【EV視界技術(shù)解析】大禹治水的傳說人盡皆知，話說在上古時(shí)代三皇五帝時(shí)期，黃河泛濫，鯀、禹父子二人受命于堯、舜二帝，任崇伯和夏伯，負(fù)責(zé)治水。而鯀因只知筑壩擋水，九年過去了洪水依然無從消退。后來其子禹吸取了鯀治水失敗的教訓(xùn)，采取疏導(dǎo)的辦法治水。他和千千萬萬的人一起，疏通了很多河道，讓洪水通過河道，最后流到大海里去，洪水終于退了。

面對洪水，大禹與其父的做法完全不同，他采取了“變堵為疏”的理念，通過導(dǎo)流泄洪的方式，征服了洪水。可誰又能想到今天，這一智慧精髓居然被運(yùn)用栽倍受關(guān)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(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車，新能源車型正在成為主流，目前市面上的多數(shù)車型在購車成本、續(xù)航里程、充電時(shí)間和殘值等問題上都有相應(yīng)的提升，為了提高電動汽車與傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，很大程度上要取決于高鎳電池的發(fā)展。但隨著鎳含量的提高，正極材料的穩(wěn)定性也隨之下降，導(dǎo)致熱失控引發(fā)電池自燃風(fēng)險(xiǎn)上升。

有數(shù)據(jù)顯示，在2020年國內(nèi)的新能源汽車事故中，因電池問題而導(dǎo)致的事故占據(jù)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(dǎo)致它誘發(fā)的原因包括機(jī)械電氣誘因（電池碰撞擠壓、針刺等）和電化學(xué)誘因（電池過充過放、快充、低溫充電、自引發(fā)內(nèi)短路等）。一般來說，電池在放電的過程中，其所產(chǎn)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(biāo)，當(dāng)電池達(dá)到450℃時(shí)則會引起電解液燃燒，從而引發(fā)熱失控。

而當(dāng)一個(gè)電池單體發(fā)生熱失控之后，相鄰單體受影響后也相繼發(fā)生熱失控，導(dǎo)致熱失控蔓延造成的連帶效應(yīng)后引發(fā)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，在借助風(fēng)力等因素后，會逐漸蔓延起來，形成大范圍的森林火災(zāi)。

熱失控仿真模擬

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，一些車企品牌采用了如同大禹其父鯀的做法，試圖以“封堵”辦法去解決，比如通過正極摻雜改性、陶瓷涂層、特制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(dǎo)到安全區(qū)域，這樣比堵的效果要好得多，因此“大禹電池”安全技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

“大禹電池”

“大禹電池”并不是一種新的電池，它是一種提高電池安全的重要技術(shù)，采用“控+導(dǎo)=通”的核心技術(shù)原理，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，從而解決熱失控導(dǎo)致的起火和爆炸問題。簡單來說就是，如果電池包中的一個(gè)電芯出現(xiàn)了熱失控問題，那就在短時(shí)間內(nèi)將該電池的熱量按照一個(gè)設(shè)計(jì)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(shù)對電池進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，搭建4層5維安全矩陣，采取8大創(chuàng)新設(shè)計(jì)，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、智能冷卻等，覆蓋熱源抑制、隔離、冷卻、排出等各項(xiàng)領(lǐng)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“防火墻”

當(dāng)電芯出現(xiàn)熱失控時(shí)，如果在它即將爆發(fā)的初期就將它控制在一個(gè)范圍里，可以說是一個(gè)非常有效的手段。

“大禹電池”的熱源隔斷技術(shù)分為兩個(gè)部分即電芯隔斷和模組防護(hù)。其中，電芯隔斷是指在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（泛指二氧化硅氣凝膠，有導(dǎo)熱率低、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，但材質(zhì)密度較低，不堅(jiān)固）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。

另外的模組防護(hù)，就是指在電池模組之間采用高溫絕熱復(fù)合材料，而該材料要比電芯所采用的復(fù)合材料更加堅(jiān)硬，如此可阻止火焰沖擊和長時(shí)間熱傳導(dǎo)。值得注意的是，整個(gè)外包裝在電芯模組的防護(hù)罩上，設(shè)計(jì)了一些小開口，它的作用就是將電池模組內(nèi)的熱失控能量釋放出去，通過一個(gè)定向排爆的出口釋放，這樣可快速的將模組內(nèi)部高溫氣火流排出，避免模組內(nèi)部熱蔓延。

模組防護(hù)

所以綜合看出，“大禹電池”熱源隔斷的設(shè)計(jì)就是將因熱失控而導(dǎo)致燃燒爆炸的電池或整塊電池組都封堵在一個(gè)預(yù)定的空間里，并將所釋放出的火焰熱流通過預(yù)定線路引向排爆口釋放。這就好比在飯館吃燒烤一樣，每個(gè)餐桌都設(shè)計(jì)了獨(dú)立的隔斷和吸油煙管道，即便燒烤油煙再大，通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(jìn)餐了。

