Säkerhet för elbilsbatterier: avvägningen mellan densitet och snabbladdning

En rad bränder i elbilar i oktober, inklusive i avancerade modeller som Xiaomi SU7 Ultra, NIO ET7, Li Auto MEGA, Mercedes-Benz EQE och Porsche Taycan, har återigen satt batterisäkerhet i förgrunden. Data och bevis visar att kapplöpningen om prestanda – från hög energitäthet till ultrasnabb laddning – sker på bekostnad av termisk stabilitet och kräver strängare riskhantering (via 36kr.com).

Hög energitäthet: fördelar med räckvidd, trycktermisk stabilitet

Övergången från litiumjärnfosfat (LFP) till litiumternära (NCM/NCA) positiva material har ökat energitätheten och utökat driftområdet. Jämfört med LFP, som har en stabil kristallstruktur och är svår att frigöra syre, minskar dock material med hög nickelhalt den termiska stabiliteten.

Marknadserfarenheterna tvingade branschen att anpassa sig: efter incidenter relaterade till NCM 811 (GAC Aion S år 2020; General Motors återkallade nästan 70 000 fordon år 2021 på grund av höga risker med nickelbatterier, LG Chem betalade 1 miljard dollar i kompensation), ändrades det populära NCM-förhållandet till 5-2-3/6-2-2 för att balansera prestanda och säkerhet. LFP är fortfarande i stor utsträckning förekommande i segmentet under 200 000 yuan på grund av kostnad, medan trekomponentsbatterier används för bilar i mellanklassen och high-end (till exempel använder Tesla trekomponentsbatterier för långdistansversionen, LFP för standardversionen).

Från 18650 till 4680, sedan CTP/CTC: volymetrisk effektivitet och risk för stora celler

Tillsammans med material har arkitektoniska förbättringar bidragit till att "komprimera" mer energi till samma volym. Den första Tesla Model S använde en cell-modul-paketstruktur: varje modul innehöll cirka 444 18650-celler, utrustade med sin egen BMS och kylrör; ett paket kunde ha 16 moduler, med brandsäkra material. Trenden sedan dess har varit att minska och eliminera moduler (CTP – Cell to Pack) och djupt integrera (CTC – Cell to Chassis).

Cylindriska celler ökade från 18650 till 21700 och 4680; på kubiksidan optimerade BYD Blade för att öka volymutnyttjandegraden med cirka 50 %, vilket höjde cellkapaciteten från 135 Ah till över 200 Ah. CATL med Qilin höjde volymutnyttjandegraden till 72 %, vilket överträffar 63 %-milstolpen på 4680; CTC-lösningar tas i massproduktion från 2022–2023.

Nackdelen: Storkapacitetsceller kan vid en intern kortslutning sprida värme snabbt, vilket bildar heta punkter och en mer intensiv termisk kedjereaktion. Tiden från rökning till antändning är därför mycket kort och svår att kontrollera. Förutom cellen är även förpackningsprocessen en riskpunkt: NIO återkallade 4 803 ES8-bilar under 2019 på grund av felaktig högspänningskablage i paketet.

Snabbladdningskapplöpningen 800V–10C: bättre upplevelse, smalare säkerhetsmarginal

Laddeffekt = spänning × ström. Den första generationen av 400V-bilar hade laddningshastigheter under 1C. Tesla ökade gradvis kompressorns effekt från 90 kW (V1) till 250 kW (V3), vilket ökade räckvidden med cirka 250 km efter 15 minuters laddning och vid 2–2,5C-laddningar.

Porsche Taycan var pionjärer inom 800V-plattformen med en snabbladdningskapacitet på 270 kW: ökad spänning minskar ström- och värmeförluster, vilket förbättrar säkerheten vid högeffektsladdning. Kinesiska tillverkare hann snabbt ikapp 800V och höjde batteriet till 4C eller mer; laddningskapaciteter överstigande 400 kW dök upp på marknaden. År 2023 tillkännagav Li Auto MEGA användningen av CATL Qilin 5C, med en maximal kapacitet på över 500 kW. BYD uppgav möjligheten att ladda 10C, "10 minuter räcker för 600 km"; enligt branschtester varar den maximala 10C-strömmen bara under en mycket kort tid.

