【EV視界技術解析】大禹治水的傳說人盡皆知，話說在上古時代三皇五帝時期，黃河氾濫，鯀、禹父子二人受命於堯、舜二帝，任崇伯和夏伯，負責治水。而鯀因只知築壩擋水，九年過去了洪水依然無從消退。後來其子禹吸取了鯀治水失敗的教訓，採取疏導的辦法治水。他和千千萬萬的人一起，疏通了很多河道，讓洪水透過河道，最後流到大海里去，洪水終於退了。
面對洪水，大禹與其父的做法完全不同，他採取了“變堵為疏”的理念，透過導流洩洪的方式，征服了洪水。可誰又能想到今天，這一智慧精髓居然被運用栽倍受關注的電池安全解決方案之中。
隨著全球各大車企品牌開始“淘汰”傳統內燃機車，新能源車型正在成為主流，目前市面上的多數車型在購車成本、續航里程、充電時間和殘值等問題上都有相應的提升，為了提高電動汽車與傳統燃油車的競爭力，所搭載的電池能量密度正在邁向350Wh/kg以上，單次充電行駛里程超過800km！要實現這個目標，很大程度上要取決於高鎳電池的發展。但隨著鎳含量的提高，正極材料的穩定性也隨之下降，導致熱失控引發電池自燃風險上升。
有資料顯示，在2020年國內的新能源汽車事故中，因電池問題而導致的事故佔據了大部分的比例，而這其中的熱失控問題成為了主要原因。
所謂熱失控，導致它誘發的原因包括機械電氣誘因（電池碰撞擠壓、針刺等）和電化學誘因（電池過充過放、快充、低溫充電、自引發內短路等）。一般來說，電池在放電的過程中，其所產生的“副作用”就是放熱。若散熱條件不好，放熱的“副作用”有可能引起更高溫度的超標，當電池達到450℃時則會引起電解液燃燒，從而引發熱失控。
而當一個電池單體發生熱失控之後，相鄰單體受影響後也相繼發生熱失控，導致熱失控蔓延造成的連帶效應後引發安全事故。這就好比在茂密的森林之中，如果一顆樹木被引燃，在藉助風力等因素後，會逐漸蔓延起來，形成大範圍的森林火災。
熱失控模擬模擬
雖然道理很簡單，但該如何解決熱失控問題呢？這就又回到我們文章開頭所提到的“大禹治水”。
此前，一些車企品牌採用瞭如同大禹其父鯀的做法，試圖以“封堵”辦法去解決，比如透過正極摻雜改性、陶瓷塗層、特製電解液等來隔熱阻燃，但最終的效果卻不盡人意。而在長城汽車看來，堵不如疏，如同大禹治水的理念，將水疏導到安全區域，這樣比堵的效果要好得多，因此“大禹電池”安全技術應運而生。
“大禹電池”
“大禹電池”並不是一種新的電池，它是一種提高電池安全的重要技術，採用“控+導=通”的核心技術原理，改變了傳統以堵為主的電芯控制技術，將熱失控後產生的氣火流按照設計通道安全疏匯出電池包外，從而解決熱失控導致的起火和爆炸問題。簡單來說就是，如果電池包中的一個電芯出現了熱失控問題，那就在短時間內將該電池的熱量按照一個設計好的通道排放出去，從而避免電芯聚集燃燒爆炸。
如何做到電池包熱失控的“變堵為疏”呢？長城汽車的“大禹電池”技術對電池進行了創新設計，搭建4層5維安全矩陣，採取8大創新設計，包括熱源隔斷、雙向換流、熱流分配、定向排爆、高溫絕緣、自動滅火、正壓阻氧、智慧冷卻等，覆蓋熱源抑制、隔離、冷卻、排出等各項領域，從而保障電池不起火、不爆炸。
熱源隔斷：建立電芯與電芯之間的“防火牆”
當電芯出現熱失控時，如果在它即將爆發的初期就將它控制在一個範圍裡，可以說是一個非常有效的手段。
“大禹電池”的熱源隔斷技術分為兩個部分即電芯隔斷和模組防護。其中，電芯隔斷是指在電芯間採用全新開發的雙層複合材料，既能隔離熱源，又耐火焰衝擊，有效解決了傳統氣凝膠（泛指二氧化矽氣凝膠，有導熱率低、重量輕的優點，但材質密度較低，不堅固）不耐衝擊的痛點。同時結合不同化學體系電芯迴圈膨脹特性不同，設計雙層複合材料，既可有效解決電芯膨脹對空間的需求，又能隔離熱源。
另外的模組防護，就是指在電池模組之間採用高溫絕熱複合材料，而該材料要比電芯所採用的複合材料更加堅硬，如此可阻止火焰衝擊和長時間熱傳導。值得注意的是，整個外包裝在電芯模組的防護罩上，設計了一些小開口，它的作用就是將電池模組內的熱失控能量釋放出去，透過一個定向排爆的出口釋放，這樣可快速的將模組內部高溫氣火流排出，避免模組內部熱蔓延。
