还要在限制热量扩散、避免二次引燃等等问题多下功夫。长城汽车认为,将电池热失控的热量做好疏导工作,就能有效解决电池安全问题。因此,这款电池被命名为“大禹电池”。
这款电池通过搭载多梯次换流系统、快速极冷抑制系统、多级定向排爆系统、灭火盒系统等全新设计,让电池在热失控情况下实现不起火、不爆炸,所排出的烟气温度也控制在100℃左右。
而在具体的设计思路上,大禹电池则用上了这些理念:热源隔断、双向换流、热流分配、定向排爆、高温绝缘、自动灭火、正压阻氧,以及平时的智能冷却。从它们彼此的数量和比例就能看出长城对排热的重视程度。
看到这里,相信你也已经找到前面问题的答案了:在长城看来,电池包大量电芯中个别单体发生热失控不可避免(或者说这只是早晚问题),在基础的隔热和冷却工作做好之后,不如多花点功夫聚焦“不可避免”之后可以避免的细节,比如限制热量扩散、避免二次引燃等等,尽量不让少量电芯的热失控发展成失火甚至爆炸事故。所谓“堵不如疏”,大禹当年治水也是这么想的。
另外,为了测试这款电池的安全性,长城汽车采用了行业内少见的模组中间电芯触发和双电芯连续触发的加热触发方式进行测试。试验结果为全程无明火爆炸,电池组排出的烟气温度低于 100 摄氏度。
电池安全哪家强?三者各有千秋
看完以上三款电池的介绍,相信大家对这三款电池已经有了一定的了解了吧。首先来说说三者的不同。
第一当然是配方不同,比亚迪刀片电池选择的路线是,强化天生就拥有材料安全性的磷酸铁锂电池技术,本身磷酸铁锂材料的优势就有启动温度高、放热慢、产热少、分解过程中不释放氧气难以起火。而广汽埃安的弹匣电池和长城汽车的大禹电池则使用的是能量密度更高,但在安全和稳定性上不如磷酸铁锂的三元锂电池。
第二是技术路线也有些许差异化。比亚迪通过刀片电池的进一步结构设计、控制设计以及生产设计(独享很多制造专利),最终让电池包的能量提升增加车辆续航,同时又保证了安全性。而广汽埃安弹匣电池和长城汽车的大禹电池,其选择的路线都是强化电池系统在面对热失控时的整体控制能力,只不过方法不同。
广汽埃安弹匣电池主要是给电芯加装安全舱来实现安全性能。同时,再通过提升电芯的耐热温度,电芯之间加装隔热安全舱,以及第五代BMS系统自动启动自救速冷系统,再进一步保护电池的安全性。
相比广汽埃安弹匣电池,大禹电池采用三元811大容量高镍电芯,811表示电芯中镍的含量占比为80%,高镍带来的优势是高能量比,但是电池的稳定性便降低了。而大禹电池则是注重考虑热失控的危险情况下,通过各项措施让电池不起火、不爆炸,热量得以有序“疏散”。
这三种技术流派在“配方”、“结构”、“技术路线”上不同,但是相同点则是都达到同样的安全标准以及安全结果,比如都能在穿刺试验中做到不起明火。
答答观察:
如果从电动车的续航里程来考虑,三元锂电池的技术路线始终要优于磷酸铁锂刀片电池,更适用于长续航里程的电动车。虽然比亚迪刀片电池通过结构上改进,续航大幅度提升,但是目前还无法像三元锂电池一样,续航能够突破700公里,甚至达到1000公里。
但是,从消费者的角度看,购买电动车首先要考虑的是它要具有高安全性、稳定性,而且大部分人也会考虑购车成本。比亚迪自主研发的刀片电池则具备高安全、高强度、长寿命、强温控等优势,满足了消费者购车的基本需求,唯一的不足就是磷酸铁锂电池能量密度低,电动车的续航能力只是同级别里的中等水平。而综合以上来看,在未来一段时间,两种电池技术路线仍然并行发展,并且相互竞争。