強標實施后，動力電池安全防護技術成車廠角逐新焦點2021-03-23 08:27
近日，多個汽車廠家相繼發(fā)布了各自最新的三元鋰電池安全防護技術，一時間，“不起火”、“不爆炸”甚至“不冒煙”的三元鋰電池層出不窮。
三元鋰電池安全防護技術取得重大突破
3月10日，廣汽埃安率先發(fā)布了新一代動力電池安全技術——彈匣電池系統安全技術（以下簡稱“彈匣電池”）?；?ldquo;防止電芯內短路，短路后防止熱失控，以及熱失控后防止熱蔓延”的設計思路，彈匣電池采用類似安全艙的設計，可有效阻隔熱失控電芯的蔓延、當偵測到電芯電壓或溫度等出現異常時，自動啟動電池速冷降溫系統為電池降溫。
為了驗證彈匣電池的安全性，廣汽埃安還公布了中國汽車技術研究中心的測試視頻，對搭載了彈匣電池系統安全技術的三元鋰電池整包進行針刺熱擴散試驗。試驗結果顯示，彈匣電池整包在試驗過程中熱事故信號發(fā)出5分鐘后，僅出現短暫冒煙，無起火和爆炸現象。
3月17日，嵐圖汽車通過線上技術分享會的形式，對旗下首款量產車型嵐圖 Free 搭載的三元鋰電池包進行了全面的解讀。嵐圖汽車表示，嵐圖FREE電池包主要有三大優(yōu)勢：首創(chuàng)“三維隔熱墻”技術、BMS獨創(chuàng)電池安全監(jiān)測和預警模型、高安全電池PACK方案。在這三大黑科技的加持下，新電池包在熱失控觸發(fā)并發(fā)出熱事件報警信號后，不冒煙、不起火、不爆炸。
緊隨嵐圖汽車之后，R汽車在3月18日的品牌大會上宣布，R汽車基于航空級標準，能夠實現L0級別零熱失控管理。通過云端實時監(jiān)控高效主動預警，為每一塊動力電池做云端健康體檢，將電池包因電芯問題導致的熱失控概率控制在無限接近于零的范圍內，做到永不自燃。
研究表現，由于熱穩(wěn)定性相對較差，三元鋰電池在某些極端環(huán)境下易發(fā)生熱失控起火。但是，與安全性能相對較高的磷酸鐵鋰電池相比，三元鋰電池又因能量密度高、低溫性能好、倍率特性好等特點，常用于高端電動品牌。因此，如何讓三元鋰電池在高性能和高安全上達到平衡，成為產業(yè)多年研發(fā)的重點。
而此次，不論是廣汽埃安的彈匣電池，還是嵐圖FREE的“不冒煙，不起火，不爆炸”電池，亦或是R汽車L0級別零熱失控管理的永不自燃電池，整車廠在三元鋰電池的安全防護技術方面可謂取得了不小的突破。
多維度創(chuàng)新，三元鋰電池達到“三不”水準
新能源電池研發(fā)專家表示，三元鋰電池系統要實現“不起火”、“不爆炸”甚至“不冒煙”，需要從材料、電極、電芯、系統等多個維度進行創(chuàng)新設計與研發(fā)。
當前較為主流的實現路徑有兩種，一是從電芯本體出發(fā)，通過材料本體物性改善、添加阻燃劑等方式，讓電芯在出現極端情況下，中間的本體發(fā)生變更，比如起到熱量吸收、表面鈍化、阻斷膨脹、機械實效的效果等，以此實現電芯不起火；二是從模組及系統層級出發(fā)，添加氣凝膠等物質及設計，即便是一顆電芯出現極端情況也不會影響其他電芯。
以廣汽埃安彈匣電池為例，據官方介紹，該電池包就是從電芯材料、電池結構、冷卻系統和電池管理系統四個緯度來提升動力電池的安全性。
具體來看，電芯材料方面，通過正極材料的納米級包覆及摻雜技術的應用，提升電芯熱穩(wěn)定性，防止熱失控；電解液應用新型添加劑，可實現SEI膜的自修復，改善電芯壽命；高安全電解液能在高溫下自發(fā)聚合形成高阻抗特性聚合物膜，大幅降低熱失控反應產熱。這些關鍵技術的應用，使得電芯的耐熱溫度提升30％。
電池結構上，通過網狀納米孔隔熱材料和耐高溫上殼體，形成超強隔熱安全艙，實現三元鋰電芯熱失控不蔓延至相鄰電芯，電池包上殼體能耐溫1400℃以上。
冷卻系統方面，通過全貼合液冷系統、高速散熱通道、高精準的導熱路徑的設計，彈匣電池實現散熱面積提升40％，散熱效率提升30％。
