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比亞迪有刀片、埃安有彈匣,那岚圖的琥珀與雲母電池是什麼?锂電池的安全技術琥珀與雲母:防止熱擴散的三維隔熱牆琥珀與雲母之外:保護、診斷與未來布局小結

作者:張抗抗KK

研究了一下岚圖釋出的琥珀/雲母電池,概括要點如下:

“琥珀/雲母電池”是一種名為“三維隔熱牆”的電池包安全技術,并非電芯技術。

此次岚圖釋出會表達了一個意思: 岚圖不生産電芯,但全面自研電池系統安全技術,以技術更好地兌現品牌對車主安全的了解。

在了解岚圖的“琥珀/雲母電池”技術之前,我們簡要介紹一下新能源電池的安全技術。

<h1 class="pgc-h-arrow-right">锂電池的安全技術</h1>

說到锂電池安全,我們常聽到“熱失控”這個詞:機械濫用、電濫用、熱濫用都可能導緻熱失控發生。

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機械濫用、電濫用、熱濫用與熱失控

第一次聽到這個說法時,我心理是有些不爽的: 不就是電池碰撞、短路、過熱後可能起火嗎? 幹嘛要用“熱失控”這個文绉绉、吊書袋的怪詞呢?

後來才知道,熱失控并非普遍意義上的“易燃物+火源“的起火,而是具有“鍊式反應“的特征[2]。

鍊式反應的第一個含義是指,電池的副反應通常是放熱的,若散熱條件不好,放熱的副反應有可能引起更高溫度的副反應,甚至達到450度引起電解液燃燒。也就是:副反應1放熱→溫度達到T2→副反應2放熱→溫度達到T3→副反應3放熱→熱失控。下圖是一個形象的表達:

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電池副反應與反應溫度

鍊式反應的第二個含義是指,單體電池的熱失控會大量放熱,若單體電池之間的隔熱/散熱條件不好,熱量有可能引發相鄰電池的熱失控,進而引發整個模組(module)甚至整個電池包(Pack)的熱失控。2019年的上海特斯拉自燃事故中,總共燒掉了4個模組,如果不是采取了消防措施,大量噴水使其降溫,最可能的結果是其他模組也被引燃燒光。

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單體電池熱失控引發相鄰單體的熱失控

與“易燃物+火源“的起火事故相比,锂電池熱失控的“鍊式反應“特征其實要相對溫和一些,也就為我們提供了锂電池安全管理的思路,大體上就是:

電池包保護:盡可能保護電池不受侵害,特别是碰撞導緻的擠壓、穿刺。

算法診斷:電芯放熱副反應的早期階段,早發現、早扼殺。

防止熱擴散:單體電芯熱失控之後,采取“就地隔離”措施,防止蔓延擴散到其它電芯。

降低損失:若電池包的整體熱失控難以阻止,首先要保證乘員安全,其次是降低事故規模。

國家強制标準&lt;GB38031-2020 電動汽車用動力蓄電池安全要求&gt; 對第1層面的保護電池包進行了詳細的要求,要求電池包在過充、過放、外部短路、加熱、溫度循環與擠壓試驗中不爆炸、不起火。

至于第2、3、4層面,國家标準要求得就沒那麼細,比如寬泛地以效果來要求:發生“熱擴散”時提前5分鐘報警,以給乘員充足的逃生時間;以及國家推薦标準&lt;GB/T 31498-2021電動汽車碰撞後安全要求&gt;也有一些相關規定。

觀察在這些國家标準語焉不詳的地方做得深還是淺,就可以看出一家車企對于安全的重視程度與技術積澱的水準。

<h1 class="pgc-h-arrow-right">琥珀與雲母:防止熱擴散的三維隔熱牆</h1>

平時我們見到的電動汽車熱失控事故,大都是火熱洶洶;甚至就連消防隊來了也于事無補,很多情況下隻能靜靜等它燒完。這樣看來,電池熱失控實在是太兇猛了,根本無法阻擋啊!

