長城汽車揭秘大禹電池核心技術(shù)

“在連續(xù)發(fā)生三次多個(gè)電芯集聚觸發(fā)熱失控，溫度最高達(dá)到1037℃，電池包內(nèi)氣壓達(dá)到三次高峰，瞬間最高氣壓約16kPa，通過尾部滅火盒設(shè)計(jì)，可以將外溢煙霧最高溫度控制在100℃以下。”

這是長城汽車披露的大禹電池的測試結(jié)果。

9月24日，長城汽車在北京舉辦了“大禹電池技術(shù)媒體品鑒會”，首次詳細(xì)披露核心技術(shù)。

大禹電池八大核心技術(shù)：熱源隔斷、雙向換流、熱流分配、定向排爆、高溫絕緣、自動滅火、正壓阻氧，以及智能冷卻，最終可實(shí)現(xiàn)“電芯化學(xué)體系全覆蓋”、“任意位置電芯” 、“單個(gè)或多個(gè)電芯”觸發(fā)熱失控的情況下都能實(shí)現(xiàn)不起火、不爆炸。

大禹電池技術(shù)兼容性也很好，可滿足未來不同化學(xué)體系電芯，以及不同PACK的應(yīng)用技術(shù)。

長城方面表示，大禹電池技術(shù)將于2022年全面應(yīng)用于旗下新能源系列車型。首搭項(xiàng)目為沙龍品牌第一款車型。

除了自用，大禹電池還對外開放專利。超60項(xiàng)專利，將免費(fèi)開放給全社會。

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“變堵為疏”的設(shè)計(jì)理念

“變堵為疏”應(yīng)該是大禹電池技術(shù)與其他電池技術(shù)最大的不同點(diǎn)。

在長城汽車動力電池設(shè)計(jì)總監(jiān)曹永強(qiáng)看來，電池安全涉及電化學(xué)安全、機(jī)械、電氣、整車集成、功能安全、熱安全等多個(gè)方面，是一個(gè)系統(tǒng)性的綜合問題。就電芯而言，目前行業(yè)內(nèi)通過正極摻雜改性、陶瓷涂層、特制電解液等技術(shù)來提升安全性，但電芯仍面臨內(nèi)部缺陷、一致性差異、濫用等挑戰(zhàn)，無法做到絕對“零熱失控”。

也因此，電池系統(tǒng)層面的安全就尤為重要。

長城汽車在電芯、模組、電池系統(tǒng)、整車四個(gè)層級，從電芯測試、系統(tǒng)匹配、安全設(shè)計(jì)、虛擬仿真、測試驗(yàn)證等多個(gè)維度，進(jìn)行矩陣式設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)電池安全防護(hù)。

“大禹電池”主要設(shè)計(jì)思想是“變堵為疏”，它改變了傳統(tǒng)以堵為主的電芯控制技術(shù)，將熱失控后產(chǎn)生的氣火流按照設(shè)計(jì)通道安全疏導(dǎo)出電池包外。

長城汽車動力電池設(shè)計(jì)總監(jiān)曹永強(qiáng)

用曹永強(qiáng)的話說，這是一個(gè)“控”、“導(dǎo)”、“疏”的過程?！翱亍笔前褵嵩赐ㄟ^材料在模組和電芯層級安全有效控制?！皩?dǎo)”通過雙向放流和定向排爆精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，讓它安全地沿著安全通道流動；“疏”在流動過程中會就近快速疏導(dǎo)到通道之中，在高壓之下快速排出包外，排出之后通過材料抑制減少長時(shí)間傳導(dǎo)。

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實(shí)現(xiàn)方式：八大核心技術(shù)

設(shè)計(jì)思路有了，技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面，長城汽車則通過熱源隔斷、雙向換流、熱流分配、定向排爆、高溫絕緣、自動滅火、正壓阻氧、智能冷卻這八大核心技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。

曹永強(qiáng)介紹說，這每一項(xiàng)核心技術(shù)中都有許多專利技術(shù)，目前已獲得數(shù)十項(xiàng)核心技術(shù)專利。

（1）熱源隔斷

首先是熱源隔斷，它的最主要優(yōu)勢是從電芯、模組兩個(gè)層級進(jìn)行雙重防護(hù)。

電芯方面，所有電芯間采用全新開發(fā)的雙層復(fù)合材料，既能隔離熱源，又耐火焰沖擊，有效解決了傳統(tǒng)氣凝膠不耐沖擊的痛點(diǎn)。同時(shí)結(jié)合不同化學(xué)體系電芯循環(huán)膨脹特性不同，設(shè)計(jì)雙層復(fù)合材料，既可有效解決電芯膨脹對空間的需求，又能隔離熱源。

模組方面，每個(gè)模組間都采用高溫絕熱復(fù)合材料，可阻止火焰沖擊和長時(shí)間傳熱傳導(dǎo)。防護(hù)罩設(shè)計(jì)定向排爆出口，能快速將模組內(nèi)部高溫氣火流排出，避免模組內(nèi)部熱蔓延。