電池管理系統采用車規(guī)級最新一代電池管理系統芯片，可實現每秒10次全天候數據采集，相比前代系統提升100倍，以24小時全覆蓋的全時巡邏模式，對電池狀態(tài)進行監(jiān)測。
在上述四大核心技術的加持下，彈匣電池整包在試驗過程中熱事故信號發(fā)出5分鐘后，僅出現短暫冒煙，無起火和爆炸現象。廣汽埃安還表示，彈匣電池相對于同類普通電池，體積能量密度提升9．4％，重量能量密度提升5．7％，成本下降10％。根據計劃，彈匣電池今年將在廣汽埃安全系列車型上陸續(xù)搭載。
相較之下，嵐圖FREE電池包的防護技術在做到“不起火、不爆炸”時，還可實現“不冒煙”。而實現這一性能的關鍵就是上文提到的三大黑科技：“三維隔熱墻”技術；BMS電池安全監(jiān)測和預警模型；高安全電池PACK方案。
據嵐圖汽車新能源技術總監(jiān)黃敏博士介紹，三維隔熱墻的技術原理是，在電池包內使用超強高分子隔熱阻燃材料（一般隔熱材料仍會在觸發(fā)熱失控后致電池包冒煙或起火，三維隔熱墻技術可做到無熱擴散現象發(fā)生），對每個電芯實現單獨的全方位三維立體包裹。三維隔熱墻在電芯與電芯之間，形成高效的隔熱阻燃防護層，每個電芯均處于隔熱阻燃材料的充分包裹中，形如“琥珀”。
BMS電池安全監(jiān)測和預警模型則基于BMS云端衛(wèi)士進行大數據分析和追蹤，可實現 “千車千面”。據悉，電池包在原有溫度電壓預警基礎上，搭建了精確的電池安全監(jiān)測和預警大數據模型，基于不同使用場景（例如平原與山區(qū)、南北方溫度和濕度、高低海拔晝夜溫差等），追蹤每一臺車、每一塊電池的使用數據。
此外，嵐圖還采用了高安全電池PACK方案，即定制化開發(fā)車身防護、高強框架、壓力傳遞、形變吸能和電池雙保險共五大電池安全結構設計。
總結下來，嵐圖FREE電池包主要在隔熱、監(jiān)測以及車體方面做了改進，在電池材料這塊并未有明顯變化。據悉，嵐圖FREE電池包純電版將首發(fā)搭載新電池包，并于今年第三季度上市交付。
強標實施后，動力電池安全防護技術成車廠角逐新焦點
上述多個汽車廠家相繼發(fā)布最新的三元鋰電池安全防護技術背后，還要追溯到去年5月12日，工信部制定的三項電動汽車強標。
2020年5月12日，工業(yè)和信息化部組織制定的GB 18384－2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》、GB 30381－2020《電動汽車安全要求》和GB 38032－2020《電動客車安全要求》三項強制性國家標準（以下簡稱“三項強標”）由國家市場監(jiān)督管理總局、國家標準化管理委員會批準發(fā)布，并定于2021年1月1日起開始實施。
這三項強標中，《電動汽車用動力蓄電池安全要求》是國內電動汽車用動力電池領域的第一項強制性標準，該項標準在優(yōu)化電池單體、模組安全要求的同時，重點強化了電池系統熱安全、機械安全、電氣安全以及功能安全要求，試驗項目涵蓋系統熱擴散、外部火燒、機械沖擊、模擬碰撞、濕熱循環(huán)、振動泡水、外部短路、過溫過充等。
其中，需要特別指出的，該項標準增加了電池系統熱擴散試驗，要求電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統在5分鐘內不起火不爆炸，為乘員預留安全逃生時間。
據參與該標準制定的中國汽車動力電池產業(yè)創(chuàng)新聯盟副秘書長王子冬介紹，標準設置的初衷是構筑安全底線，對于消費者生命安全考慮，本來制定的時候是要30分鐘的，后來做了調整，5分鐘已經是最為基礎的底線要求了。不管是什么體系的電池，從安全的角度出發(fā)，這個標準必須要達到。
其實，在強標正式實施前，在“不起火”的三元鋰電池布局上，相關動力電池企業(yè)早已有所行動。