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俗話說,千裡之堤,毀于蟻穴 —— 除非能提前找到蟻穴并填上;星星之火,可以燎原 —— 除非将火撲滅在将起之時。

實際上,電池熱失控“鍊式反應”的特征暗示了:單個電芯的起火,誇張點說我拿塊布就能将其制服;如果能将單體電芯“就地隔離”,杜絕從熱失控到熱擴散,整個電池包也就沒有大礙。

岚圖的“三維隔熱牆”就是充分利用熱失控的“鍊式反應”特征,力圖将單體電芯的熱失控“就地隔離”,進而保護整個電池包的安全:

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岚圖的“三維防火牆”技術

“琥珀”與“雲母”,則是岚圖實作“三維隔熱牆”的技術手段:

1. 琥珀電池

在岚圖FREE的純電版電池包中,填充了有機矽聚合物+低密度隔熱材料+阻燃劑的複合材料,形成高效的隔熱阻燃絕緣層,使得每個電芯單元像“琥珀”一樣處于充分包裹中。

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具體效果就是單個電芯熱失控了、不小心“發燒”了,但在“就地隔離”的措施下,不會擴散到周圍的電芯。

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岚圖的三維隔熱牆技術

這種思路并不難想到,難的是工程實作。岚圖汽車新能源技術總監黃敏博士現場介紹:“為了使三維隔熱層每個電芯間隙填充均勻,并攻克氣泡等工藝難題,我們采用獨特的子產品開孔方案,嘗試數十種複合材料”。

個人認為,琥珀電池的技術難題不止于此。例如,電池熱管理技術中,保證溫度一緻性的一個主要思路就是增強導熱性[4],甚至有人提議幹脆就上導熱矽脂吧!

岚圖增加了“隔熱材料”的琥珀,就意味着要在電池熱管理上做更多的研發工作,才能兼顧安全與壽命。牽一發而動全身,正向的自主研發從來都不容易。我對岚圖是如何兼顧這兩點的也非常感興趣,目前還沒有見過拆解後的岚圖電池包,将來有機會看到後再深入研究。

2. 雲母電池

在岚圖FREE的增程版電池包中加入層狀Al-Si雲母和氣凝膠,且電芯和雲母、氣凝膠會像雲母石一樣層疊堆積,因而命名為“雲母電池”。

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雲母的特點是耐高溫,可以防止熱失控的進一步蔓延,特别是防止明火對熱擴散的加速效果。特斯拉也采用了相似的方案,在

@工科男老王的拆車視訊中有介紹:

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<h1 class="pgc-h-arrow-right">琥珀與雲母之外:保護、診斷與未來布局</h1>

上文介紹的琥珀與雲母電池技術,都屬于第2層面的“防止熱擴散”技術。

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其實本次釋出會上,還公布了第1層面的保護技術和第2層面的診斷技術。

1. 電池包保護

發生碰撞時,要盡量保護電芯不要變形,那就要遵循“強-弱-強”的三明治結構:

首先,車身和電池架構要“強”,既保護電池包,也保護乘員。岚圖FREE車身高強鋼占比高達75%,其中1500MPa以上31%;特别是側面結構中,B柱、門檻、車門防撞梁均采用了1500MPa上的超高強度鋼或熱成形鋼。

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其次,電池包的外圍結構要“弱”,以潰縮吸能。如果碰撞較為嚴重波及到了電池包,那盡量讓外圍結構變形,吸能碰撞能量,進而保護電池内部的電芯安全。岚圖設計了30mm+的形變吸能空間,這其實與車身設計的原理也是相似的。

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然後就是電池包内部結構一定要“強” —— 若外圍結構潰縮還沒有完全吸收碰撞能量,那也不辦法了,隻能“裸衣”硬扛!岚圖在電池包内部設計了多條橫縱加強梁,形成橫縱交織的立體結構 —— 隻要骨頭足夠硬,内髒也可以保護得很好。

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對電池包最嚴苛的碰撞試驗,莫過于歐洲E-NCAP的75度角側面柱碰試驗了。在設計合理的層層保護之外,岚圖FREE橫梁僅發生小程度潰縮,而電池模組與電芯沒有受到擠壓影響,進而保護了電池安全。

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除此之外,岚圖雖然不生産電芯,但為電芯開發了獨特的防爆閥和熔斷裝置,作為“最後一層防護”。一旦有極端的撞擊侵入,電芯造成短路或電芯内壓力增加,電池雙保險能立即啟動保護作用,切斷電池内短路回路,釋放額外壓力,確定電池不起火、不爆炸。