（2）雙向換流

電池發(fā)生熱失控過程中會產(chǎn)生大量高溫、高壓氣火流，大禹電池技術(shù)通過對多種類換流通道設(shè)計(jì)方案仿真模擬，實(shí)現(xiàn)換流強(qiáng)度和比例的精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，有效控制熱源按預(yù)定軌跡流動，減少對相鄰模組的熱沖擊，可以避免再次引燃。

（3）熱流分配

則是通過搭建燃燒模型、熱力學(xué)與流體力學(xué)擬合仿真、沖擊強(qiáng)度和壓力計(jì)算等虛擬技術(shù)應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)氣火流在不同結(jié)構(gòu)通道內(nèi)的均勻分布。

曹永強(qiáng)介紹說，電池包之內(nèi)，他們設(shè)計(jì)了縱向通道，縱向通道和底部的換流通道是連通的，就是說它在氣壓的作用下，它會上下流動。

對于流動軌跡，曹永強(qiáng)他們也是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的?！拔覀兺ㄟ^大量的仿真，對于氣火流的強(qiáng)度和比例進(jìn)行精準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，它是要經(jīng)過我們對熱量的分析，氣流強(qiáng)度的沖擊的大小，溫度的變化，按照熱源軌跡去流動，避免對相鄰的電芯相鄰的模組產(chǎn)生急劇性的熱沖擊，引發(fā)第二次熱失控。”

（4）定向排爆

這是大禹電池最核心的技術(shù)。它是通過分流、導(dǎo)流、換流將火源快速引導(dǎo)至滅火通道并安全排出。該技術(shù)目前已攻克了通道內(nèi)壓力和流量均勻化調(diào)節(jié)的難點(diǎn)，消除了熱量集中，使氣火流在通道內(nèi)分層均勻流動。

曹永強(qiáng)解釋說，通過定向排爆和換流，可以使高溫氣體，例如NCM811電池，超過1000℃的高溫迅速降到200℃以內(nèi)。

（5）自動滅火

長城汽車在電池包的定向排爆出口，設(shè)置多層不對稱蜂窩狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)火焰快速抑制和冷卻，并通過多點(diǎn)化、均布化、小型化設(shè)計(jì)，有效減小體積、降低重量，提升降溫效果。此時(shí)，氣火流排出到電池包外的溫度已經(jīng)低于100℃。

對于熱源排出，長城汽車也是經(jīng)過設(shè)計(jì)的。曹永強(qiáng)說，熱源排出的位置是整車的一個(gè)安全區(qū)域，排出的氣體不會對周圍的人和物產(chǎn)生二次傷害，這就是定點(diǎn)排出的設(shè)計(jì)理念。

（6）正壓阻氧

根據(jù)蜂窩孔徑及單位氣體質(zhì)量流量，保持包內(nèi)壓力始終高于包外，避免因氧氣進(jìn)入導(dǎo)致二次燃燒。

在曹永強(qiáng)看來，正壓阻氧非常重要，因?yàn)檠鯕膺M(jìn)入導(dǎo)致的二次燃燒是非常爆裂式的燃燒，是很難抑制的。

因此，他們在通道和滅火設(shè)計(jì)時(shí)，滅火的孔徑大小尺寸，是經(jīng)過多次測試才選擇的最優(yōu)指標(biāo)，保證電池包的壓力一直高于電池包外，避免電池外部的空氣進(jìn)入到內(nèi)部。

（7）高溫絕緣

高溫絕緣就是對電池包內(nèi)的高壓部件進(jìn)行絕緣防護(hù)，因?yàn)樵跓釙r(shí)空過程中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的高溫絕緣層會被燒掉，電池包內(nèi)的金屬部件會起弧。

曹永強(qiáng)解釋說，一旦引起高壓起弧，金屬部件會瞬間被擊穿，電池包就會出現(xiàn)大的孔洞，火焰就會沖出電池包。

因此必須對電池包內(nèi)的高壓連接及高壓安全區(qū)域進(jìn)行高溫絕緣防護(hù)設(shè)計(jì)。

大禹電池技術(shù)結(jié)構(gòu)演示

（8）智能冷卻

長城汽車針對電池安全擁有智能冷卻監(jiān)控和自動冷卻啟動系統(tǒng)，當(dāng)電池管理系統(tǒng)識別到電芯已觸發(fā)熱失控，能夠通過BMS和云端雙重監(jiān)控，確保整車快速開啟冷卻系統(tǒng)，抑制熱擴(kuò)散。

曹永強(qiáng)尤其強(qiáng)調(diào)了他們一張大冷板的集成式設(shè)計(jì)?！斑B接軌道和接頭數(shù)量多，很容易導(dǎo)致破裂或接頭不良，從而導(dǎo)致整個(gè)冷卻系統(tǒng)失效?！?/p>

