鉅大LARGE | 點擊量：1866次 | 2019年01月16日
電動汽車安全性四大問題解讀
今天主要從四個方面分享電動汽車安全性問題。
首先是電動汽車發(fā)生事故的統(tǒng)計情況。根據(jù)統(tǒng)計，近年來電動汽車自燃起火基本發(fā)生在碰撞后，國內(nèi)電動汽車起火有如下特征：
一半以上為三元電池，少數(shù)為磷酸鐵鋰電池；
以圓柱形電池為主，此類型電池鋼殼包裹，一旦發(fā)生熱失控，就會引發(fā)爆炸，并引燃其他電池；
充電失火的事故占比較大；
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
一般情況下，熱失控大都發(fā)生在滿電狀態(tài)下，因為充電時，電池與充電系統(tǒng)連接在一起，熱失控最易發(fā)生，再加上高壓電器的短路問題等，就會引起事故。
新舊車型都有，系統(tǒng)能量密度不高。
新舊車型都有發(fā)生事故的可能，這些事故車輛主要是前幾年生產(chǎn)，總體來看，電池系統(tǒng)比能量不是很高。
大量研究表明，新能源汽車發(fā)生起火事故的主因是電池?zé)崾Э?。電池?zé)崾Э氐臋C理是電池達到一定溫度時，引發(fā)連鎖放熱負反應(yīng)，導(dǎo)致溫度快速上升，最高速度可達到每秒鐘溫升接近1千度。
據(jù)悉，引起電池過熱的原因很多，例如電池包本身溫度不均勻、局部區(qū)域溫度高、過充放、內(nèi)外短路以及密封性差或機械碰撞等原因。
新能源汽車產(chǎn)品質(zhì)量問題
新能源汽車起火，主要是產(chǎn)品質(zhì)量問題，并不是技術(shù)路線問題。
產(chǎn)品質(zhì)量問題是指產(chǎn)品在設(shè)計、制造、驗證、使用過程中沒有嚴格遵守相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。分為如下三類：
1、電池產(chǎn)品測試驗證不足
由于補貼退坡政策周期是一年一次，與產(chǎn)品的開發(fā)周期匹配度不足。具體來看，化學(xué)材料體系的改進需一年以上，但企業(yè)沿著補貼政策方向走，盲目追求高比能量，縮短測試驗證時間，甚至為了縮短開發(fā)周期選擇物理改進方法，例如把電池活性材料增厚，隔膜減薄，造成電池比能量上升的假象，實際上安全性能嚴重下降。
電池測試驗證手段不完善，無法反映實車的使用條件，很大一部分企業(yè)并沒有建立公司內(nèi)部的電池安全測試標(biāo)準(zhǔn)，甚至部分企業(yè)沒有電池安全測試的能力，以致于生產(chǎn)出的電池質(zhì)量參差不齊。
2、車輛使用過程中可靠性惡化
車輛使用過程中可靠性降低，全生命周期中防水效果不佳。通常電池的密封性要通過IP67標(biāo)準(zhǔn)，但車輛長時間使用后，密封性變差，車輛進水，造成短路。另一方面，電池激光焊接的接頭內(nèi)部易出現(xiàn)空隙，導(dǎo)致阻抗增加，進而發(fā)熱產(chǎn)生高溫點，最終引起熱失控。還包括電池系統(tǒng)和充電機高壓電器老化，充電時接觸器經(jīng)常開斷，造成接觸器表面高溫?zé)龘p或者粘連。
3、充電安全管理技術(shù)水平低下
充電過程中數(shù)據(jù)通訊不規(guī)范，BMS的廠商和充電機的廠商未嚴格執(zhí)行新頒布GB/T27930-2015《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》國家標(biāo)準(zhǔn)，不嚴格執(zhí)行充電安全的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。具體包括，直流充電未采用專用網(wǎng)絡(luò)，與整車總線共用，導(dǎo)致充電網(wǎng)絡(luò)充斥大量無關(guān)數(shù)據(jù)，負載率高；BMS充電管理未按照功能安全要求進行設(shè)計，在電壓、電流檢測失效情況下，無法有效避免過充；充電機未與BMS建立有效的充電配合與功能校驗，在BMS失效情況下，無法及時停止充電等。
