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底部防爆阀+热电分离,龙鳞甲电池映射的技术趋势

放大字体  缩小字体 发布日期:2023-01-07  来源:转载  浏览次数:1711
核心提示:日前,蜂巢能源在其第三届电池日上正式对外发布了龙鳞甲电池,该电池系统的一大特点就是电芯防爆阀设计与传统设计相比有了颠覆式

日前,蜂巢能源在其第三届电池日上正式对外发布了“龙鳞甲电池”,该电池系统的一大特点就是电芯防爆阀设计与传统设计相比有了“颠覆式革新”:“龙鳞甲”采用防爆阀置于短刀电芯底部的创新结构设计。

现阶段,电池企业普遍习惯将电芯的防爆阀设计在顶部。电芯防爆阀在顶部,对于电池包设计来说,在单个电芯热失控过程中,就要求防爆阀上方要预留泄压通道,将电池热失控喷泄物引导到侧面或者底部排除。然而,这一过程中这些高温喷泄物极易蔓延到相邻电芯或者电气单元,进而使得电池包安全隐患增加。

事实上,针对这一问题,国内整车企业已经在尝试改变。上汽集团的魔方电池,就采用了不同于传统电池包立式电芯的结构设计,而是将“电芯躺着放”。躺着放的一大好处就是电芯喷发口不再向上,改为侧向喷发到底部托盘结构上,减少蔓延至周边电芯的风险。

蜂巢能源的设计更为大胆,将龙鳞甲电池使用的短刀电芯防爆阀创新设计在底部,一旦发生某个电芯热失控可快速实现定向泄压,喷发物可按指定方向、通过最优的通道迅速排出,不会蔓延至周边电芯。

其实,蜂巢能源在设计第一代短刀电芯时,就已经将防爆阀设计在了侧面,到了第二代已经改至底部,且设计了2个泄压阀的位置。

无独有偶,作为电动汽车和动力电池风向标的特斯拉,防爆阀设计也与蜂巢能源不谋而合。特斯拉公布的的Model Y CTC方案,4680电芯的防爆阀设置在电芯底部,和正极端相反。

电池包要更安全,热电分离是迭代方向

常规电芯防爆阀和极耳在同一侧,热失控泄压区与高低压线路处于同一区域。一旦一个电芯热失控,喷发物容易在泄压通道堆积,造成高压短路。因而,要做到电池包真正的不起火甚至不冒烟,热电分离是发展趋势。

防爆阀设计在电芯底部,也为“热失控泄压区和电源传送区独立创造了可能”,而龙鳞甲电池的设计师显然从一开始就系统性地规划了这一点。

据蜂巢能源介绍,当前电池、整车企业基于电池热失控的研究和安全设计已经非常成熟了,但是电芯一旦热失控,喷发出来的气-液-固混合体非常容易引起热失控的“二次危害”,其中由“电”造成的二次危害是最严重的,像电弧(击穿金属板、烧熔金属板等)、短路、绝缘失效等,“在这种情况下,本来可以压制住的热失控,瞬间就变成无法控制了。”

在安全方面,龙鳞甲电池采用热电分离的设计思路,就是将热失控区域与电连接区域分割。底部泄压阀与两侧极柱完全物理隔离,电芯的泄压物与电气连接空间完全绝缘,杜绝了“热失控”后导致的“电”的危害,这与传统的电池包安全防护,是质的迭代与提升。

从目前业界各企业发布情况来看,蜂巢能源也是“第一个吃螃蟹的人”,率先在业内大胆进行热电分离的结构设计。

当然,作为风向标的特斯拉,实际上也已经在热电分离上有所迹象。特斯拉4680电芯防爆阀设计在电芯底部,在集成时只需做好底部泄放空间的引导和固定即可,在电芯正极端完成电连接,它的热、电空间分别是底部和顶部。

“龙鳞甲电池”的安全设计并不止如此。龙鳞甲电池采用上下大面水冷板,电芯大面积和冷却板接触,这样的设计能够让冷却板迅速带走电芯的热量,水冷后几乎没有温度异常区域。实物测试大电流充电800V超级快充下,电芯温度一致性非常好,换热能力提升70%。既可提升非充电场景下电池包的安全,也可显著提升电动汽车在快充场景的安全性。

可以看出,由电芯底部出防爆阀到热电分离实际上是正向系统研发的结果,是一脉相承的。敢于大胆创新,并率先“吃螃蟹”,无论是蜂巢能源,还是特斯拉,都是源于对整车和电池有着极深的理解和研发能力,而这种基于整车和电池系统更高安全层级出发的电池系统,或许也是为何蜂巢要将其名称定位“龙鳞甲电池”的原因。

安全底座之上的一体化突破

在安全设计上,龙鳞甲摆脱传统设计思维,从电池安全内核思考,进行颠覆式思维,使得其从本质上实现了更高安全层级。在安全之外,蜂巢能源基于整车视角,龙鳞甲在续航、成本、快充等维度也实现了质变。

例如,原本电芯和电池包底部之间一般预留有空间,以防止底部碰撞时损伤电池。底出防爆阀设计将两部分空间合二为一,可提升电池包体积利用率;另外,得益于底部泄压,“龙鳞甲”取消了中央排气通道设计,进一步为电芯腾下了空间;第三,从系统来看,龙鳞甲电池包上盖、水冷板、车身地板三件合一,龙鳞甲电池的高效集成,可扩展CTC/CTB,具备很高的兼容性,而高效集成,在减少材料和重量的同时,可显著提升集成效率,增加电池包的体积利用率和能量密度,降低成本、提升装配效率,极大扩展了整车续航可能。

蜂巢能源透露,采用磷酸铁锂电芯的龙鳞甲电池系统体积成组效率大幅提升至76%,同等电池包下,续航超过800公里;采用高锰铁镍电芯超过900公里;采用高镍三元电芯续航则超过1000公里……刷新业内纪录,实现极致续航。

成本方面,通过系统集成化的优势,龙鳞甲电池减少了20%的结构件,为电池包减重10-20公斤。结构件的减少和减重,可直接降低物料成本,并提升生产效率。

据悉,龙鳞甲电池可以覆盖全部300mm-600mm各尺寸电芯,兼容各种化学体系,车型可覆盖A00-C级车全系列车型,可以大幅缩短车企的车型研发周期和降低研发成本。

在快充方面,得益于纳米网硅负极技术,在高安全和长续航之外,龙鳞甲电池还能够在匹配三元电池同时支持4C快充。

基于第二代短刀电芯的底出防爆阀设计、热电分离技术、双面冷却设计等一系列创新,蜂巢能源针对用户核心痛点,并前瞻性研判电动汽车技术趋势推出的龙鳞甲电池,有望实现动力电池系统的极致安全、极致续航、极致性能、极致成本、极致兼容。

 
 
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