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新能源汽車的電池安全焦慮,有「良藥」可解嗎?

新能源汽車的電池安全焦慮,有「良藥」可解嗎?


當純電動汽車續航里程痛點得到解決,安全開始成為消費者拒絕純電動汽車的又一因素。安全之所以成為焦點,在於新能源汽車追求更長續航、更強效能而採用了一些相對激進的策略,比如應用能量密度更大的電池、採用更激進的熱管理系統等等,由此導致新能源汽車進入了一個「多災多難」的階段。

不過,這是新能源汽車發展的必然階段,在「有痛點就有需求,有需求就有技術」的今天,技術冒進引發質量問題之餘,也會有更多技術投入尋求解決方案。

正如新能源汽車因續航而普及困難時,大量資金、人才的集中投入,使其在很短時間內攻克了續航焦慮一樣,新能源汽車續航里程從最初的不足400km迅速提升至600km甚至更長。當安全問題成為又一道阻礙時,各家事實上展開了一輪新的競爭。

新能源汽車的電池安全焦慮,有「良藥」可解嗎?


電池,安全的命門到底在哪?

據統計,按新能源車起火原因歸類,電池故障佔33%,交通事故或底盤碰撞佔15%,使用者改裝佔12%,電子電器故障佔11%,外部火源佔9%,充電樁或充電線故障佔4%,電池泡水或浸泡佔4%,其餘佔11%。(北京理工大學機械與車輛學院教授魏中寶在該校“電動百年,進化新生”學術論壇上披露的資料)

引發安全問題的外界誘因各種各樣,但對吃瓜群眾而言,無論何種方式的起火、自燃都會影響新能源汽車的推廣。根據調查,7成已購使用者、5成預購使用者對電動車安全事故表現出較高的關注。一時間,新能源汽車的安全開始成為各家競技的舞臺。

有些企業從電池型別入手,讓三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池路線出現分歧。

新能源汽車發展趨勢是尋求更高能量密度、更高功率密度以及更好的低溫效能的電池型別,三元鋰電池恰好符合這一設定,但由於三元鋰電池化學活性高,安全防護和熱管理要求更高,一旦失誤便會引發事故。那麼,退而求其次是否是一個優秀的決定呢?

新能源汽車的電池安全焦慮,有「良藥」可解嗎?


當下只能說合理但不優秀。為了安全而放棄三元鋰電池,選擇具備先天優勢的磷酸鐵鋰電池,實際上是一種保守思維,也就是說磷酸鐵鋰是一種解題思路,但不是一個富有遠見的選擇。

三元鋰電池展現的優勢著力保持,缺點集中攻克,這才是一種富有探索的科學態度,因此大量企業矢志不渝的在三元鋰電池上投入資源,使其依然是高階純電動汽車的主流選擇。

有些企業從電池系統入手,讓電池系統外包和自研兩種路線呈現出分歧。

自研,結合自身產品定位以及電池系統特點,研發完全屬於自己的電池安全體系,與此同時這也是未來產品有別於其他最獨特的競爭力。

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外包,採用相對一致化的策略和技術,以及對電池安全較為樂觀的預期,或許認為電池安全在未來不會是一種核心競爭力。

實際上這兩種路線恰好是嵐圖汽車和理想汽車這一對冤家的區別,也因此使兩個新能源汽車呈現完全不同的路線。嵐圖汽車透過自研發布了「琥珀」和「雲母」兩種電池安全系統,並將安全作為未來的品牌標籤,這在理想汽車上則不太可能。

外包方案實際是一種戰略決策,唯有當路線不符合發展方向時,才會選擇外包。在未來的競爭中,嵐圖汽車和理想汽車這一對產品型別、售價均相似的汽車企業,嵐圖可以選擇打造更安全的增程汽車,而理想汽車則必然會選擇其他方向。

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有企業選擇自研電芯,但這不是主流。全球範圍內寧德時代、LG、松下、SKI、三星是主要的電池供應商,但他們都不涉足汽車生產製造,目前只有比亞迪既是電池供應商也是汽車製造商。

從結果上看,目前汽車企業對電池安全主要有三種解決方案:全整包,以理想、奧迪、賓士、保時捷為代表;全自研,以嵐圖、蔚來、特斯拉、寶馬為代表;自研電芯,以比亞迪為代表。三種解決方案各有利弊,但顯然全自研和全整包是最主流的兩個解決方案。

嵐圖自研有何獨樹一幟思路?