動力電池技術(shù)發(fā)展趨勢
高比能量電池面臨更嚴峻的安全技術(shù)挑戰(zhàn)。根據(jù)中國新能源汽車動力電池比能量發(fā)展趨勢，預(yù)計不久會向300瓦時/公斤的高比能量電池邁進，高鎳三元811電池將很快進入市場。
電池安全共性技術(shù)問題
高比能量電池比原來相對低比能量電池所面臨的安全技術(shù)要求更高。針對此情況，清華大學(xué)專門建立了電池安全實驗室開展相關(guān)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)，與國內(nèi)外企業(yè)和研究機構(gòu)開展了廣泛合作，包括寶馬、奔馳、日產(chǎn)等公司，主要研究如下三方面：
熱失控的誘因，包括熱、電、機械等原因；
發(fā)生熱失控的機理是什么，如何在材料設(shè)計層面加以防護；
熱蔓延，一旦單體電池?zé)o法防止熱失控，需配備二次防護，在系統(tǒng)層面切斷熱失控。
截至目前，電池安全實驗室已經(jīng)取得了如下研發(fā)成果。
高比能量單體動力電池?zé)崾Э匕l(fā)生機理與抑制
在電池?zé)崾Э匕l(fā)生機理與抑制方面，采取了兩種試驗方法，一是從材料熱穩(wěn)定性研究差示掃描量熱儀，另一個是電池單體熱失控測量的加速量熱儀。
1、建立各種類型動力電池特征溫度數(shù)據(jù)庫
根據(jù)實驗曲線，提出了高比能量電池?zé)崾Э貢r三種特征溫度的定義。當(dāng)電池溫度升到一定程度，電池自產(chǎn)熱，此溫度為T1；產(chǎn)熱到無法抑制，熱失控觸發(fā)，此溫度為T2；最后溫度上升到最高點為T3。
高比能量單體動力電池?zé)崾Э刂饕赥2-T3階段，發(fā)生機理不清，通常認為該現(xiàn)象是內(nèi)短路造成的。但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，即使沒有內(nèi)短路，熱失控還會發(fā)生。原因是高比能量電池的耐高溫新型隔膜到200度以上無變化，電解液基本蒸發(fā)完全，而在230-250度時，正極材料相變放出的氧與負極反應(yīng)產(chǎn)生了放熱高峰。
通過對比各種不同鎳含量的三元鋰離子電池差異性，可以得出如下初步結(jié)論：
高鎳正極對全電池的安全性有決定性影響；
硅炭負極在電池初期階段對其安全性的影響不大，但在循環(huán)衰減后影響比較大；
陶瓷涂覆的隔膜對全電池的安全性有積極作用，熱穩(wěn)定性更高隔膜的效果需要在全電池中驗證。
2、熱失控蔓延與熱管理
真正的事故都是熱蔓延導(dǎo)致的，當(dāng)一個電池單體熱失控后，剩余電池包就開始蔓延，最終引發(fā)著火事故。
根據(jù)對熱失控蔓延過程的測試和仿真分析，電池實驗室設(shè)計出一種隔熱方法，在主導(dǎo)傳熱的路徑上加隔熱材料作為防火墻，就能達到隔斷熱失控蔓延的效果。
熱失控的誘因和電池管理
1、內(nèi)短路
通過分析在用電池和事故電池，發(fā)現(xiàn)制造時均勻的極片在使用一段時間后，會造成折疊區(qū)域的破裂，從而導(dǎo)致局部析鋰，引起熱失控。
此外，電池制造過程中的雜質(zhì)也會引起內(nèi)部短路。對此電池實驗室發(fā)明了電池內(nèi)短路替代實驗方法，通過在特定電池里面植入記憶合金實現(xiàn)預(yù)期的內(nèi)短路。
根據(jù)研究，內(nèi)短路可以分為四類，其中鋁集流體和負極相連危險性最高，須提前預(yù)警。此外，內(nèi)短路的演變過程可以分為三個階段，第一階段，只有電壓下調(diào)，無溫度上升；第二階段有溫度上升；第三階段發(fā)生溫度上升現(xiàn)象，也就是熱失控。針對此演變過程，爭取在前兩個階段識別出內(nèi)短路，并提前15分鐘預(yù)警熱失控。該技術(shù)已經(jīng)與寧德時代取得了合作。
2、充電
通過對電池過充熱失控進行機理分析和模擬預(yù)測，發(fā)現(xiàn)過充事故一般發(fā)生在微過充時，例如電池的不一致性，有些地方未充滿，有的地方已充滿，導(dǎo)致電池安全性變差。