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在釋出會現場,岚圖對電池包進行了擠壓測試、模拟碰撞測試與高溫淋水測試[6],電池包均安然無恙。

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左上:高溫淋水測試 左下:擠壓測試 右:模拟碰撞測試

有人問,為什麼不進行針刺測試呢?明确要求穿刺試驗的測試标準,本來就是少數[7]。即便在這些少數穿刺試驗中,試驗的有效性也受到廣泛的質疑:

與現實情況不符:穿刺試驗的現象,與真實發生事故的現象,差别很大。(現在很少有事故可以穿刺到電芯)

不能代表内短路:穿刺導緻的後果,不能代表内短路的後果。

試驗參數不明确:穿刺物的材料、速度、直徑與電池SOC都會大大影響試驗結果。試驗重複性較差

2. 更強的監測與診斷系統

傳統的診斷算法置于車載BMS内部,隻能根據單車資訊進行診斷。未來的雲端BMS可以充分利用大資料資訊和超強算力來更早、更準地診斷出隐患,将事故扼殺在搖籃。

我明白,一說到大資料、雲端算力這些詞,就讓人覺得有點虛。但是,具體到BMS電池安全領域,這種技術方案确實是有用的。

其實很早之前,咱們國家就建設了一個新能源車大資料監測系統,存儲了海量資料,但如果要查詢與分析某輛車的狀态,就需要專人來查詢再程式設計分析,總體來說不是很好用……

我也見識過一個較為先進車企的雲端大資料系統雛形,想查詢資料或分析問題基本上都可以做到實時響應,也能夠從海量資料中發現單車容易被忽視的資料,這個系統也幫助這家車企杜絕了一些本來要發生的事故。

正因為這些,我才覺得雲端BMS是一條正确的技術路徑。此次釋出會也公布了岚圖專屬雲BMS,宣稱擁有深度自學習功能;随着車輛接入量增加和使用時間增長,故障預測和壽命預測模型,還能不斷優化模型參數提升預測精度,越用越“聰明”。

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效果好不好,光說沒有用,咱們還是要觀察後續療效。但是,最起碼岚圖的思路是正确的;一家脫胎于傳統車企的“新勢力”在技術路徑上并不落伍,這點我還是很驚訝的。

3. 未來布局

釋出會的結尾,岚圖釋出了電池技術的未來主攻方向:高鎳軟包電池、固态電池與大功率快充技術。

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其中,高鎳軟包電池計劃實作完全無熱失控,還要達成行業最佳的能量密度與功率密度,并導入330Wh/kg的電池技術。高能量密度與高安全性如何兼得?這點還是讓人非常好奇的!另外,固态電池技術也已進入商品化開發的日程。

快充技術也列出來具體的技術名額:20分鐘60%電量;基于下一代800V與SiC技術,實作10分鐘400km的目标。内部人士透露,岚圖超充技術也将在9月底正式亮相;在基礎設施上的投入,展現了岚圖在汽車電動化方面的決心。

<h1 class="pgc-h-arrow-right">小結</h1>

通過知乎汽車拆車試驗室了解到[8]:市面上另外一家主流增程電動車型就采用了甯德時代的整包供應,供應商包圓了設計與制造,主機廠隻要采購就行。

拆車實驗室 | 理想ONE電池包設計解析 針刺實驗滿足國家強制标準

所說,這種模式的好處是:省時、省力,花錢就行;弊端就是設計話語權不掌握在自己手裡,特别是供應商還是非常強勢的甯德時代。

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你可能會說,供應商是大廠就行,水準也很高;至于設計話語權,那重要嗎?在我看來,設計話語權決定了産品能否反映出品牌調性 —— 一款30多萬的豪華SUV,理應加入更多的安全設計,但供應商不一定響應你的這些需求。如視訊[8]所述,下面這款車就沒有防火隔熱設計、也沒有防爆閥設計,反正不影響通過國标。

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而岚圖FREE從一開始就推出了增程版與純電版,說明做好了面向未來的電池技術儲備,這些儲備同時也可以反哺目前的增程版電池技術方案。既有增程又有純電,研發難度更嚴苛、研發投入更大;從技術角度來講的話,岚圖作為“國家隊”更值得信賴

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