有惊无险 聊比亚迪刀片电池针刺实验

来源:love爱博体育平台 作者:爱博体育官方平台下载 发布时间:2022-09-25 04:21:05 1次浏览

  将应用于比亚迪韩车型的刀片磷酸铁锂电池,提高了电池组的整体能量密度,进一步延长了汽车的续航里程,在续航里程上接近采用三元锂离子电池的主流车型。目前,基于磷酸铁锂电池的刀片电池在安全性和抗容量衰减方面比三元锂离子电池更具优势,使其重新获得乘用车消费者的关注。近日,比亚迪电池实验室对刀片电池进行了严格的针测。作为对比,在现场对普通磷酸亚铁锂和三元锂离子电池样品进行了相同的测试。让我们来看看当这三种电池被钢针刺穿时会发生什么。

  虽然美国国家公路交通安全管理局认为,电动汽车的起火概率低于柴油和汽油动力汽车,我国消防应急管理部门也表达了类似的观点,但每当有纯电动汽车自燃的消息时,总是会引起人们的注意。国家新能源汽车大数据联盟数据显示,去年5月以来发生事故的车辆主要是2021年生产的车辆。其中,事故车辆86%为三元锂离子电池,7%为磷酸铁锂电池,7%不确定。与电池有关的自燃事故大多与电池热失控密切相关。

  那么什么是热失控呢?电池的热失控是指电池内部化学反应的生热速率远大于散热速率,大量的热量在电池内部积聚,导致电池温度迅速升高,最终导致电池起火或爆炸。

  与2015版相比,最新强制性国家标准有明显变化。2015版除了对现有项目进行修订外,取消了模块级安全测试、电池针测试、电池跌落测试、电池低压测试、电池海水浸泡测试、电池跌落测试和电池翻转测试,增加了电池组热扩散测试和过流保护测试。在实施层面,由于新国标尚未正式实施,企业可以选择性实施新国标规定的过充和热扩散试验,2021年国标强制规定的针刺试验现在作为可选项目由企业选择性实施。

  在这次针刺测试中,除了比亚迪最新的刀片电池,为了对比,我们还找到了常见的磷酸铁锂电池和NCM622三元锂离子电池进行测试。我们需要看看这三种电池在严苛的针刺测试下表现如何。

  本次针刺测试的电池样品均为比亚迪生产的汽车动力电池电芯,每个电芯的单体容量均在100Ah以上。从上图可以看出,普通磷酸铁锂电池和NCM622三元锂离子电池在外观和结构设计上没有太大区别。叶片明显不同于上述两种,其阳极和阴极分别设置在电池长度方向的两端。

  既然今天针灸测试的主角是刀片电池,首先我们要对它有一个大概的了解。比亚迪的刀片电池是什么样的东西?技术有多先进?现在我给大家科普一下。

  根据之前公布的消息,韩春电动版车型将配备一个重量为549千克、容量为77千瓦时的电池组。根据刀片电池单体的参数,电池组将集成200多个刀片电池单体。

  通过比亚迪CTP设计,将电池包壳内空的利用率从传统设计方式的40-50%提升到60-80%。新设计的直接好处就是在采用原有磷酸铁锂电池技术的前提下,大大提高了纯电动汽车的续航里程。面对上刀片电池,进行了简单的科普,更详细的技术分析可以在下面文章的相关介绍中找到。

  按照GB/T 31485-2015的针刺试验方法,给电池充满电,使用直径5-8毫米的耐高温钢针以毫米/秒的速度从垂直于电池板的方向刺入,刺入位置应靠近被刺穿面的几何中心,钢针应留在电池内观察1小时不着火。

  当单个电池的热量失控时,其外壳温度越高,电池之间的热扩散越快,这意味着相邻电池会更快升温,并相继触发热失控,导致电池组的安全系数降低。如果实验中的鸡蛋被快速油炸,说明电池被针刺时明显失控,导致电池温度急剧上升。

  针灸试验是在比亚迪的电池实验室进行的。由于实验室的保密性和安全性,我们无法拍摄电池针刺过程,所以我们将通过实验室专用的官方监控摄像头拍摄的视频进行讲解。

  首先我们要做的是NCM622三元锂离子电池的针刺测试,相信是观众最关心的部分,因为目前国内纯电动汽车很大一部分使用三元锂离子电池。对三元锂离子电池有一定了解的朋友应该知道,车用三元锂离子电池很难通过针刺测试。只要针刺触发内部短路,电池就会立即失去对热量的控制。让我们用测试来看看三元锂离子电池在针刺测试中会有什么反应。

  从实验现象中我们可以知道,当钢针刺穿电池导致三元锂离子电池内部短路时,极高的升温速率会使三元正极材料迅速达到200摄氏度左右的分解温度,三元正极材料会高速分解产生大量的游离氧,这将进一步增加各种化学反应的发热,增加电池内部的升温速率,也使电池的内压迅速上升。电池内部迅速上升的压力迅速推开泄压阀,内部高压电解液喷涌而出。此时外部空气体进入电池,电池内部残留的新鲜空气体+极高温度+可燃电解液爆炸起火。

