热失控防护的新挑战与新方案

动力电池热失控防护领域出现了一个新的防护思路，一个新的防护挑战。

1、矛与盾的概念

新防护思路称之为“热-电分离”，新防护挑战可以称之为“热-电耦合”，这两个概念从字面意义上看是矛与盾的对立关系，有热电分离，就不应该再有热电耦合，但实际上这二者所对应的场景不同。

热电分离是去年中创新航与宁德时代同时提出来的一个概念，大体的意思是将电芯的防爆阀位置/朝向与电芯极柱分离开，不在同一个方向，这样在发生热失控的时候，能最大限度降低对整个电池包电气安全的影响。

而热电耦合则是我们在研究比亚迪CTB和特斯拉4680电池包过程中发现的一个现象，尤其是比亚迪的CTB，让我们意识到当电池系统集成技术到达CTB和CTC时，整包必然面临的这个新问题和新挑战。在详细阐述这个挑战之前，有必要系统地梳理下动力电池的热失控防护历程，以便我们可以从一个全局视角来看待、理解热失控的防护方案和它背后的演变逻辑。

2、动力电池热失控防护要求及技术演变

热失控并非是在动力电池应用之初就被发现和率先应对，而是伴随单电芯比能的提高和系统集成度的提高而凸显出来的安全问题。为什么这么讲？

纵观国内电芯技术迭代，在早期磷酸铁锂（LFP）时期，LFP的优越安全性让热失控问题极少出现；随着电芯转向三元材料，人们首先关注到的三元(NCM111/NCM523等)电芯的膨胀力，并在这个问题上持续攻关，热失控依然没有成为主要焦点；到了后面，高镍三元（NCM811等）的出现，热失控问题在全行业内迅速爆发了出来，大量的自燃烧车事件，让热失控持续成为产品开发的重点和难点。也就是在这个时期，行业内涌现了多种多样的热失控防护材料与方案，并逐渐形成针对方形电芯较为成熟的被动防护方案。我们以云母的应用为例，可以更清晰地理解这个过程。

（1）云母最早应用于动力电池的热失控防护是从特斯拉Model S（2011年量产）开始的，这个时期特斯拉已经率先采用了NCA三元电芯，其比能、安全性与NCM811相当，因此，特斯拉更早地意识到热失控问题并对其采取了系统性的防护；

（2）2016年之前，国内吸收海外电芯技术路线，处于由磷酸铁锂向三元转换的阶段，在应对电芯膨胀力、隔热方面形成有效的技术，也是后续热失控电芯层级的方案基础；

（3）2016~2019年，受补贴政策的催生，国内电芯材料技术快速迭代，很快历经NCM523，直接跳至NCM811；此时，特斯拉推出了2170版Model 3，延续使用云母作为热失控防护的主要方案，而使用NCM622电芯的欧洲车型i-Pace、北美车型Bolt EV也开始大面积使用云母作为防护手段，国内企业开始跟进；

（4）2019~2022是国内企业热失控防护技术形成的主要阶段，自2019年全球首个NCM811量产电芯搭载于宁德给宝马供的X1 PHEV升级版以来，在各企业不同车型上，NCM811电芯应用初期带来的严重的自燃等安全问题，倒逼行业一方面重新回到NCM523路线上，另一方面继续优化电芯同时加强系统性的热失控防护。加之国内热失控强制标准于2020年正式实施，让以云母为代表的被动热失控材料和方案急速地推广开来，几乎成了标配。

（5）随着比亚迪刀片电池的推出，高集成度的CTP与CTB，热电耦合的问题更为突出，这让云母也渗入到了磷酸铁锂的系统集成中，并且随着集成度的提高，云母的用量、应用形式在不断增大。

除了云母，这个时期热失控防护的其他材料还包括：泡棉（+回形框）、气凝胶（主要为预氧丝气凝胶和陶瓷气凝胶）、相变材料、防护涂层和硅橡胶（国内俗称哥斯拉）等，这些材料的应用对比如下：