電池安全系統自研實際上是一項熱失控解決方案的比拼——如何避免熱失控以及解決熱失控事態擴大帶來的危害。同樣是熱失控,各家側重點不同也導致解決方案不同。

嵐圖汽車採用了一種較為巧妙的方式,這種方式我願意稱之為「比薩斜塔上掉落的雞蛋」,而官方稱之為「琥珀」和「雲母」系統。

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幾百年前,伽利略在比薩斜塔上做出了最美的「自由落體實驗」,當時採用的是兩塊石頭。嵐圖的電池安全系統「琥珀」思路則是將石頭更換為雞蛋,既要防止兩者碰撞損壞也要防止跌落損壞,為此雞蛋需要一個絕對安全、柔軟的堡壘。

用柔軟包裹雞蛋,就像是電池中每個電芯被全方位三維立體包裹,電芯與電芯之間,形成高效的隔熱阻燃絕緣防護層,這便是三維隔熱牆技術。三維隔熱牆技術應用於純電電池系統就是「琥珀」電池,應用於增程電池系統就是「雲母電池」,兩者的技術區別,在於三維隔熱牆的材料及結構不同。

命名的背後是琥珀作為一種極其穩定的物質,歷經數萬年保持不變,保持內部與外部的絕對絕緣,長時間保持原有狀態。嵐圖汽車選擇替代琥珀的材料是有機矽複合材料,這種材料的特點是結合有機矽聚合物+低密度隔熱材料+阻燃劑,形成高效的隔熱阻燃絕緣層。

如此精密的設計是為消滅熱失控帶來的負面影響。如果將熱失控視為星星之火,那麼整個電池包則是名副其實的「可以燎原」。無論是碰撞擠壓還是電芯失效,單個電芯起火後會迅速影響周圍電池並帶動整個電池系統的熱失控,從而出現起火甚至爆炸。

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如果將熱失控控制在一個極小的範圍內,將更多精力放在防範更多電池加入其中是一個不錯的思路。三維隔熱牆的應用可以將單個電芯的熱失控鎖定為一個被全面包圍的「火花」,這個火花只會在自己的安全倉發生反應,無法將負面情緒帶給周圍電芯,從而避免集體暴走。這就是「琥珀」系統實際作用。

應用在嵐圖FREE增程版的「雲母」電池系統,思路和「琥珀」如出一轍,在電池包內加入層狀Al-Si雲母和氣凝膠,且電芯和雲母、氣凝膠會像雲母石一樣層疊堆積,由此命名為「雲母」。

由於這種機制的運用,讓嵐圖FREE的電池包不僅實現了「5分鐘不起火」,更進一步分別做到30分鐘乃至靜置50天「不起火、不爆炸」,全面超越了國標安全標準,並樹立了三元鋰電池系統安全新高度。

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使用者如何看懂安全?

誰也不曾想到地處中原的河南會突遭暴雨侵襲,許多人被困車內;交通事故中,碰撞使汽車發生形變,駕駛者也會被困車內。除去電池自身因素,針對其他電池起火事故,諸如交通事故中的被動安全碰撞、泡水浸泡都需要做極端的考慮。

過去汽車企業設計車身只為駕乘人員的安全,提出了「潰縮吸能」的概念。在新能源時代,保護的物件除去人類之外,還有電池包。事實上電池就像雞蛋,因為有了軟肋,所以才需要盔甲。

這個盔甲在碰撞中要起到保護電池包的作用,就需要根據力的傳遞路徑一一做出針對,嵐圖的概念是「PACK五層安全防護」,包括定製化開發車身防護、高強框架、壓力傳遞、形變吸能和電池雙保險的電池安全結構設計,從車身結構,到電池包,到電芯,定製了全方位防護,武裝到了牙齒。