  接下来我们切换到普通磷酸铁锂电池。钢针从中心穿透电池内板。钢针刺入电池后,电池电压开始下降,电池外壳膨胀到一定程度,说明电池内部短路导致内部压力快速上升,随后泄压阀打开,电池内部高压电解液喷出,随后电池外壳温度随着电压快速下降而快速上升,最高达到239摄氏度。随着电池的内容物全部通过减压阀喷出,电池外壳的温度开始慢慢回落,直到观察期结束。穿孔位置附近的鸡蛋已经被高温外壳煮熟,说明测试时电池外壳温度较高。

  磷酸铁锂电池热失控反应不如三元锂离子电池严重的原因是其正极材料分解温度在500℃以上,热失控温度高于三元锂离子电池,热失控风险相对较低。此外,磷酸铁锂电池正极分解时产生的氧气量较少,限制了内压的增加和温度的升高。一方面可以避免电池内部压力过大的爆炸,另一方面也在一定程度上限制了易燃电解液燃烧的可能性。在磷酸亚铁锂的热失控试验中,其升温速率远低于三元锂离子电池,这也是其安全系数较高的重要特点之一。

  从实验现象可以看出,用针刺触发普通磷酸铁锂电池内部短路会导致热失控。当普通磷酸铁锂电池失去对热量的控制时,电池内部的温度和压力会迅速升高,导致电池外壳鼓包到一定程度,碰到排气阀打开。虽然视频的效果看起来惊险,但在整个测试过程中,电池并没有起火爆炸,安全性还是值得肯定的。值得一提的是,泄压阀是一种热失控保护措施,在本次试验中发生热失控时,适时开启,证明该措施是有效的。

  最后,我们测试了刀片电池。钢针从中心穿透刀片电池的极板后,电池的压降和表面温升都很轻微,穿刺处没有火花、烟雾或电解液,电池壳也没有鼓包。穿刺后一小时内,穿刺刀片电池的电压和表面温度非常稳定,穿刺位置附近打中的鸡蛋没有被炸的趋势。

  看到这里,一些购买了三元锂离子电池纯电动汽车的朋友可能开始坐不住了。换成用磷酸铁锂电池的型号安全吗?等一下,以上测试是电池单体的部分安全测试。虽然三元锂离子电池电芯的安全系数较低,但通过优化电池包结构设计,严格监控电池管理系统,可以提高该类型电池在电池包层面的安全系数。请继续往下看。

  从车辆安全的角度来看,新国标增加了新的热扩散试验,要求电池组或电芯热失控引起热扩散,会导致乘员舱危险,并为乘员提供预警信号,提醒其撤离。热扩散试验的目的是为了提高电动汽车在使用中的安全性,保证用户的人身安全。

  有朋友会问,现在热度失控报警还来得及吗?要回答这个问题,首先要了解电池组的结构。电池组中有几十到几千个电池单元,一个电池单元的热失控不会立即触发相邻电池单元的热失控。所以,电池组真正烧到损害人身安全的程度,其实是有一个过程的。虽然三元锂离子电池热失控的安全系数相对较低,但通过电池单体泄压阀的设计,在电池单体之间加入隔热材料,可以有效防止热扩散,减缓或避免其他电池单体的热失控,延长乘客的逃生时间。

  因为针刺不是常规的电池失效模式,所以电动汽车的电池组或电芯在日常使用中极难针刺。然而,在严重的碰撞事故中,电池单元变形导致热失控是一种常见的故障模式。通过加强电池组和周围保护结构的强度,可以更好地避免电池单体压缩变形引起的热失控。

  总的来说,目前量产车型搭载的三元锂离子电池安全系数较低,但通过对电池组和电池管理系统的优化设计,可以在使用层面提升这种电池技术的安全性。目前国标的基本要求还是比较严格的,消费者不需要谈三元锂离子电池的变色问题。

  目前就国内技术水平而言,安全指标在一定程度上限制了三元锂离子电池组整体能量密度的进一步提升,而较低的单体能量密度则限制了磷酸铁锂电池组或刀片电池组整体能量密度的提升。相比之下,未来几年,磷酸铁锂电池或刀片电池组将通过电池技术优化和无模组电池组设计优化,使电池组整体能量密度提升空,甚至可以超越受安全指标限制的三元锂离子电池组。

  三元锂离子电池单体热失控的安全系数较低,但通过加强电池组外壳强度、完善电池管理系统中热失控的检测预警机制、使用隔热材料降低热扩散速率等措施,可以有效增强电池组的整体安全系数,从而满足汽车动力电池国家标准的安全要求,提高其使用水平的安全性。磷酸铁锂电池/刀片电池的能量密度相对较低,但其热失控安全系数远高于三元锂离子电池,有利于利用模块化设计进一步提高电池组整体能量密度,增加电动车续航里程,从而在安全性和续航性之间达到更好的平衡。

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