2020年10月，寧德時代就公開表示已開發(fā)出“只冒煙、不起火”的三元電池，通過高安全電解液、熱擴上隔離技術，直擊高能量密度、高安全性的痛點，可以確保電池包不燃燒，即便一個電芯起火，整個電池包只冒煙。
同年12月，蜂巢能源在其電池日上對外發(fā)布了熱失控系統性解決方案——冷蜂，通過材料、電芯、電池包、監(jiān)控系統四大層級的原創(chuàng)技術徹底解決電池系統的熱失控問題。
欣旺達也在2020年宣布成功研發(fā)“只冒煙、不起火”電池包，并可通過“加熱觸發(fā)電芯熱失控實驗”，即單個電芯在被觸發(fā)發(fā)生熱失控之后，整個電池包只冒煙不起火。
今年3月12日，作為動力電池新勢力的領湃新能源亦發(fā)布“四個零戰(zhàn)略”，即零風險、零衰減、零焦慮、零誤差。據悉，領湃新能源從材料、電極、電芯、系統等多個維度進行創(chuàng)新設計與研發(fā)，杜絕熱失控，實現零風險、高安全電池。其首款產品高電壓中鎳VDA355電芯模組將于今年SOP。
基于此，有分析人士指出，隨著強標的正式實施，以及動力電池企業(yè)新技術的加持，進入2021年，動力電池安全防護技術將成為繼續(xù)航、智能、5G之后，整車廠商在新能源汽車領域角逐的一個新的發(fā)力點。
小結：很長一段時間，當聽聞電動汽車發(fā)生起火、自燃等事故時，電池往往被首當其沖地列為“罪魁禍首”，而今在國家強標的約束下，在動力電池企業(yè)新技術的不斷突破下，并在整車廠商的大力聚焦推動下，相信“不起火”、“不爆炸”、“不冒煙”的三元鋰電池將從一個個標簽成為現實，而電動汽車起火、自燃事故也將不復存在。
深圳市恒創(chuàng)興電子科技有限公司是一家專業(yè)從事BMS電源管理系統、鋰電池保護板、儲能電池的開發(fā)、集成、測試、銷售及相關電子產品的生產，混合集成電路的技術開發(fā)、生產、測試及銷售一體的高新科技企業(yè)，電池保護板定制廠家。
三元鋰電池安全防護技術取得重大突破
3月10日，廣汽埃安率先發(fā)布了新一代動力電池安全技術——彈匣電池系統安全技術（以下簡稱“彈匣電池”）?；?ldquo;防止電芯內短路，短路后防止熱失控，以及熱失控后防止熱蔓延”的設計思路，彈匣電池采用類似安全艙的設計，可有效阻隔熱失控電芯的蔓延、當偵測到電芯電壓或溫度等出現異常時，自動啟動電池速冷降溫系統為電池降溫。
為了驗證彈匣電池的安全性，廣汽埃安還公布了中國汽車技術研究中心的測試視頻，對搭載了彈匣電池系統安全技術的三元鋰電池整包進行針刺熱擴散試驗。試驗結果顯示，彈匣電池整包在試驗過程中熱事故信號發(fā)出5分鐘后，僅出現短暫冒煙，無起火和爆炸現象。
3月17日，嵐圖汽車通過線上技術分享會的形式，對旗下首款量產車型嵐圖 Free 搭載的三元鋰電池包進行了全面的解讀。嵐圖汽車表示，嵐圖FREE電池包主要有三大優(yōu)勢：首創(chuàng)“三維隔熱墻”技術、BMS獨創(chuàng)電池安全監(jiān)測和預警模型、高安全電池PACK方案。在這三大黑科技的加持下，新電池包在熱失控觸發(fā)并發(fā)出熱事件報警信號后，不冒煙、不起火、不爆炸。
緊隨嵐圖汽車之后，R汽車在3月18日的品牌大會上宣布，R汽車基于航空級標準，能夠實現L0級別零熱失控管理。通過云端實時監(jiān)控高效主動預警，為每一塊動力電池做云端健康體檢，將電池包因電芯問題導致的熱失控概率控制在無限接近于零的范圍內，做到永不自燃。
研究表現，由于熱穩(wěn)定性相對較差，三元鋰電池在某些極端環(huán)境下易發(fā)生熱失控起火。但是，與安全性能相對較高的磷酸鐵鋰電池相比，三元鋰電池又因能量密度高、低溫性能好、倍率特性好等特點，常用于高端電動品牌。因此，如何讓三元鋰電池在高性能和高安全上達到平衡，成為產業(yè)多年研發(fā)的重點。