熱失控傳熱傳導(dǎo)數(shù)據(jù)仿真云圖-熱傳導(dǎo)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(gè)電池模組的四周，預(yù)留了多種類換流通道的設(shè)計(jì)，可以將熱失控所產(chǎn)生的的高溫、高壓氣火流引導(dǎo)出去并向溫度和氣壓較低的區(qū)域擴(kuò)散，這就如同遭遇洪水的大壩泄洪一樣，分擔(dān)壓力，按照預(yù)定軌跡及時(shí)遠(yuǎn)離電芯區(qū)域，從而減少對相鄰模組的熱沖擊，避免再次引燃。

換流通道

熱流分配：熱源導(dǎo)流背后的“軍師”

其實(shí)，如果你要是認(rèn)為“大禹電池”的雙向換流技術(shù)只是設(shè)計(jì)了幾個(gè)導(dǎo)流通道，那可就大錯(cuò)特錯(cuò)了。因?yàn)槌藢?dǎo)流通道的設(shè)計(jì)，還需針對爆燃時(shí)所產(chǎn)生的燃燒、力學(xué)、壓強(qiáng)等進(jìn)行多方面考慮，因此需要通過電腦技術(shù)來搭建電池包熱失控燃燒模型，在少占用電池包空間的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)將氣流、火流在多種結(jié)構(gòu)通道內(nèi)的均勻分布，由此擺脫了熱源匯集一處而造成該區(qū)域形成高溫的現(xiàn)象，避免了再次引發(fā)其他電芯熱失控的可能，這也算是為整個(gè)電池包的安全設(shè)計(jì)起到了有力的數(shù)據(jù)支撐。

這張圖就是通過多種電池模組熱失控之后得到的熱源擴(kuò)散數(shù)據(jù)圖，而這也是針對電池的安全數(shù)據(jù)做出的有力保障。

定向排爆：讓高溫氣體“降火氣”的核心技術(shù)

當(dāng)電芯發(fā)生熱失控之后，雙向換流便開始發(fā)揮作用，其后便是通過分流、導(dǎo)流與換流將火源快速地轉(zhuǎn)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，并且內(nèi)部是異形結(jié)構(gòu)，所以如何讓氣火流在這里均勻分布是一個(gè)巨大的難點(diǎn)，而這也是“大禹電池”最核心的技術(shù)。目前已攻克了起火熱源在通道內(nèi)壓力和流量分布不均的難點(diǎn)，消除了熱量集中，使氣火流在通道內(nèi)分層均勻流動。

據(jù)測算，定向排爆技術(shù)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(nèi)，然后再將其進(jìn)行快速分散以使得排出電池包外的氣體溫度低于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仿真

自動滅火：用特定結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)火焰快速抑制和冷卻

自動滅火功能是在定向排爆出口設(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。在我們的生活中有這樣一個(gè)小常識：同樣是從嘴巴里面出來的氣體，可是哈氣是屬于熱的，吹氣就是冷的，這到底是什么原理呢？其實(shí)這是因?yàn)楣鈺r(shí)，嘴張開的面積較大，哈出的氣體速度相對較慢。當(dāng)哈出的氣體撞擊皮膚并返回的過程中，基本沒有加速蒸發(fā)，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(shí)，氣體的流速快且截面小，這就相當(dāng)于一股湍流，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(yuǎn)，熱量散失也越多，所以如果你靠近嘴唇吹氣就會發(fā)現(xiàn)，它一開始也是熱的。

 “大禹電池”也基本沿用了這個(gè)原理，在整個(gè)電池包的底端，有兩個(gè)黑色的凸起的結(jié)構(gòu)，它就是整個(gè)“大禹電池”的定向排爆口。其采用了多層不對稱的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，可以起到將引導(dǎo)來的高溫氣體快速冷卻和熄滅。

蜂窩孔火流強(qiáng)度仿真 

從仿真模擬的數(shù)據(jù)動態(tài)圖可以看出，通過定向排爆口噴射出去的高溫氣體在不到3秒的時(shí)間內(nèi)得到了有效抑制，并且整體的溫度也被降到了100度以下。值得注意的是，這兩個(gè)定向排爆口的位置被設(shè)計(jì)在了一個(gè)非常安全的區(qū)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(shè)計(jì)從根源消除火患

“大禹電池”的這項(xiàng)功能設(shè)計(jì)主要采取阻絕助燃物——氧氣（或者說外界空氣）的思路，其電池的PACK包排氣孔采用精細(xì)化設(shè)計(jì)，保證包內(nèi)的壓力始終高于包外，避免燃燒過程中產(chǎn)生氧氣，帶入包內(nèi)使其產(chǎn)生二次燃燒。

高溫絕緣：從細(xì)節(jié)上也能看得到的防護(hù)措施

“大禹電池”對電池包內(nèi)部組件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)，為的是消除熱失控過程中的高溫對電芯連接銅排線造成絕緣損傷，并防止高壓起弧損傷金屬箱體。