I gengäld ökar kraven på isolering, skydd och ljusbågssläckning dramatiskt; den momentana kortslutningsströmmen är större och den termiska reaktionen kan vara mer intensiv. Vid höga strömmar bäddas litiumjoner in/separeras snabbt, vilket orsakar värmeutveckling och främjar dendriter, vilket förkortar livslängden. Enligt Li Bin (NIO) septemberaktie har strävan efter kompressorladdning ett pris, inklusive batteriets livslängd. NIO använder långsam laddning vid batteribytesstationer och siktar på 85 % livslängd på 15 år. "Tänk dig om du efter 8 års användning av bilen måste spendera 80 000 eller 100 000 yuan (11–14 000 dollar) för att byta ut batteriet... detta är en oacceptabelt hög kostnad."

Snabbladdningsmilstolpar och spänningsbas (efter källa)

System/fordon	Jord/spänning	Maximal effekt	Notera
Tesla kompressor V1 → V3	~400V	90 kW → 250 kW	~250 km/15 minuter; hastighet 2–2,5°C
Porsche Taycan	800V	270 kW	Minska ström- och värmeförlust
Många kinesiska företag	800V	>400 kW	4C-batteri eller högre
Li Auto MEGA + CATL Qilin 5C	800V	>500 kW	Tillkännagavs 2023
BYD 10C laddare	—	—	10 min ~600 km; 10C-strömmen varar mycket kort (enligt branschtester)

Nuvarande tekniska lösningar: kylning, termisk-elektrisk separation, BMS-optimering

Innan fasta batterier når industriell skala fortsätter optimering av flytande batterier att vara huvudinriktningen:

CATL Qilin placerar vätskekylplatta mellan cellerna för att öka värmeutbytet; anordnar en tryckavlastningsventil längst ner i cellen, separerad från positiv/negativ pol upptill för "värme-elektrisk separation".
Den finkorniga grafitbelagda negativa elektroden accelererar jondimmersion, stöder snabb laddning och minskar risken för "litiumplätering".
BYD Blades långa, tunna form är fördelaktig för värmeavledning; den täta layouten skapar en strukturell stödeffekt, vilket minskar behovet av traditionella tvärgående/längsgående balkar. Det finns dock fortfarande farhågor om ultralång cellböjning vid en krock.
BMS är utökat med realtidsövervakning av spänning, ström, temperatur; kretsavbrott och larm vid onormala temperaturer. Emellertid kan omedelbar kortslutning överstiga samplings-/svarshastigheten.

Solid state-batterier: hög potential, höga hinder

Solid state-batterier har utvecklats i tre decennier men har ännu inte nått industriell produktion på grund av FoU-utmaningar, processer och kostnaden för att övergå från det befintliga ekosystemet med flytande batterier. De flesta biltillverkare och batteritillverkare är inte redo att göra stora investeringar just nu.

Slutsats: Det finns ingen absolut säkerhet, bara en inlärningskurva

Ett välbalanserat batteripaket är en kombination av material, arkitektur, processer och BMS. I kampen om prestanda måste investeringarna i säkerhet öka i motsvarande grad och informationen till användarna måste vara ärlig, så att man undviker att dölja skillnader i risker.

Tillverkare strävar efter att minska felfrekvensen till ppb (delar per miljard). För användarna är dock en olycka "en på miljarden" fortfarande 100 % när den inträffar. Varje olycka är både en varning och data för optimering, som hur Tesla förbättrade sitt BMS genom tidiga självantändningar; kinesiska bil- och batteritillverkare följer också en liknande lärande- och förbättringsväg.

Källa: https://baonghean.vn/an-toan-pin-xe-dien-danh-doi-giua-mat-do-va-sac-nhanh-10310036.html