动力电池系统热失控方案对比 | 麒麟、刀片、弹匣、大禹...

2020年5月12日，工业和信息化部组织制定的GB 18384-2020《电动汽车安全要求》、GB 38032-2020《电动客车安全要求》和GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》三项强制性国家标准（下称“三项强制标准”）由国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会批准发布，将于2021年1月1日起开始实施。

电动汽车三项强制性国标发布，电池热失控需保证5分钟逃生时间。

自2019年，宁德时代推出CTP电池包技术以来，电池企业和车企的电池系统技术层出不穷，都将解决热失控和结构简化摆在了重要位置。

防止热失控解决的是安全问题，结构简化则是应对电池系统的能量密度提升需求。

热失控防护方形有侧重

从名称上可以看出设计的侧重点：

例如弹匣电池、琥珀、云母等名称，取意包裹，以堵为主，这些企业主要精力放在解决防止热失控层面上，包裹、隔热是主要目标，然后配合冷却系统进行热交换；

例如大禹电池，取意“大禹治水，疏而不堵”，在热交换上下的功夫更多，宁德时代CTP3.0麒麟电池和特斯拉4680 CTC也是类似。

有的则主要把电池包结构简化做到极致，兼顾结构强度，例如刀片电池CTB结构和CTP3.0的麒麟电池等电池；有的仍然有模组的路径，例如蜂窝电池、弹匣电池、大禹电池、奥特能电池，以及零跑的CTC。

接下来大家盘一盘业内不同企业的电池系统侧重点和解题思路。

热扩散防护不同思路解析

有堵、有疏、有灌封。。。

广汽弹匣电池：

通过网状纳米孔隔热材料、耐高温的上壳体来构筑安全舱，电芯热失控不至蔓延。材料方面，选择的是网状纳米孔隔热材料——二氧化硅基的软质纳米材料。这种纳米材料间隙大概是20纳米，空气在这种间隙中是不会流动的，导致热量很难随空气传导到外界。

弹匣电池上壳体耐热温度达1400℃以上，将热量控制在相对可控的范围内。

广汽在电池包的内部设计了导热路径，高温可以通过导热路径进行疏散（当电池包内压力过大的时候泄压阀会平衡电池包的压力）。同时热量会在电池包内进行流动并降温，配合大面积的全贴合液冷系统及时将温度控制到安全范围。

据广汽介绍，他们这个三维导热系统配合与模组全贴合的热冷系统，加上更宽的导热管路以及散热通道，也能使散热面积提升40%，散热效率提升30%。

岚图的琥珀和云母电池

岚图推出电池系统主打三维隔热墙技术，纯电车型的电池系统称为琥珀和增程版车型则被称为云母电池。

两种电池系统最大的差别在于材料和隔离方式不同，琥珀电池是在电池包内填充有机硅复合材料，将圆柱电芯包裹起来像“琥珀”，云母则是采用耐高温的云母片加气凝胶层叠堆叠。

天工电池

哪吒的天工电池也主打密舱式的电池包设计，哪吒汽车在电芯间采用了航天级的阻燃材料，隔热在1000度以上。

热管理方面，哪吒的思路是热电分离、定向热疏导以及高温绝缘等相对常规的方式。

江淮的蜂窝电池

通过模组电隔离与热隔绝方案实现单个电芯爆喷后能量释放受到控制；再通过简易电池包，通过模组防护、电池包排气路径设计,实现相邻模组间安全隔离。此外，还有液冷扁管进行热交换。公众号-新能源电池热管理；

特斯拉4680 CTC方案

这是海外拆解机构蒙罗MUNRO最新披露的照片，看了这个图，很清晰地就可以明白，它确实是实现了所想要的效果！特斯拉是将电芯做为整个电池、整车结构刚强度的一部分的，虽然马斯克已经说过，会利用电芯来承担部分的剪切力，并且，会直接把电池包上盖与乘员舱上盖集成。