智能冷卻：爭分奪秒中抑制熱擴(kuò)撒

該技術(shù)是行業(yè)比較通用的技術(shù)，當(dāng)電池管理系統(tǒng)識別到電芯已觸發(fā)熱失控，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。

采用單張大冷板與箱體集成設(shè)計(jì)方案，有效避免管路因高溫泄漏和爆裂問題，并且根據(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。

通過上述的各項(xiàng)抑制熱失控的措施，我們會發(fā)現(xiàn)整個(gè)“大禹電池”的系統(tǒng)架構(gòu)確實(shí)非常的精細(xì)周到，那么長城汽車是如何做到這么細(xì)致的設(shè)計(jì)規(guī)劃的呢？這就不得不提之前我們提到過的仿真模型技術(shù)了。

動力電池開發(fā)簡單來說可以分為整包設(shè)計(jì)，模組設(shè)計(jì)電芯設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)，需要機(jī)械、電氣、軟件、仿真、材料、化學(xué)等專業(yè)的工程師共同配合，才能設(shè)計(jì)成最終的產(chǎn)品交付整車使用，因此前期在人力資源和試驗(yàn)成本的投入上非常大，并且整個(gè)開發(fā)的周期也非常漫長。

對于研發(fā)的手段和方法，長城汽車也進(jìn)行了創(chuàng)新和突破，“大禹電池”開創(chuàng)性地建立了整包級熱失控燃燒模型，實(shí)現(xiàn)氣流、火流多維度的擬合仿真，填補(bǔ)了行業(yè)空白。同時(shí)也顛覆了在行業(yè)內(nèi)熱失控領(lǐng)域先開發(fā)再測試的傳統(tǒng)開發(fā)方法，實(shí)現(xiàn)了在沒有實(shí)包的條件下，完全通過虛擬的數(shù)字化仿真來搭建燃燒模型。

熱失控傳熱傳導(dǎo)數(shù)據(jù)仿真云圖-熱傳導(dǎo)定向排爆

那么，“大禹電池”的排爆效果到底如何呢？守住電池安全底線，歷經(jīng)同級最嚴(yán)高鎳電芯測試?！按笥黼姵亍奔夹g(shù)在產(chǎn)品驗(yàn)證過程中依據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)GB38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》開展行業(yè)內(nèi)最嚴(yán)苛的高鎳電芯測試驗(yàn)證，研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對中鎳、高鎳、無鈷、鐵鋰等多種化學(xué)體系電池均在開展“大禹電池”技術(shù)多元化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了“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)熱失控的情況下整包不起火、不爆炸。

實(shí)驗(yàn)視頻中，長城汽車選取了行業(yè)內(nèi)公認(rèn)最具挑戰(zhàn)性的三元NCM 811高鎳電芯，對于這種電芯而言，雖然針刺和加熱的劇烈程度相當(dāng)，但是加熱會產(chǎn)生大量高溫?zé)嵩?，這對于電池包的考驗(yàn)更加嚴(yán)苛，所以長城汽車采用了加熱觸發(fā)方法，同時(shí)觸發(fā)位置選擇了模組的中間電芯，而且選用了最嚴(yán)苛的兩個(gè)電芯、同時(shí)觸發(fā)的測試方法。

驗(yàn)證過程中，抗住了最高1037℃高溫，電池包內(nèi)氣壓達(dá)到三次高峰，連續(xù)3次熱失控，電池包依然不起火、不爆炸，如此電芯內(nèi)部熱量被迅速導(dǎo)流，完全有效地保障了電池安全。

“大禹電池”安全技術(shù)可有效解決不同化學(xué)體系電芯發(fā)生熱失控之后的起火、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(shù)線路的磷酸鐵鋰電池。同時(shí)，“大禹電池”技術(shù)還可百搭不同PACK的應(yīng)用技術(shù)，滿足未來CTC（Cell to Chassis）電池PACK與融合方式，進(jìn)一步提升整體剛性。因此，“大禹電池”技術(shù)的全面應(yīng)用可以最大程度保障動力電池市場的安全，對于行業(yè)和用戶都有著巨大意義。

編輯總結(jié)：

目前，“大禹電池”計(jì)劃于2022年全面應(yīng)用于長城汽車旗下新能源產(chǎn)品，同時(shí)面向下一代全新電動車平臺，基于電池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(yè)免費(fèi)開放專利?？梢哉f，為了解決電池安全問題，各個(gè)車企可謂絞盡腦汁。其中，廣汽埃安和嵐圖汽車相繼發(fā)布了彈匣電池和三無琥珀電池技術(shù)，旨在防范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(shù)是一套從單體、模組、系統(tǒng)到整車的安全技術(shù)，安全是從設(shè)計(jì)之初就根植的理念，并且“大禹電池”技術(shù)保證動力電池安全，在電池正常生命周期內(nèi)永不起火、永不爆炸，在動力電池領(lǐng)域可謂獨(dú)此一家！我們期待“大禹電池”技術(shù)量產(chǎn)上車的表現(xiàn)。