“蜂窝电池”：将起火概率降低一个数量级

江淮ic5

去年起，电池包层面的技术进展就层出不穷。
宁德时代、比亚迪、蜂巢能源为代表的企业纷纷推出新的电池包技术。他们主打的是CTP（Cell To Pack）无模组电池包，目的是提升能量密度，降低成本。
3月5日，江淮汽车举办了一场关于电池包技术讲解的直播，提出了“蜂窝电池”的技术。该技术与之前那些降成本的CTP电池包技术不同，他们首要解决的是安全问题。
“蜂窝电池”主要是利用外延包覆（UE）技术、双防爆阀，以及NCA（镍钴铝三元电池）三方面技术，来提升电池包的安全防护等级。
“蜂窝电池”最突出的效果是，预计可以将因电池失效导致的车辆起火概率降低一个数量级，例如由1万台发生一起热失控，变成10万台发生一起。
从产品端来看，江淮iC5补贴后预售价区间为15.5万-18万元，电池包容量为64.5kWh，电池系统能量密度为160.68Wh/kg，NEDC续航里程可达530km。从系统能量密度和续航里程来看，都属中上水平。
江淮iC5，采用的是21700NCA圆柱电芯，电芯层面的能量密度和成本基础较好，问题是成组：如何做到既能充分利用其电芯的高比能量，又防止其热失控威胁电池包和整车安全？
这要从它的蜂窝结构说起。

1、
利用仿生技术，
开发“蜂窝电池”

“蜂窝电池”，顾名思义，采用了蜂巢结构的仿生设计，通过外延包覆的UE技术（Unitized Encapsulation），实现单元化封装。
“蜂窝电池”技术的最大特点在于，极大程度上降低电池系统内的热扩散，并且通过保持电池系统恒温，降低季节性温差对电池续驶里程的影响。

“蜂窝电池”

“蜂窝电池”有哪些特点？
为了能够深入了解这一技术，《电动汽车观察家》采访了江淮新能源产品总监。
该总监介绍说，“蜂窝电池”是江淮华霆电池公司多年的研发成果。该电池包的亮点在于采用了外延包覆技术，就是指所有电芯360度包覆导热胶，这有两大好处。
第一，有效防止热扩散。电芯之间做到了电隔离和热隔离。即使有1颗电芯失效，它不会波及到周边，就不会引起连锁反应，做到了电池包的安全。

资料来源：江淮汽车

第二，电芯与导热胶的接触面积是做到了100%，散热更快。电池包内部的温差≤3℃。之所以要降低温差，是因为当电池系统中电池单体间出现温度不均衡时，电池的化学反应和自放电反应速率也会出现不均衡，进而导致电池单体间的循环寿命、容量和内阻出现差异。这会直接导致电池包的寿命减短。
导热胶的全覆盖也有利于电池的保温。在冬季，有利于电芯的快速升温。低温会使电池内部活性物质的活性降低，内阻、极化电压增加，导致电池充放电功率和容量都会显著降低。
第三，蜂窝结构具有很好的坚固性特点，即便受到外力碰撞挤压也不易出现大面积的坍塌现象，其特殊结构能起到吸收碰撞和挤压产生力量。利用这个原理，可以使圆柱电芯在模组中间隙空间更大，在遇到外力挤压和碰撞时有更好的迂回空间。
上述江淮新能源产品总监介绍，为了验证电池包的安全性，江淮对电池包进行了一些极端试验。例如从底部直接用汽油加热，连续加热130秒；以及直接用火焰接触电池包，连续燃烧130秒。在防水实验中，江淮把整个电池包泡入水深1米的水池，连续浸泡12个小时，这样的浸水试验达到了行业内目前最高的防护标准，也就是IP68的标准。
此外，还对电池包进行了最大挤压力200KN，相当于用20吨的挤压力对电池系统进行挤压的实验，以及25g的加速度的冲击试验；同时还有振动实验，例如加速度1.8g，频率200赫兹的高强度的振动试验等。
该总监告诉《电动汽车观察家》，目前看到的“蜂窝电池”，其实是2.0版本。这一技术江淮在2016年的时候就已经在研发，性能逐步提升。未来“蜂窝电池”还会继续迭代。

资料来源：2017年10月7日，CCTV《还看今朝》

2、
电芯选型有要求

蜂窝电池包的电芯不是随便选的，其核心还是安全。
电芯的关键词是双防爆阀、圆柱21700和NCA。
先来介绍下，这款力神21700电芯，其容量为1C-4.8Ah（0.2C-5Ah），单体能量密度在245wh/kg，从能量密度来看也处于中上游水平。
力神电池（苏州）有限公司总经理薛雷告诉《电动汽车观察家》，“蜂窝电池”所用的圆柱电芯是按照最高的标准来生产的，其安全等级最高；而且电芯的“死法”是有要求的，即定向爆破。

