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新能源汽车自燃频发,面对如此“失控”的电池,如何解决?

2022-06-24 199

今年6月12日,中午11时许,珠海市香洲区银厦广场附近的一辆比亚迪新能源汽车疑似发生自燃,从网友提供的视频中可以看到起火车辆火势猛烈,火焰已超过车顶,浓烟不断冒出并发出疑似爆鸣声。

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无独有偶,同年6月6日,广西贵港一辆比亚迪唐新能源车在路上起火。本月已经发生两起电动车“自燃”事件了。

新能源汽车为什么容易自燃

电池是一个比较复杂的储能装置,笔者最近想到一个类比,就是大家小时候用的镀银保温瓶,类比如下:

  1、保温瓶里头的水有很多能量,我们看作是电能。

  2、保温瓶可以反复填充和使用,二次电池亦是如此。

  3、保温瓶和电池都很脆弱,怕冷怕热怕撞怕,还死重。

  4、保温瓶内胆只要碎一个口就会整体毁灭,电池烧一个就很容易火烧连营,损控很难做。

  5、保温瓶和电池的工业化制造都是很精密的(对应各自时代的工业水平),保温瓶一开始很贵,宋代皇帝赐给公主的嫁妆就是保温瓶(民族爱瓶传统),后来大幅降价飞入百姓家,电池也是如此。

  6、保温瓶会自放热,保温时长有限,电池也有自放电率。

       电池热失控(Thermal Runaway),造成的破坏将是毁灭性的。根据清华大学动力工程及工程热物理学博士 @姚昌晟 老师的描述:由100节带电量100Ah的电芯组成的电池组,失控能量达到240000000J,合57公斤TNT炸药。所以一旦我们说电池“TR”了,基本上就可以贴这张图了。

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电池热失控的机理

穿刺

这是最不讲武德·的物理攻击,将一根导体(比如直径3mm钢针)插入动力电池中,正负极直接短路,热失控速度超快,几乎是瞬间就开始对外喷射火焰。


内部短路与锂枝晶

内部短路很好理解,就是单体电池里头的正负极短接了,相当于自杀。自杀也分为快速自杀和慢性自杀两种,穿刺其实是内部短路当中的快速自杀,最凶险的一种,立即有报应,直接毁所有。


快充

快充之所以快,就是强行使锂离子快速从正极嵌出并嵌入负极,增大锂离子的流量与速度。强扭的瓜不甜,快充会影响SEI的稳定性,还会在短时间内带来比较大的发热量,发热也不均匀。


过充

如果过充电(over charge,充满了还继续充),就会有过量的Li+嵌入负极,正极则因为Li+的过度脱嵌导致结构崩塌(发热+氧释放),氧气的释放还会进一步造成电解质分解,电池内部压力增加,热失控风险大增。


过放电

如果过放电发生得过于剧烈,最低电压的那节电池就会发生“反极”(类比成泰国变性?),这节最弱小无助的电池会被其他串联电池进行反向充电,电压是负值,活性物质结构崩塌,等效成一个电阻,异常发热,Game Over。

如何解决“失控”

     功夫不负有心人
电池的安全性

电池的安全性,需要从电芯、PAC、系统、功能安全这4个层面去考察。目前新能源汽车领域的汽车制造商们推出了多种电池解决方案,包括比亚迪刀片电池、长城大禹电池、广汽弹匣电池等,都在电池热管理上做出了一定的创新与改变。

如何解决电池热失控

单个电池热失控时,其外壳温度越高,电池的热扩散会越迅速,这意味着临近的电池也会更快地升温而相继触发热失控,导致电池包的安全系数下降。针对此问题,比亚迪把刀片电池的液冷板布置在电芯上方,在电芯与电芯之间还设计了导热层,这样一来电芯的热交换面积就要比传统电芯大很多,有效的把电芯热量传递给水冷板。


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比亚迪董事长王传福2020年刀片电池的发布会上发出豪言壮语:要将“自燃”从电动汽车的字典里抹去。

接着比亚迪电动汽车自燃…


日产用的是三元锂电池,相比于磷酸铁锂电池,三元锂电池的结构性能更不稳定也更容易起火,但这是部分车企实现高密度、高续航里程的唯一选择。

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日产上面使用了日产定制化设计的超薄的方形锂电池模块,在散热上会有更好的体现,是在两块方形电芯之间加入一个散热片,再通过散热片把电池的热量传递到电池板下方的冷却回路里,日产在Ariya的电池包上使用的是液冷方案,这点和特斯拉、比亚迪这些主流车企采用了相同的方案。


但是日产还得考虑液冷方案怎么确保电池温度的一致性,如果采用最简单的单通道液冷设计,那流动方向最末端的电池永远是温度最高的,降温最慢的;液冷方案的最优解是设计往复流道,从而削弱了一半的温度差异,实现这个设计风冷不容易,因此液冷有难度,毕竟电池包内部空间有限。

安米微纳很早就有在电池自燃方面做探索,现行较为成熟的方案是在电芯与电芯之间放一块1.5毫米的阻燃硅橡胶,比液冷更“薄”,有效解决了电池包内部空间有限的问题。阻燃硅橡胶采用先进的复合材料工艺技术,材料柔软并具有弹性,可以阻挡1500℃以上火焰热流冲击30分钟,在电池热失控时,硅橡胶会成陶瓷态硬壳效果,全程控制火焰蔓延,为新能源汽车的乘员安全保驾护航。


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