而此次，不論是廣汽埃安的彈匣電池，還是嵐圖FREE的“不冒煙，不起火，不爆炸”電池，亦或是R汽車L0級別零熱失控管理的永不自燃電池，整車廠在三元鋰電池的安全防護技術方面可謂取得了不小的突破。
多維度創(chuàng)新，三元鋰電池達到“三不”水準
新能源電池研發(fā)專家表示，三元鋰電池系統要實現“不起火”、“不爆炸”甚至“不冒煙”，需要從材料、電極、電芯、系統等多個維度進行創(chuàng)新設計與研發(fā)。
當前較為主流的實現路徑有兩種，一是從電芯本體出發(fā)，通過材料本體物性改善、添加阻燃劑等方式，讓電芯在出現極端情況下，中間的本體發(fā)生變更，比如起到熱量吸收、表面鈍化、阻斷膨脹、機械實效的效果等，以此實現電芯不起火；二是從模組及系統層級出發(fā)，添加氣凝膠等物質及設計，即便是一顆電芯出現極端情況也不會影響其他電芯。
以廣汽埃安彈匣電池為例，據官方介紹，該電池包就是從電芯材料、電池結構、冷卻系統和電池管理系統四個緯度來提升動力電池的安全性。
具體來看，電芯材料方面，通過正極材料的納米級包覆及摻雜技術的應用，提升電芯熱穩(wěn)定性，防止熱失控；電解液應用新型添加劑，可實現SEI膜的自修復，改善電芯壽命；高安全電解液能在高溫下自發(fā)聚合形成高阻抗特性聚合物膜，大幅降低熱失控反應產熱。這些關鍵技術的應用，使得電芯的耐熱溫度提升30％。
電池結構上，通過網狀納米孔隔熱材料和耐高溫上殼體，形成超強隔熱安全艙，實現三元鋰電芯熱失控不蔓延至相鄰電芯，電池包上殼體能耐溫1400℃以上。
冷卻系統方面，通過全貼合液冷系統、高速散熱通道、高精準的導熱路徑的設計，彈匣電池實現散熱面積提升40％，散熱效率提升30％。
電池管理系統采用車規(guī)級最新一代電池管理系統芯片，可實現每秒10次全天候數據采集，相比前代系統提升100倍，以24小時全覆蓋的全時巡邏模式，對電池狀態(tài)進行監(jiān)測。
在上述四大核心技術的加持下，彈匣電池整包在試驗過程中熱事故信號發(fā)出5分鐘后，僅出現短暫冒煙，無起火和爆炸現象。廣汽埃安還表示，彈匣電池相對于同類普通電池，體積能量密度提升9．4％，重量能量密度提升5．7％，成本下降10％。根據計劃，彈匣電池今年將在廣汽埃安全系列車型上陸續(xù)搭載。
相較之下，嵐圖FREE電池包的防護技術在做到“不起火、不爆炸”時，還可實現“不冒煙”。而實現這一性能的關鍵就是上文提到的三大黑科技：“三維隔熱墻”技術；BMS電池安全監(jiān)測和預警模型；高安全電池PACK方案。
據嵐圖汽車新能源技術總監(jiān)黃敏博士介紹，三維隔熱墻的技術原理是，在電池包內使用超強高分子隔熱阻燃材料（一般隔熱材料仍會在觸發(fā)熱失控后致電池包冒煙或起火，三維隔熱墻技術可做到無熱擴散現象發(fā)生），對每個電芯實現單獨的全方位三維立體包裹。三維隔熱墻在電芯與電芯之間，形成高效的隔熱阻燃防護層，每個電芯均處于隔熱阻燃材料的充分包裹中，形如“琥珀”。
BMS電池安全監(jiān)測和預警模型則基于BMS云端衛(wèi)士進行大數據分析和追蹤，可實現 “千車千面”。據悉，電池包在原有溫度電壓預警基礎上，搭建了精確的電池安全監(jiān)測和預警大數據模型，基于不同使用場景（例如平原與山區(qū)、南北方溫度和濕度、高低海拔晝夜溫差等），追蹤每一臺車、每一塊電池的使用數據。
此外，嵐圖還采用了高安全電池PACK方案，即定制化開發(fā)車身防護、高強框架、壓力傳遞、形變吸能和電池雙保險共五大電池安全結構設計。
總結下來，嵐圖FREE電池包主要在隔熱、監(jiān)測以及車體方面做了改進，在電池材料這塊并未有明顯變化。據悉，嵐圖FREE電池包純電版將首發(fā)搭載新電池包，并于今年第三季度上市交付。
強標實施后，動力電池安全防護技術成車廠角逐新焦點
