近10年來,新能源電動車規模快速增長,長里程高性能電動車越來越多,普遍採用的高比能大容量三元電池,能量密度大幅提升帶來的電池熱失控安全風險陡增。行業內新能源電動車失火事件呈現歷年增長趨勢。據不完全統計,2020年市場上已發生幾百餘例。
圖1 歷年電動車失火統計
縱觀分析失火電動車,大多數採用高比能三元方形、軟包電池。因生產一致性等因素必然存在某些電芯會發生爆炸的概率,且爆炸能量巨大。但多數車企和電池製造商沒有認識到風險,沒有解決單個電芯爆炸引發電池包熱失控這一行業重大技術難題,推出的高性能長里程電動車本質是不安全的,導致車輛失火頻發。
據路透社和英國《金融時報》網站等多家西方媒體報道,2月24日,現代汽車宣佈:由於電池系統組件存在缺陷,該公司將從3月29日起,在全球範圍內召回旗下KONA和IONIQ電動版等共計8.1701萬輛相關電動汽車。
圖2 KONA電動車起火事件
3月23日,國家市場監督管理總局發佈通告,"北汽向國家市場監督管理總局備案了召回計劃,決定自2021年3月24日起,召回2016年11月1日至2018年12月21日生產的EX360和EU400純電動汽車,共計31963輛。"召回通告稱:本次召回範圍內車輛,由於部分車輛動力電池系統的一致性差異,在高温環境下長期連續頻繁快充,可能導致個別單體電池電芯性能劣化,極端情況下引發偶發失效,引起動力電池起火風險,存在安全隱患。
圖3 北汽電動車召回通告
電池能量密度的提升,帶來了重大的安全隱患。高比能電池的安全問題,是制約電動車技術成熟的首要難題,是電動車產業規模化必須解決的核心命題。
十年技術迭代,電池成組技術誰領風騷?
在電動車安全備受關注的同時,行業內湧現了一系列先進的電池技術,其中能解決熱失控安全的主要技術方案有:比亞迪的刀片電池,廣汽發佈的彈匣電池,思皓新能源發佈的蜂窩電池。
刀片電池是電芯技術的創新,大尺寸的磷酸鐵鋰電芯,定製化的電芯尺寸,可以實現電池包體積成組效率的提升。磷酸鐵鋰體系的刀片電芯,本質是安全的,但其低温性能差,冬季整車續航里程明顯縮短,不適用於長里程高性能的車型。同時全新的電芯方案,需要大手筆地投入,也需要逐步解決電芯生產工藝的成熟度問題。
圖4 刀片電池技術
至於彈匣電池,從發佈會透露的信息來看,能夠從電池包層級通過三元電芯的針刺試驗。電池包被堅固的包裹在白色工裝中間,起到了一定的輔助增強作用;大方形或軟包三元電芯熱失控時釋放的能量巨大,如果電池包裝配在整車上,電芯出現熱失控時,其電池包結構的完整性不得而知。彈匣電池艙的穩定性否經受住實車檢驗、市場檢驗,仍需進一步觀察。因此,彈匣電池目前仍處於試驗研究階段。
圖5 彈匣電池技術
思皓新能源提出蜂窩電池的技術方案,與Tesla電池技術路線一致,具備三大技術優勢:①單個電芯能量小,安全易控;②佈置靈活度高,可充分利用電池包空間,電池包能量更大;③散熱面積大,便於電池包熱管理,實現快速冷卻與加熱,整車全天候可用。
圖6 蜂窩電池技術
因此對用户來説,搭載蜂窩電池的思皓新能源,其安全性、續航能力和極端氣候的環境適應性,都具有優勢。第一,蜂窩電池採用蜂巢結構的仿生設計,類似新冠病毒的防控,即使某個電芯出現熱失控,周邊電芯不受任何影響,從而避免整個電池包的起火。
其次,就其續航能力而言,蜂窩電池的能量密度比一般的動力電池要高,因為電芯的尺寸小,模組結構也更加的靈活,蜂窩結構的組合極大的提升了電池包的最大能量,搭載蜂窩電池的思皓新能源E50A純電動轎車續航能力高達530km,絕對領先同級別產品。
圓形電芯匹配蜂窩結構,實現100%熱交換,相比方形及軟包電池,熱交換面積增大10倍以上;類似於蜂巢的結構,極大地減少了電芯因為温度的影響而出現的能量衰減的情況,利於發揮最佳性能;冬季低温時鋰電池快速加熱,減少了續航里程縮水,夏季高温時電池快速冷卻,有效延長了電池的使用壽命。
歷經十五年的迭代開發,思皓新能源堅持高比能小容量圓形電池技術路線,開展機理探索、迭代開發、技術固化三階段產業實踐,基於單個電芯爆炸車輛不失火的理念,提出了電池熱失控的四個特徵温度,攻關突破了電芯定向爆炸、模組電隔離與熱隔絕、整車一體化智能温控系統、全天候故障診斷策略等核心技術,研發出五層次高安全蜂窩電池技術方案,國內獨家解決了車規級動力蓄電池熱失控安全難題。截至2021年,應用蜂窩電池技術的2萬輛思皓新能源電動車近五年使用,監控到7例電芯爆炸但車輛未起火,實車實證了蜂窩電池技術安全可靠。
結束語
受電芯生產一致性影響,全球範圍內無法杜絕單個電芯爆炸問題,因此電池熱失控安全問題當下難以從主動安全角度解決。只能從被動安全角度,通過"機-電-熱"耦合防護,系統解決。
磷酸鐵鋰電池天生安全,是A00級別整車的最佳選擇;現階段,長里程電動車必然應用三元電池,其熱失控安全必須從系統方面解決,單個電芯能量越大,越不可能實現。
蜂窩電池技術方案填補了國內高比能電池安全技術的空白,領先同行3-5年,科技鑑定技術成果達國際領先水平。解決了高比能三元電池熱失控的問題,能夠實現能量密度、功率性能與安全性能的平衡,奠定了500km以上長里程電動車的產業化基礎。可見,蜂窩電池技術將為新能源電動車的高質量發展奠定堅實的基礎。