基本上，它是用了整包灌胶的思路，从用途来看，胶以结构强度为主，让上、下、壳体内的所有零部件粘固为一体（除了Penthouse），电池包装配完成后，就像是一个水泥块！这样整个包、作为整体，它的力学性能非常好，你踩到上面，基本就像是踩在地板一样，是坚实的。

这里我们可以依稀看到4个“模组”的位置所在，这个老版的Model Y(图片|配置|询价)还是比较神似，比较大的差异在于由于它是在同一端进出水管，所以整个液冷管路区域占据的空间是比老版要大得多。

以疏为主——大禹、麒麟CTP、魔方

长城的大禹电池方案

以疏导为主，隔离为辅。

隔离方面，大禹电池的电芯能做到热源隔断，每个模组间也能做到热防护。模组间采用高温绝热复合材料，阻止火焰冲击和长时间传热传导。防护罩设计定向排爆出口，能快速将模组内部高温气火流排出。

电池发生热失控过程中会产生大量高温、高压气火流，大禹电池技术通过对多种类换流通道设计方案仿真模拟，实现换流强度和比例的精准化设计，有效控制热源按预定轨迹流动，减少对相邻模组的热冲击，可以避免再次引燃。

通过大量的仿真，对于气火流的强度和比例进行精准化的设计，根据气流强度的冲击的大小，温度的变化，按照热源轨迹去流动，避免对相邻的电芯相邻的模组产生急剧性的热冲击，引发第二次热失控。

目前看，蜂窝电池、弹匣电池、大禹电池、奥特能等电池系统仍然保留模组，在电池的集成度和空间利用率方面远不如无模组电池。

宁德时代麒麟电池CTP3.0版本

6月23日，CATL宁德时代正式发布CTP3.0麒麟电池，宣称其系统集成度创全球新高、体积利用率、能量密度等都有所突破：

主要提供了以下几个指标：

1、体积利用率破72%；

2、能量密度可达255Wh/kg，可实现整车1000公里续航，将于2023年量产上市。

3、快充4C性能；

4、导热性能提升50%；

宁德时代CTP3.0麒麟电池。从电池包集成角度来看，目前无出其右者，电池包的体积利用率最高可达72%，能量密度最高可达255Wh/kg，可实现整车超过1000公里续航。

麒麟电池的集成度高，主要得益于其将电池包中横纵梁、水冷板与隔热垫原本分开的结构整合，电池包内部放置电芯的空间得以有效提升。

上汽的魔方电池

上汽的电芯是躺式放置，只有两层电芯，一旦一颗电芯热失控，只会蔓延到它上下那颗接触面积大的电芯，并通过水冷系统带走一部分热量。公众号-新能源电池热管理；

左右两侧的电芯由于接触面积小，且有隔热材料防护，热失控的几率大为减小，因此电芯的热失控整体是可控的，不会带来多米诺骨牌效应。

总结起来，就是由于上下两颗电芯是大面接触，一旦发生热失控以牺牲上或下面的电芯为代价，以减少左右两侧的热传导，然后通过立式冷却组件，将热传导出去。

目前来看，宁德时代和比亚迪的CTP技术是彻底取消了电池包的横纵梁，不过，比亚迪的CTB结构、上汽魔方电池以及特斯拉CTC结构仍然存在结构梁。从结构图上看，比亚迪有一根横纵梁、魔方电池有两根，特斯拉CTC似乎也有三根横梁。