為了解決此問題，電池安全實驗室開發(fā)了基于參比電極的無析鋰快充技術(shù)，把負極的電位控制在零以上（零以下會析鋰），再增加一個三電極，就可實現(xiàn)無析鋰快充技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用后沒有發(fā)生析鋰現(xiàn)象，而且能夠加快充電速度，此外在三電基礎(chǔ)上，還可以基于模型進行反饋和觀測。
3、老化
電池老化造成不一致性進一步擴大，隨著容量一致性變差，電池管理的精確性也會變差。另外，低溫環(huán)境下的老化會嚴重影響電池的熱穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致熱失控。
分析上述問題得出，保障電池系統(tǒng)安全性的核心是研發(fā)先進的電池管理系統(tǒng)。
目前，電池管理系統(tǒng)方面，國內(nèi)產(chǎn)品功能不足、精度不夠、安全功能不全，因此需要加大電池管理系統(tǒng)的研發(fā)力度。清華大學(xué)在電池管理系統(tǒng)的經(jīng)驗比較豐富，已獲得65項專利授權(quán)，并與國內(nèi)外公司合作中得到了應(yīng)用，其中部分專利授權(quán)給了奔馳汽車公司。
電池安全技術(shù)發(fā)展趨勢
如何徹底解決電池安全性問題是重中之重。
從近期看，可通過一些技術(shù)保障電池安全性。從長遠出發(fā)，保障電池的絕對安全還需具備前瞻性的科學(xué)研究。
目前世界范圍內(nèi)的發(fā)展關(guān)鍵趨勢是鋰離子動力電池高比能量化，因此不能因為安全問題就不發(fā)展高比能量電池，關(guān)鍵是要把握高比能量與安全性之間的平衡點。例如，高鎳三元鋰離子動力電池的本征安全機理是正極釋放氧，因此可以通過界面修飾延緩正極釋氧，提高穩(wěn)定性。此外，開發(fā)新一代固態(tài)電解質(zhì)，才能從根本上解決電解液燃燒問題。
對比各國動力電池技術(shù)路線圖來看，短期發(fā)展是液態(tài)電解液的鋰離子電池，未來會向固態(tài)電池方向發(fā)展。
綜合考慮電池成本和動力電池的發(fā)展方向，建議中國也應(yīng)該走類似路徑，即短期考慮液態(tài)電解質(zhì)，發(fā)展高鎳三元正極和硅炭負極，通過電池管理系統(tǒng)和熱蔓延的抑制來防止安全事故發(fā)生，此類電池能夠滿足電動汽車500公里續(xù)駛里程的要求。長遠戰(zhàn)略要從液態(tài)電解質(zhì)逐步過渡到全固態(tài)電池，預(yù)計2030年全固態(tài)電池將得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
正確看待新能源汽車起火事件
近期新能源汽車起火的主要原因是產(chǎn)品質(zhì)量問題，部分企業(yè)沒有遵守技術(shù)規(guī)范，或是技術(shù)驗證周期偏短等。
總之，大家要力爭解決動力電池本征安全問題，保障新能源汽車行業(yè)的健康發(fā)展。在政策方面的建議如下：
原有的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)偏高，2020年單體達到350瓦時/公斤，系統(tǒng)260瓦時/公斤，循環(huán)壽命2000次，從安全角度出發(fā)，不宜強行推行；
補貼政策要符合技術(shù)發(fā)展的規(guī)律，對能量密度的提升不宜過快過頻；
盡快推出電動汽車安全年檢規(guī)范，以及電動汽車黑匣子，電池包消防安全接口等規(guī)范。
最后總結(jié)，電池安全技術(shù)是電池技術(shù)革命性突破的第一重點，是純電動汽車性能升級的第一關(guān)鍵，也是電動汽車可持續(xù)發(fā)展的生命線。研發(fā)動力電池要以安全為核心，全力提升現(xiàn)有鋰離子電池系統(tǒng)安全技術(shù)，同時突破新型固態(tài)電池技術(shù)。
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