新能源汽車結構與傳統車型不同,必須考慮到電池包佈置所帶來的影響。換句話說,為了確保電池包的足夠安全,必須開發專屬新能源平臺,這遠非「油改電」所能及。嵐圖 全新設計開發了ESSA 架構,考慮到了增程和純電兩種佈局,針對碰撞安全做出設計,使電池包免受撞擊,所以嵐圖FREE車身可以獲得「五星安全」的成績。

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對電池來說,汽車前後的潰縮吸能足夠優秀,側面撞擊才是最大的威脅。嵐圖FREE側面B柱採用TRB工藝1500Mpa超高強度鋼材,車門門檻採用雙層結構的1500MPa超高強度熱成型鋼;前後車門內部,還有行業最高等級的2000MPa熱成型鋼製成車門防撞梁,儘可能保護電池系統。

如果撞擊突破這一層防護,電池包的高強度框架需要分散壓力並避免形變。嵐圖設計的高強度框架可以抵禦20噸力的擠壓而不發生安全事件,相當於一輛輕型坦克的重量。在現場的試驗中,嵐圖FREE電池經受住了半徑達75mm的剛性半圓柱體,以200 kN(國標100kN)力擠壓的考驗。

再進一步突破,電池包必然受到衝擊時,嵐圖對電池包預設超過30mm的形變空間,用於吸收碰撞時末端的擠壓衝擊,保護內部電芯免受損傷。事實上,一般極為嚴重的碰撞到此為此,小機率發生的電池包變形的撞擊,嵐圖設計了電芯雙保險,可迅速切斷電池內短路迴路,釋放額外氣壓,確保電池不起火、不爆炸。

新能源汽車的電池安全焦慮,有「良藥」可解嗎?


在中汽研現場,嵐圖針對電池包分別做了加速度50g/60ms(國標28g/60ms)的碰撞測試、75-85℃、10MPa(無國標)的高溫高壓水流衝擊電池包接外掛及各個密封面試驗,均順利透過,電池包的被動安全被嵐圖帶到一個新的標準。

事實上,「琥珀」「雲母」也好,PACK五層安全防護也好,都只能表示嵐圖在被動的硬體上解決了電池安全問題。對於主動安全的BMS電池管理系統,嵐圖也有一些天馬行空的想法。

作為一個電池系統,BMS用以監控電壓、電流、溫度等資料,但過去採用的BMS系統普遍不具備聯網能力,只是一個處理和資料於本地的單機系統。將BMS系統接入「雲」,藉助大資料形成一套新的監督體系是大勢所趨。在此之下,嵐圖提出了嵐圖雲BMS的概念。

新能源汽車的電池安全焦慮,有「良藥」可解嗎?


這個概念的工作方式雖然沒發生巨大改變,但實際效果卻千差萬別。藉助雲系統的超強算力,資料分析能力大幅提升,反饋時間可控制在1秒之內。與此同時,不同車輛之間發生的故障資料共享互通,快速擴容解決方案,並藉助大資料對車輛效能、電池變化做出更準確的預測,最終起到自我學習、自我迭代的目的,使BMS越來越智慧、越來越聰明。

在這個新能源競爭日趨加劇的時代,每家新能源汽車企業都需要找到一個「標籤」,蔚來的豪華、特斯拉的效能、小鵬的智慧等等。在我看來,這些品牌在努力迎合「使用者喜歡什麼」。嵐圖在許許多多的方向裡選擇了「安全」,這個看起來不太網際網路卻至關重要的標籤,表示嵐圖相比使用者喜歡什麼更優先在意使用者擔心什麼。

雅斯頓小結

「安全」是一種使用者至上的態度。為了安全不惜一切的態度,嵐圖最終釋出了「琥珀」和「雲母」這樣獨樹一幟的技術,實際上這也讓嵐圖成為了一家科技公司。應該說嵐圖既有設身處地的溫情,又有掌握核心技術的擔當,這是一家使用者型科技企業。

圖 | 來源於網路

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分類: 汽車
時間: 2021-09-23

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