江淮ic5采用的电芯

这款电芯的一大亮点在于防爆阀设计，电芯两端都有防爆阀。六七年前的圆柱电芯在电芯盖上只有一个防爆阀。薛雷解释说，只有一头有防爆阀，发生热失控时相当于子弹，气体都向一个方向射出；两端都有防爆阀，就帮助电池快速泄压，减小电池热失控时的威力，有助于电池包的安全。
薛雷表示，防爆阀起到的作用是稳定压力。一般设计防爆阀的时候，要给电芯留孔泄压。因此孔开多大是有讲究的，如果孔太大机械强度不够；如果孔留的太小，气体不能快速排出去，就会爆炸。
第二个亮点在于，选择21700圆柱电池这种小电芯。对于电池包的安全来说，电芯的大小也非常重要。薛雷认为，电芯容量超过6Ah，目前电池包的任何防护都很难起到作用。但是21700的容量仅为5Ah，电池包的防护设计上能够起到作用。对于这个大小的电池，圆柱电池的效率及一致性是最好的。
第三个亮点在于，采用NCA（镍钴铝三元电池）电池。相对于NCM电池，NCA电池的安全性和稳定性更好，但能同时技术难度也更大，包括材料技术、电池设计和加工技术。薛雷表示，国内很难找到合格的NCA正极材料的供应商，他们也是和供应商联合开发5年多的时间才成功。目前，该材料全部供应力神电池。
“蜂窝电池”最大的特点在于安全，从电芯到电池包的设计，安全是电池包设计的重中之重。上述江淮新能源产品总监和薛雷都向《电动汽车观察家》提到，他们的设计与特斯拉目前的思路很相似，正是看到特斯拉Model 3安全方面的表现很不错，才让他们认可了这一思路。

3
Model 3与“蜂窝电池”异同分析

那么Model 3的电池包和“蜂窝电池”到底有什么异同呢？
相同点是设计安全设计理念相同。
细节方面，例如电芯间的缝隙都是通过导热胶填充。
同时，《电动汽车观察家》发现到两个明显的不同点。
一是电芯的防爆阀不同。
特斯拉所用的松下和LG化学的电芯都只有一个防爆阀。而“蜂窝电池”采用的是力神21700电芯，具有两个防爆阀。
对于这一差别，一位业内专家解释道，这主要是由于不同企业间电池水平差距导致，国内电芯的一致性要略差于日韩电芯，尤其是失效模式一致性，因此需要在电池包设计时加以弥补。
二是电芯摆放和液冷管设计不同。
电芯摆放方面，Model 3的电芯在电池包中是站立摆放，而“蜂窝电池”的电芯则是横向放置；液冷管设计上，Model 3采用的是并联方式，而“蜂窝电池”则是串并联混合方式。
但是横向摆放电芯带来的另一个潜在问题是，如果防爆阀水平释放热量，很可能会点燃旁边的模组。
也就是说，相对于Model 3电池包，“蜂窝电池”还要解决模组间的横向阻燃这一挑战。“蜂窝电池”模组上下装配了多重盖板，应该是对水平释压做了有效控制，不会引燃周边的模组。

“蜂窝电池”热管理

由此可见，虽然特斯拉开放了其电池技术专利，“蜂窝电池”表面上看也和特斯拉电池模组类似，但并不是照搬特斯拉的方案。江淮华霆在国产21700电芯基础上，做了针对性设计，既保持圆柱三元电芯的长处，又提升了整包安全性。

4、
优化电池包成重要技术方向

进入2019年后，电池企业和车企新技术的发布，开始更多地向电池包方向倾斜。
2019年7月9日，蜂巢能源就发布了CTP电池包技术，声称其产品与传统590模组相比，CTP第一代减少24%的零部件，第二代成组效率提升5-10%，空间利用率提升5%，零部件数量再减少22%。
同年9月份，宁德时代在法兰克福展上也发布了CTP电池包，CTP电池包体积利用率提高了15%-20%，电池包零部件数量减少40%，生产效率提升了50%，电池包能量密度提升了10%-15%。
今年，电动汽车百人会论坛上，比亚迪股份有限公司董事长王传福高调介绍比亚迪磷酸铁锂“刀片电池”。和传统磷酸铁锂电池相比，刀片电池体积比能量密度提升了50%，具有高安全、长寿命等特点，整车寿命可达百万公里以上。

资料来源：专利图 注：从左至右依次为宁德时代CTP电池包、刀片电池、蜂巢CTP电池包
上述三家电池企业的主要特征是提升电池能量密度，减少零部件的使用，从而起到降低成本，提高电池性能的目的。
“蜂窝电池”则是以安全为主要目的，从电芯选型、材料选择，以及电池包结构等方面共同作用提升电池的安全性。
无论是CTP、“刀片电池”还是“蜂窝电池”，都代表着中国电池企业在电池技术领域的不断创新，开启了以电池包层面的技术创新之路。未来，会有越来越多的企业着眼于电池包技术的改进，涌现出越来越多优秀的设计，帮助电动汽车不断提升性能。
“蜂窝电池”的提出，表明在传统国内车企大多推崇方壳、海外传统车企很多推崇软包的背景下，圆柱电池技术路线也在演进提升。江淮iC5的表现，以及特斯拉在电芯选型上的动向，也能帮助我们判断，圆柱电池能否继续在动力电池上扮演重要的一支力量。