从小米SU7着火看锂电池热蔓延

锂电数码书 2024-09-20 17:19:05

2024年9月16日上午10点03分左右,在南京南站附近道路上一辆SU7发生意外交通事故,经初步确认,车辆在行驶过程中因路面湿滑,驾驶人操作不当,导致车辆冲出车道撞向隔离花坛区。车辆前杠和底盘区域撞上隔离带周边的连续方形石块(约28cm*30cm*50cm),撞击导致电池底部严重受损,怀疑电池内部受撞击发生局部短路,出现短时冒烟和明火,并向下泄压,幸运的是仅造成驾驶员受伤。

根据微博网友提供的视频可以看到,这台小米SU7并未安装顶部的激光雷达,应该属于Pro或标准版,搭载的电池可能是宁德时代或弗迪的磷酸铁锂电池。

其中标准版采用了弗迪的刀片电池方案,装配了短刀磷酸铁锂电芯,整包电压达到486V,假设单体电芯上限电压为3.8V,则大概需要128颗电芯串联,每个电芯能量约为575Wh,容量约为180Ah。

从之前小米放出的工厂内部视频可以看出,小米估计是直接采购了弗迪的短刀电芯,然后在自家产线上完成涂胶和pack装配。这种CTP的模式可以大大提高装配效率,节省生产成本。

然后是Pro版本,使用了CATL的神行电池,共120颗电芯,每个电芯能量约为786Wh。与CATL昨天上新的神行电池不同的是,小米采用了类似特斯拉电池包的双层结构,一层电芯,二层控制单元,这样做可以节省整车底盘的纵向空间。

如果放大图片观察,可以发现每个电芯朝上的面有裸露的铝壳体,估计采用了和麒麟电池相同的电芯倒置安装,为了进一步提升电池包能量密度。

这与极氪009搭载的第一代麒麟电池不同,这里的电芯正负极是朝上的,只有泄压阀朝下,这样可以在电芯热失控时保证乘客舱免受着火风险,同时也降低了底盘变形导致的电芯正负极短路的几率。

笔者记得特斯拉的Cybertruck也采用了电芯底部泄压的设计,由于Cybertrcuk的越野属性,需要抵挡石块和树枝,所以特斯拉直接将电芯与Pack底护板之间的空间拉大,从而获得一定的缓冲。

反观网友拆解的小米SU7 MAX版麒麟电池,摘掉电池底板后可以发现,电芯正负极连接片与边梁高度差十分有限,类似南京这场事故中的石块(约28cm*30cm*50cm),很可能会在一定速度下挤压到电连接,造成热失控风险。

车辆高速行驶状态下,如果出现电池变形导致的热失控,的确很难通过BMS(电池管理系统)预警来减少损失,但如果电池是在日常使用时因内部老化而产生应力变化,是否有可能向车主发送警报呢?

其实在2023年的JPS杂志中,欧阳明高课题组就针对方形电芯的应力变化预警进行了研究。

研究使用了3款不同容量的电芯,并在电芯内部埋入热电偶,然后将电芯、云母板、加热片在一定预紧力下组装成简易模组,最后以一定加热功率触发单体电芯热失控,监测电芯内部应力和温度随时间变化的关系,从而得到合适的预警时间点。

实验结果表明:

(1) 热失控应变趋势可分为3个阶段:a. 稳定增长阶段:由于热膨胀和产气/聚集的耦合影响,壳体应变随电池温度增加;b. 快速升高阶段:当电池热失控触发时,隔膜收缩后剧烈的电化学反应会产生大量的热量和气体,导致壳体应变和温度急剧升高;c. 释放阶段:当阀内压力达到阀值时,气体、烟雾、颗粒从阀内喷出。电池外壳应力显著释放。此外,一些特征现象与应变曲线的变化相对应,如“第一次排气”、严重的燃烧、爆炸或“主排气”后的烟气排放。

(2)随着电池容量的增加,方形电池变厚,卷芯数增加,第一阶段的应变增量和增加速率RI不明显。然而,在快速增加阶段(Δεmax),由于大尺寸电池内部产生更多的反应物质和气体,应变增量更为显著。提出了大尺寸方形电池的Δεmax-Q、RI-Q和RII-Q方程,可用于BMS的热失控力学预警阈值定义。

(3)比常规电信号更早检测到应变增加,为热失控触发前的逃生和救援提供了更多的时间。加速侧向加热试验证明,在相同加热功率(700W)下,电池样品C的应变信号提供了500s以上的间隔。随着大尺寸方形电池在交通运输/储能领域的应用越来越广泛,应变信号对主动安全的贡献越来越大。

(4)在热蔓延过程中也可以证明各电芯的应变增加和释放。排气后,每个电芯变空变软,热失控电芯膨胀抑制邻近电芯。然而,下一个电芯的热失控不是用刚性外壳触发的。因此,在热蔓延过程中,热失控电芯只能抑制前面的电芯。碎片的变形方向与热蔓延方向相反。此外,Δεmax,在TRP过程中n一般随着电芯指数的增加而增加。

文章来源:锂电网

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