电池-卷芯摆放有技巧

除了电池包结构上的设计，车企和电池企业在电芯的摆放上也煞费苦心。例如，上汽的魔方电池，主要特点就是躺式电芯。

宁德时代CTP3.0的麒麟电池电芯是倒置。

立式电芯一般都会被电芯壳体的顶盖厚度、顶盖底部到隔膜的距离、底托片厚度等占据，在高度方向上利用率并不高。

魔方的躺式电芯有效改善了这一情况，不仅电池包高度方向得到了充分利用，电池中活性材料的占比也大大提升，从而导致体积利用率则明显提高。

江淮的蜂窝电池也是采用电芯横向摆放的方式，这倒是圆柱电芯常见的摆放形式。

宁德时代倒置电芯的方式，显然比躺式电芯电池包的空间利用率更高。

倒置电芯，失控排气和底部球击共用空间，就给电芯多留出了中6%的空间。

麒麟电池包的体积利用率最高可达72%，应该是比魔方电池躺式电芯，空间利用率更高。

目前来看，电池包系统集成角度来看，比亚迪和宁德时代的优势最大。不过比亚迪的问题在于，其刀片电池是非标电芯，在规模上优势并不明显。而宁德时代则可以通过标准化的电芯来达到规模优势。公众号-新能源电池热管理；

此外，比亚迪的刀片电池结构更适合磷酸铁锂电芯，仰仗的是材料的热稳定性较高，但是应用到高镍的三元电池领域，电芯的大面接触，热传导速度会很快，电芯长宽的优势可能会变成劣势。

宁德时代最新一代的CTP3.0麒麟电池包，目前看可采用的目前所有主流化学体系，包括钠离子电池。

不过，比亚迪的CTB结构推出，领先宁德时代一步达成电池车身的一体化结构，从整车到电池的集成角度看更领先一步。

由于目前特斯拉4680 CTC结构的信息相对较少，不好判断。就目前情况看，宁德时代和比亚迪在电池系统的设计上更具系统性，确实处于行业的领先位置。

热失控防护材料有料

金云母：

云母具有优良的电绝缘性能，且耐火阻燃性能好，具有一定的机械强度，优越的抗腐蚀性能和低吸水能力。

气凝胶：

三元锂电池高温性能差，在车辆发生事故燃烧时，或者电池热失控燃烧过程中，将气凝胶毡用于电池箱顶部与模组之间，防止火焰蔓延，延缓热量传递；

气凝胶孔洞平均直径为20-50nm，小于空气平均自由程70nm，有效抑制空气对流；高孔隙率，高比表面积，能延长传热路径，有效抑制热传递，同时有效阻隔辐射传热。

关于热失控防护材料：

1）主流的保温隔热防火材料，在电池包中的成本一般为多少？

电芯间气凝胶垫4-8元/pcs，一般每2个电芯放置一片，或间隔1个电芯放一片；按80片计算，约320-640元。

2）国内主要保温隔热防火材料生产企业有哪些？主流电池厂的采用的国产为主、还是外资为主？

平江县岳峰云母新材料有限公司、纳诺科技等。

3）主流材料是以气凝胶和云母板为主吗?电池单体之间用气凝胶，电池包顶盖用云母板？

是的。中间气凝胶、顶盖云母板为主。

包裹兼顾其他硅酸盐纤维+云母带等复合材料、陶瓷化硅橡胶等。

4）宁德的麒麟电池，隔热垫是什么材料？是否还使用气凝胶、云母板等隔热防火材？

麒麟目前是大面冷却方案，电芯中间是口琴管冷板，材质一般为AL3003，不需要气凝胶等隔热材料。

5）BYD，刀片电池是否还使用气凝胶、云母板等隔热防火材？

是的，刀片电池也只是把外壳加大加长，基本的结构还是方形方案，顶盖云母属于常规操作。

6）BYD，圆柱电池的隔热防火材是什么？是否与琥珀电池类似？

圆柱目前主流是4680，一般考虑采用灌封胶灌封，如发泡聚氨酯胶水等作为热失控防护；

7）长城蜂巢大禹电池，电芯间的双层复合材料，是什么材料？

推测为气凝胶+硅胶框，气凝胶隔热，硅胶框缓冲。

8）长城蜂巢大禹电池，模组间的高温绝热复合材料，是什么材料？

推测为PC片+云母板双层

9）岚图汽车的琥珀电池，使用的有机硅复合材料以外，还使用气凝胶、云母板等隔热防火材？

电池包内加入层状Al-Si云母和气凝胶，层叠堆积，顶盖内放置云母。

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