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特斯拉圆柱锂电池电芯热失控讨论

电源技术 | 发布时间:2018-08-29 | 人气: | #评论# | 本文关键字:特斯拉,锂电池,电芯
摘要:与软包和方形锂电池相比,圆柱形锂电池(从18650=21700)在电芯层面的发展潜力到底未来能到何种地步,是非常值得评定和判定的。 特斯拉的电芯尺寸从18650提高到21700,在电芯层面是有很多的

与软包和方形锂电池相比,圆柱形锂电池(从18650=>21700)在电芯层面的发展潜力到底未来能到何种地步,是非常值得评定和判定的。特斯拉的电芯尺寸从18650提高到21700,在电芯层面是有很多的改善的:

1)适当提高能量密度情况下,正负极材料优化就可以得到较大的容量,性能稳定、性价比高;

2)可以在空间内进行结构优化,实际上圆柱电芯的端盖取消了,内部也做了极耳优化,正负极尽量节约,直接在表面bonding熔丝以降低内阻;

3)同样能量密度下,可以选择更好的负极材料,改善快充性能;

4)适当增加直径和高度可以获得更多的有效体积。

作为生产自动化程度最高,从总的电芯未来的发展来看,除了在特斯拉使用之外,始终处于一种相对低谷的状态。而随着成本下降、能量密度提高,我们越来越关注规模生产下的电芯的安全性,特别是未来电池系统在车上的表现,使得我们对这个事情越来越在意。

电芯的风险图谱

图1 电芯的风险图谱

圆柱电池单体主要由正极,负极,隔膜,正极负极集电极,安全阀,过流保护装置,绝缘件和壳体共同组成。早在2009年Kurt Kelty 《The battery technology behind the wheel》的讲演中,就道出了这条路线的真谛:

1) 使用安全&可靠的电芯

2) 阻止电芯热失控

3) 阻止电芯热失控之后的热蔓延

4) 进行冗余的监控和保护

5) 在物理上结构上保护电池

6) 对电芯进行延伸性的测试和验证

特斯拉最早的电池安全设计理念

图2 特斯拉最早的电池安全设计理念

1) 电芯层面的坚守和妥协

如下图所示,特斯拉早期在2009年使用的电芯其实也是能过针刺的。在18650层面,提高电芯的容量和能量密度已经进行打折,而随着21700尺寸的变化,使得单体电芯容量增大,辅助构件比例降低,降低电芯成本的同时,也使得电芯的激发过程中的产热量和火焰情况有着很大的提升。

特斯拉随着电芯能量密度的提高,NCA对于针刺是很脆弱的

图3 特斯拉随着电芯能量密度的提高,NCA对于针刺是很脆弱的

2) 电芯热失控过程中的核算

如下图所示,在18650和21700NCA电芯的激发过程中,一个是要保证电芯与其他电芯之间的电气脱离,一个是要仔细保持电芯之间的间距和隔热处理,以保证电芯产生的气体热量、本体热量和火焰喷出物得到妥善的处理。

电芯在其中的处理过程

图4 电芯在其中的处理过程

其实这是最重要的,随着特斯拉的不断变化,之前在电池系统里排布各种传感器Battery pack sensors –Multiple temperature sensors 、Accelerometer 、Tilt sensor 、Humidity sensor 、Immersion sensor 、Under/Over voltage 、Over current,不少都做了优化,核心的还是在热失控方面予以足够的重视。

3) 在Pack层面的改变

在Model S/X上面,用了大量的隔热材料、模组上的泄压阀和辅助的泄压模块,基本是在模组内出现系统性的热扩散之后的对应排气策略。而在Model 3上相应的简化工作,实际上也是进一步在pack削减成本。而加强模组的热传播可控性,和降低电芯的热传播的过程。


责任编辑:锂电池电芯热失控
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