模組防護
所以綜合看出，“大禹電池”熱源隔斷的設計就是將因熱失控而導致燃燒爆炸的電池或整塊電池組都封堵在一個預定的空間裡，並將所釋放出的火焰熱流透過預定線路引向排爆口釋放。這就好比在飯館吃燒烤一樣，每個餐桌都設計了獨立的隔斷和吸油煙管道，即便燒烤油煙再大，透過隔斷的封堵引流和吸油煙管道的吸收排放，就不會影響到其它顧客的進餐了。
熱失控傳熱傳導資料模擬雲圖-熱傳導定向排爆
雙向換流：稀釋高溫高壓氣流的走廊
“大禹電池”在整個電池模組的四周，預留了多種類換流通道的設計，可以將熱失控所產生的的高溫、高壓氣火流引匯出去並向溫度和氣壓較低的區域擴散，這就如同遭遇洪水的大壩洩洪一樣，分擔壓力，按照預定軌跡及時遠離電芯區域，從而減少對相鄰模組的熱衝擊，避免再次引燃。
換流通道
熱流分配：熱源導流背後的“軍師”
其實，如果你要是認為“大禹電池”的雙向換流技術只是設計了幾個導流通道，那可就大錯特錯了。因為除了導流通道的設計，還需針對爆燃時所產生的燃燒、力學、壓強等進行多方面考慮，因此需要透過電腦技術來搭建電池包熱失控燃燒模型，在少佔用電池包空間的同時，實現將氣流、火流在多種結構通道內的均勻分佈，由此擺脫了熱源彙集一處而造成該區域形成高溫的現象，避免了再次引發其他電芯熱失控的可能，這也算是為整個電池包的安全設計起到了有力的資料支撐。
這張圖就是透過多種電池模組熱失控之後得到的熱源擴散資料圖，而這也是針對電池的安全資料做出的有力保障。
定向排爆：讓高溫氣體“降火氣”的核心技術
當電芯發生熱失控之後，雙向換流便開始發揮作用，其後便是透過分流、導流與換流將火源快速地轉移至滅火通道排出電池包外。但排爆通道的寬度、阻力均不相同，並且內部是異形結構，所以如何讓氣火流在這裡均勻分佈是一個巨大的難點，而這也是“大禹電池”最核心的技術。目前已攻克了起火熱源在通道內壓力和流量分佈不均的難點，消除了熱量集中，使氣火流在通道內分層均勻流動。
據測算，定向排爆技術在此過程中可以將超過1000度的高溫氣體快速降溫至200度以內，然後再將其進行快速分散以使得排出電池包外的氣體溫度低於100攝氏度，從而避免對周遭的人與其他事物造成二次傷害。
熱失控定向排爆氣流場模擬
自動滅火：用特定結構來實現火焰快速抑制和冷卻
自動滅火功能是在定向排爆出口設定多層不對稱蜂窩狀結構，實現火焰快速抑制和冷卻，並透過多點化、均布化、小型化設計，有效減小體積、降低重量，提升降溫效果。在我們的生活中有這樣一個小常識：同樣是從嘴巴里面出來的氣體，可是哈氣是屬於熱的，吹氣就是冷的，這到底是什麼原理呢？其實這是因為哈氣時，嘴張開的面積較大，哈出的氣體速度相對較慢。當哈出的氣體撞擊面板並返回的過程中，基本沒有加速蒸發，人感覺到的更多的是哈出的熱空氣，所以會感覺哈氣是熱的。但吹氣時，氣體的流速快且截面小，這就相當於一股湍流，會“吸引”周圍的空氣匯入，使氣流整體溫度快速下降，吹得越遠，熱量散失也越多，所以如果你靠近嘴唇吹氣就會發現，它一開始也是熱的。
“大禹電池”也基本沿用了這個原理，在整個電池包的底端，有兩個黑色的凸起的結構，它就是整個“大禹電池”的定向排爆口。其採用了多層不對稱的蜂窩狀結構，可以起到將引導來的高溫氣體快速冷卻和熄滅。
蜂窩孔火流強度模擬
從模擬模擬的資料動態圖可以看出，透過定向排爆口噴射出去的高溫氣體在不到3秒的時間內得到了有效抑制，並且整體的溫度也被降到了100度以下。值得注意的是，這兩個定向排爆口的位置被設計在了一個非常安全的區域，避免了高溫射流對下車乘客和周圍車輛人員的二次傷害。
正壓阻氧：用特殊設計從根源消除火患
“大禹電池”的這項功能設計主要採取阻絕助燃物——氧氣（或者說外界空氣）的思路，其電池的PACK包排氣孔採用精細化設計，保證包內的壓力始終高於包外，避免燃燒過程中產生氧氣，帶入包內使其產生二次燃燒。
高溫絕緣：從細節上也能看得到的防護措施
