对于圆柱电芯方案的坚持,除了特斯拉还在这条技术路线上不断进化和迭代,国内能跟进的企业已经不多了,大都放弃了圆柱电芯的方案,小鹏汽车和江淮汽车是为数不多仍在使用圆柱电芯方案的代表性企业。
江淮汽车在圆柱电芯的技术路线上大概历经了三代时期,逐渐形成了现在蜂窝电池技术。
我们这里重点来看下它的热失控5层次防护设计。
一、电芯安全设计:
电芯的高安全的设计,主要通过以下几个方面来实现,包括:
(1) 外壳体:材质上,采用塑性、抗拉性能更佳的SPCC钢材实现钢壳的硬度;结构上,厚度提升30%,以降低壳体发生撕裂、熔洞的概率;
(2) 盖帽结构:采用无顶盖设计(与特斯拉21700类似,此前的圆柱电芯为三角形或圆形设计),这可以增大电芯喷发时的排气通道;
(3) 定向爆破:这个主要通过以下几个方面来保证的,正负极Vent 刻痕深度和直径、内部CID结构调整、负极安全阀爆破阀值以及正极Vent开启压力值调整,总的思路就是在电芯上制定出薄弱环节,在发生爆破时,让电芯结构上的破裂从设定的位置打开,从而避免壳体出现撕裂和熔洞,进一步避免直接喷向周边电芯;
(4)隔膜:采用表面添加复合材料陶瓷涂层的隔膜,提升其亲液及耐高温性能。
二、模组安全设计:
主要实现电隔离和热隔离。
电隔离主要由柔性fuse+集流板+云母片构成,这个组合相较特斯拉的设计引入了云母片,云母片具有较高的绝缘性能和耐热性能,既可实现电隔离也能进行热隔离。电隔离比较难的系统性设计在于如何避免模组的二次外短路现象。即电芯发生爆喷时,熔化的集流板可能会导致电芯正极盖帽和负极钢壳搭接,引发同串短路或跨串短路。
热隔离主要通过固定夹板+蛇形扁管+云母片(原图中没有将该结构划入这个功能)+灌封胶。热隔离要实现三个基本功能,一是要能抗住电芯热失控带来的高温灼烧,所以固定夹板采用耐高温度的塑料,以便能在高温下保持结构,避免坍塌;二是能快速将热量散出去,这个基本就是靠水冷系统来实现的;三是能隔断向周边电芯的热辐射和热传递,这个主要靠云母和灌封胶来实现。灌封胶本身也实现了氧的隔离。
热失控监测设计:
模组层面还需要实现对于电芯热失控的监测,江淮主要通过监控板来检测电池热失控信号。这个监控板主要由两部分构成:锡丝、云母片。锡丝依照电芯排布进行布置,确保每一颗电芯正负上方均有锡丝经过。每个模组监控板实行串联,与LBC 检测端口连接。
锡丝的内阻较大,所有模组监控板串联在一起后,阻值达到120Ω左右,电池模组间一个监控板发生断路,该阻值就会远大于120Ω。当监控板回路正常时,检测电压为0V 左右,当监控板发生断路时,检测到电压为5V。LBC 则通过检测电压判定电池包内电芯是否发生热失控。
三、电池包的安全设计:
主要是结构层面的。
(1) 确保模组与壳体之间的排气间隙,这个通过模组顶部的EPDM垫片来实现;
(2) 防爆排气阀;
(3) 高强度壳体,纵横梁设计,应用DP780 双相钢、DC54 深冲钢、AL6061型材等;
(4) 整车前部防防托底防撞梁(采用AL6063 材质,T6 处理)。
四、整车的安全设计
对于热失控,整车在收到热失控故障后,主要做的工作有两个:一是最大速度启动冷却系统,将热量排出,避免整包的热失控,具体流程如图7 所示;二是发出警报,通知用户。
从车辆的实际应用情况来看,江淮自己摸索的这一套产品方案还是有其成效的。
在过去几年内,累计监控6 例电芯爆喷故障车辆,模组未扩散,整车也没发生起火爆炸。
每一种电芯都有其适用性,尽管方形和软包在国内已经是实质上的主流,但圆柱电芯只要适用于你自己的车型就好。我觉得国内车企如江淮,可以在圆柱这条线上继续跟进特斯拉的节奏,下一阶段朝向4680电芯迈进,同时正向开发自己的CTP或CTC技术,这仍然很有竞争力!
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