上述多個汽車廠家相繼發(fā)布最新的三元鋰電池安全防護技術背后，還要追溯到去年5月12日，工信部制定的三項電動汽車強標。
2020年5月12日，工業(yè)和信息化部組織制定的GB 18384－2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》、GB 30381－2020《電動汽車安全要求》和GB 38032－2020《電動客車安全要求》三項強制性國家標準（以下簡稱“三項強標”）由國家市場監(jiān)督管理總局、國家標準化管理委員會批準發(fā)布，并定于2021年1月1日起開始實施。
這三項強標中，《電動汽車用動力蓄電池安全要求》是國內電動汽車用動力電池領域的第一項強制性標準，該項標準在優(yōu)化電池單體、模組安全要求的同時，重點強化了電池系統熱安全、機械安全、電氣安全以及功能安全要求，試驗項目涵蓋系統熱擴散、外部火燒、機械沖擊、模擬碰撞、濕熱循環(huán)、振動泡水、外部短路、過溫過充等。
其中，需要特別指出的，該項標準增加了電池系統熱擴散試驗，要求電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統在5分鐘內不起火不爆炸，為乘員預留安全逃生時間。
據參與該標準制定的中國汽車動力電池產業(yè)創(chuàng)新聯盟副秘書長王子冬介紹，標準設置的初衷是構筑安全底線，對于消費者生命安全考慮，本來制定的時候是要30分鐘的，后來做了調整，5分鐘已經是最為基礎的底線要求了。不管是什么體系的電池，從安全的角度出發(fā)，這個標準必須要達到。
其實，在強標正式實施前，在“不起火”的三元鋰電池布局上，相關動力電池企業(yè)早已有所行動。
2020年10月，寧德時代就公開表示已開發(fā)出“只冒煙、不起火”的三元電池，通過高安全電解液、熱擴上隔離技術，直擊高能量密度、高安全性的痛點，可以確保電池包不燃燒，即便一個電芯起火，整個電池包只冒煙。
同年12月，蜂巢能源在其電池日上對外發(fā)布了熱失控系統性解決方案——冷蜂，通過材料、電芯、電池包、監(jiān)控系統四大層級的原創(chuàng)技術徹底解決電池系統的熱失控問題。
欣旺達也在2020年宣布成功研發(fā)“只冒煙、不起火”電池包，并可通過“加熱觸發(fā)電芯熱失控實驗”，即單個電芯在被觸發(fā)發(fā)生熱失控之后，整個電池包只冒煙不起火。
今年3月12日，作為動力電池新勢力的領湃新能源亦發(fā)布“四個零戰(zhàn)略”，即零風險、零衰減、零焦慮、零誤差。據悉，領湃新能源從材料、電極、電芯、系統等多個維度進行創(chuàng)新設計與研發(fā)，杜絕熱失控，實現零風險、高安全電池。其首款產品高電壓中鎳VDA355電芯模組將于今年SOP。
基于此，有分析人士指出，隨著強標的正式實施，以及動力電池企業(yè)新技術的加持，進入2021年，動力電池安全防護技術將成為繼續(xù)航、智能、5G之后，整車廠商在新能源汽車領域角逐的一個新的發(fā)力點。
小結：很長一段時間，當聽聞電動汽車發(fā)生起火、自燃等事故時，電池往往被首當其沖地列為“罪魁禍首”，而今在國家強標的約束下，在動力電池企業(yè)新技術的不斷突破下，并在整車廠商的大力聚焦推動下，相信“不起火”、“不爆炸”、“不冒煙”的三元鋰電池將從一個個標簽成為現實，而電動汽車起火、自燃事故也將不復存在。
深圳市恒創(chuàng)興電子科技有限公司是一家專業(yè)從事BMS電源管理系統、鋰電池保護板、儲能電池的開發(fā)、集成、測試、銷售及相關電子產品的生產，混合集成電路的技術開發(fā)、生產、測試及銷售一體的高新科技企業(yè)，電池保護板定制廠家。
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