“大禹電池”對電池包內部元件的高壓連線及高壓安全區域進行高溫絕緣防護設計，為的是消除熱失控過程中的高溫對電芯連線銅排線造成絕緣損傷，並防止高壓起弧損傷金屬箱體。
智慧冷卻：爭分奪秒中抑制熱擴撒
該技術是行業比較通用的技術，當電池管理系統識別到電芯已觸發熱失控，透過BMS和雲端雙重監控，確保整車快速開啟冷卻系統，抑制熱擴散。
採用單張大冷板與箱體整合設計方案，有效避免管路因高溫洩漏和爆裂問題，並且根據電芯和模組熱失控溫度狀態，智慧調節冷卻系統的開閉時間、流速、流量等，實現不同熱失控條件下、高效冷卻策略。
透過上述的各項抑制熱失控的措施，我們會發現整個“大禹電池”的系統架構確實非常的精細周到，那麼長城汽車是如何做到這麼細緻的設計規劃的呢？這就不得不提之前我們提到過的模擬模型技術了。
動力電池開發簡單來說可以分為整包設計，模組設計電芯設計和材料設計，需要機械、電氣、軟體、模擬、材料、化學等專業的工程師共同配合，才能設計成最終的產品交付整車使用，因此前期在人力資源和試驗成本的投入上非常大，並且整個開發的週期也非常漫長。
對於研發的手段和方法，長城汽車也進行了創新和突破，“大禹電池”開創性地建立了整包級熱失控燃燒模型，實現氣流、火流多維度的擬合模擬，填補了行業空白。同時也顛覆了在行業內熱失控領域先開發再測試的傳統開發方法，實現了在沒有實包的條件下，完全透過虛擬的數字化模擬來搭建燃燒模型。
熱失控傳熱傳導資料模擬雲圖-熱傳導定向排爆
那麼，“大禹電池”的排爆效果到底如何呢？守住電池安全底線，歷經同級最嚴高鎳電芯測試。“大禹電池”技術在產品驗證過程中依據測試標準GB38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》開展行業內最嚴苛的高鎳電芯測試驗證，研發團隊針對中鎳、高鎳、無鈷、鐵鋰等多種化學體系電池均在開展“大禹電池”技術多元化應用，實現了“電芯化學體系全覆蓋”，“任意位置電芯”，“單個或多個電芯”觸發熱失控的情況下整包不起火、不爆炸。
實驗影片中，長城汽車選取了行業內公認最具挑戰性的三元NCM 811高鎳電芯，對於這種電芯而言，雖然針刺和加熱的劇烈程度相當，但是加熱會產生大量高溫熱源，這對於電池包的考驗更加嚴苛，所以長城汽車採用了加熱觸發方法，同時觸發位置選擇了模組的中間電芯，而且選用了最嚴苛的兩個電芯、同時觸發的測試方法。
驗證過程中，抗住了最高1037℃高溫，電池包內氣壓達到三次高峰，連續3次熱失控，電池包依然不起火、不爆炸，如此電芯內部熱量被迅速導流，完全有效地保障了電池安全。
“大禹電池”安全技術可有效解決不同化學體系電芯發生熱失控之後的起火、爆炸問題。除能量密度可突破190Wh/kg的NCM811三元鋰電池，還包括未來隨著鎳含量提高電池能量密度更高的三元鋰電池。另外也包括三元鋰電池體系的NCA（鎳鈷鋁）電芯及無鈷電芯等，以及不同技術線路的磷酸鐵鋰電池。同時，“大禹電池”技術還可百搭不同PACK的應用技術，滿足未來CTC（Cell to Chassis）電池PACK與融合方式，進一步提升整體剛性。因此，“大禹電池”技術的全面應用可以最大程度保障動力電池市場的安全，對於行業和使用者都有著巨大意義。
編輯總結：
目前，“大禹電池”計劃於2022年全面應用於長城汽車旗下新能源產品，同時面向下一代全新電動車平臺，基於電池PACK與整車深度融合，將動力電池安全提升到全新高度。此外，“大禹電池”還將為全行業免費開放專利。可以說，為了解決電池安全問題，各個車企可謂絞盡腦汁。其中，廣汽埃安和嵐圖汽車相繼釋出了彈匣電池和三無琥珀電池技術，旨在防範電池爆炸及熱失控等難題。此次長城汽車“大禹電池”的橫空出世，再一次把動力電池安全推升到全新高度。
“大禹電池”技術是一套從單體、模組、系統到整車的安全技術，安全是從設計之初就根植的理念，並且“大禹電池”技術保證動力電池安全，在電池正常生命週期內永不起火、永不爆炸，在動力電池領域可謂獨此一家！我們期待“大禹電池”技術量產上車的表現。