整体上来看，气凝胶、泡棉和硅胶垫更适合于电芯之间，云母则在电芯间以及模组/Pack层面均有广泛应用。实际应用来看，方形电芯间以气凝胶垫为主，模组及PACK层级哥斯拉早期有少量应用（包括上汽ER6，高合Hiphi等，以防火罩的形式），后续绝大多数切向了云母，哥斯拉的主要问题是成本高、质量重、占空间，对于空间体积敏感的乘用车不太适合。

3、代表车型的热失控防护方案

在具体防护应用时，往往是采用不同的方案组合，这里我们以几个代表性车型来看下系统层级的方案：

Model S-2011 : 云母板（模组的上下方向）+平衡防爆阀组件+纵横梁隔断；

Model 3-2017: 云母板（下箱体内表面）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；

i-Pace-2018 : 云母板（模组-上盖之间）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；

高合Hiphi-2018 :哥斯拉防护罩（每个模组区）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；

上汽ER6-2020 : 哥斯拉防护罩（整个PACK内）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；

爱驰U5－2019：哥斯拉垫（粘于模组上方）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；

X1 PHEV－2019：云母板（模组上）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；

北汽EU5(CTP1.0)-2020：云母板（模组上）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；

小鹏P7－2020：云母板（3大块，模组-上盖之间）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；

大众ID.4-2020：云母板（模组汇流排上方）+防火涂层（上盖内外表面）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；

蔚来100kWh(CTP1.0)-2020：云母板（整片粘于上盖内表面）+云母纸（模组汇流排上方）+云母纸（模组电芯侧边）+云母纸（箱体某些部位）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；

Model S Plaid-2021: 云母板（整片，模组与上盖之间）+云母纸（箱体某些部位）+云母纸（高压汇流排裹覆）+云母板（高压汇流排裹覆）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断；

阿维塔（CTP2.0）-2021：云母板（电芯区与上盖之间）+云母纸（电芯区汇流排上方）+云母纸（箱体某些部位）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断。

从上述方案可以看出，随着系统集成度的提高，除了需要对热失控中的“热”也就是高温进行防护，增加了对于部分裸露（箱体）金属件的裹覆，主要是进行高温下的绝缘，以防电弧、短路的产生。这是因为在CTP/CTB和CTC方案中，电芯与箱体金属件接触地更紧密、一些高压连接之间接触的更紧密，传统的电气安全方法已不能满足此时的“电”安全。云母纸裹覆成为应对高温下绝缘为数不多的一种有效手段。

4、比亚迪海豹CTB的“热-电耦合”

除了电芯与箱体的金属结构件接触得更紧密，对于比亚迪海豹CTB和特斯拉4680电池包来说电芯与人之间的距离也更近了，因为电芯与人之间有且只有一层金属上盖板组件！电芯与下箱体、电芯与上盖都是通过胶粘直接相连的，一旦发生热失控，电芯是极容易与上盖或下箱体产生电弧或短路，造成热失控条件下的二次电危害并且可以快速地传递到人！这正是“热-电耦合”，即使电芯的泄爆阀朝下，也很难对此时的热电交融进行分离。

因此，我们看到比亚迪海豹采取一系列的组合方案：

上盖（钢板内表面+玻纤）+箱体4个内侧壁（云母板）+电芯组端面（低密度灌封灰色胶）+电芯与冷板接触面（云母纸）+电芯侧面与箱体/纵粱（气凝胶+塑料支架+灌封灰色胶）+箱体（某些部位绝缘板）+平衡防爆阀组件+纵粱隔断。

这是目前最复杂的防护方案，总的出发点就是“将电芯与金属件尽可能地物理隔离开”，大量使用耐高温、绝缘性好、体积轻薄的材料，比如云母。

电芯技术的升级和转换是一个长期的过程，因此，当前的热失控防护技术基本都是以“云母+胶粘”建立起来的方案，还包括方形电芯间的气凝胶和软包电芯间的泡棉，在很长一段时间内都将是采用它们及其衍生体。

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