大禹電池冷卻系統(tǒng)采用單張大冷板與箱體集成設(shè)計(jì)方案，能有效避免管路因高溫泄漏和爆裂問題，并且可根據(jù)電芯和模組熱失控溫度狀態(tài)，智能調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的開閉時(shí)間、流速、流量等，實(shí)現(xiàn)不同熱失控條件下、高效冷卻策略。

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仿真分析：縮短開發(fā)周期和風(fēng)險(xiǎn)

為了驗(yàn)證大禹電池技術(shù)的安全，長城汽車通過仿真分析實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了整包級熱失控燃燒模型。據(jù)曹永強(qiáng)介紹，該燃燒模型實(shí)現(xiàn)氣流和火流多維度擬合仿真，顛覆了在熱失控領(lǐng)域先開發(fā)再測試的傳統(tǒng)方式，實(shí)現(xiàn)無實(shí)包條件下全數(shù)字化熱失控虛擬仿真。

曹永強(qiáng)說，傳統(tǒng)模式是先設(shè)計(jì)一款電池包，通過加工、制樣，再組裝，最后將電池包抬到測試地點(diǎn)進(jìn)行測試，再進(jìn)行線束采集監(jiān)測，周期長、人員投入大，還可能有很多情況監(jiān)測不出來。

為了解決這個(gè)問題，長城汽車開創(chuàng)了熱失控虛擬測試技術(shù)。在電池包設(shè)計(jì)完成之前，他們就可以開展熱失控測試，在電池包設(shè)計(jì)凍結(jié)之前，他們已經(jīng)開展了幾十上百次的熱失控測試，因此他們對電池包內(nèi)的每一個(gè)位置的溫度，每一個(gè)電芯的狀態(tài)，都非常清楚。

電池包里面的實(shí)時(shí)壓力，也可以通過仿真手段在前期識別出來，這對他們工作起到了極大的便利性，因?yàn)樗麄兛梢灾烂總€(gè)原器件、防護(hù)件需要承受多少壓力，他們根據(jù)壓力直接選型即可。

他們還仿真了電池包熱失控后，溫度在電池包如何擴(kuò)散，擴(kuò)散到不同維度、層面所帶來的影響。曹永強(qiáng)介紹說，他們完全能夠?qū)崟r(shí)的掌握流量分配，并且可以提取流量大小，熱量的多少等數(shù)值，并據(jù)此來調(diào)整冷卻系統(tǒng)的工作模式。

可以說，通過這個(gè)模型，長城可以提取電池包內(nèi)任何剖面、任何結(jié)構(gòu)熱失控的參數(shù)，對熱失控的全周期狀態(tài)都能進(jìn)行預(yù)測。在曹永強(qiáng)看來，這是實(shí)際測試條件下不可能做到的。

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測試結(jié)果及應(yīng)用領(lǐng)域

當(dāng)然，設(shè)計(jì)效果如何還得靠測試驗(yàn)證。

依據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)：GB 38031－2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，長城汽車選取行業(yè)最具挑戰(zhàn)的三元811體系高鎳大容量電芯進(jìn)行測試。

通過加熱方式進(jìn)行熱失控觸發(fā)，采用兩個(gè)電芯連續(xù)觸發(fā)的測試方式，觸發(fā)位置選擇了模組的中間電芯。

測試中連續(xù)發(fā)生3次多個(gè)電芯集聚觸發(fā)熱失控，溫度最高達(dá)到1037℃，電池包內(nèi)氣壓達(dá)到三次高峰，瞬間最高氣壓約16kPa，通過滅火系統(tǒng)抑制電池包外溢煙霧最高溫度低于100℃，避免對周圍產(chǎn)生二次傷害。

曹永強(qiáng)解釋說，對于三元811體系電芯而言，雖然針刺和加熱劇烈程度相當(dāng)，但加熱產(chǎn)生的大量熱源要比針刺嚴(yán)苛的多，所以測試采用加熱觸發(fā)。

當(dāng)然電池技術(shù)的兼容性也很重要。大禹電池技術(shù)不僅可滿足未來不同化學(xué)體系的電芯，還能滿足不同PACK的應(yīng)用技術(shù)，包括，未來CTC（Cell to Chassis）電池PACK與融合的技術(shù)。

針對媒體關(guān)注的成本和電池包重量是否增加方面。曹永強(qiáng)表示，他們選取的這些材料都非常容易購買，而且作為技術(shù)提升，他們沒有額外增加電池包的重量，在局部上還減少了材料應(yīng)用，因此成本和電池包重量上都沒有明顯變化。

產(chǎn)業(yè)化方面，大禹電池技術(shù)將于2022年開啟對長城汽車旗下新能源系列車型的全面應(yīng)用。其中，沙龍品牌第一款車型即將首搭大禹電池技術(shù)并亮相。

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