電池安全—新能源汽車發(fā)展的保障

劉春娜

在新能源汽車近年的發(fā)展過程中，除了遇到價格、續(xù)駛里程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面的困難，其所用動力電池的安全性也一直是新能源汽車發(fā)展的敏感話題和難題。

當(dāng)前，新能源汽車動力電池最普遍的是鋰離子電池，鋰離子電池與鉛酸、氫鎳等電池相比，具有電池電壓高、比容量高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點。

安全評估方面，2015年11月10日，由中國電力科學(xué)研究院牽頭的國家電網(wǎng)公司科技項目“鋰離子電池內(nèi)外特性耦合關(guān)系及狀態(tài)評估體系研究”順利通過公司驗收。該項目在國內(nèi)外首次基于鋰離子電池內(nèi)外特性耦合關(guān)系進行了電池大規(guī)模儲能應(yīng)用的在線安全評估技術(shù)研究。長期以來，有機電解液體系的鋰離子電池在大規(guī)模儲能應(yīng)用中還存在亟待解決的安全性問題，電池一旦發(fā)生熱失控容易引發(fā)連鎖反應(yīng)，危及系統(tǒng)的安全。由于電池的外特性參數(shù)難以準確反映電池內(nèi)部的復(fù)雜反應(yīng)，且電池的安全性隨著電池的老化程度會發(fā)生變化，因此，必須尋找能夠準確表征電池的安全狀態(tài)并能實現(xiàn)在線檢測的特征參數(shù)，建立電池狀態(tài)評估體系，以實現(xiàn)對電池安全的監(jiān)測和預(yù)警。圍繞這些問題，中國電科院、清華大學(xué)、國網(wǎng)山東電力、天津力神電池股份有限公司共同開展了該項目的研究。項目通過對電池全壽命周期外特性和內(nèi)特性相關(guān)參數(shù)變化趨勢的研究，建立了內(nèi)外特性參數(shù)之間的耦合關(guān)系，在此基礎(chǔ)上初步確定了對規(guī)?；瘍δ茈姵氐陌踩珷顟B(tài)進行在線檢測評估的特征參數(shù)及其檢測技術(shù)方案。項目研究成果為深入研發(fā)高效、高靈敏度儲能電池運行狀態(tài)在線評估技術(shù)奠定了重要的理論和實踐基礎(chǔ)，為后續(xù)的深入研究提出了指導(dǎo)思路并探明了可行的技術(shù)路線，對于保障大型電池儲能系統(tǒng)的安全可靠運行具有重要的現(xiàn)實意義。

設(shè)計制造中，電池包主動安全設(shè)計必不可少。2015年4月，深圳某加電站內(nèi)一輛正在充電的電動大巴車起火，電池包先冒煙后起火，工作人員處理未果，火勢迅速蔓延，大巴車最終被燒毀。此事件引起了新能源汽車行業(yè)業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。在國家科技支撐項目中，“高能量密度、高安全、低成本”是新能源汽車電池包需要攻克的技術(shù)難題，在目前的動力電池技術(shù)條件下，解決電動巴士運營安全問題除了監(jiān)控報警、過流熔斷、滅火彈等被動安全手段外，事故發(fā)生時的主動安全也必須受到重視。如果電池包采用的是一鍵式脫離的主動安全設(shè)計，人們便可在第一時間將電池包迅速脫離車體，整個過程僅耗時幾秒鐘，可有效保證乘客和公共財產(chǎn)安全。電池包可快速脫離車體的主動安全技術(shù)非常關(guān)鍵，行業(yè)專家曾經(jīng)建議將相關(guān)技術(shù)要求寫入國家標準。此外，電池包在車輛運行過程中的穩(wěn)定性也至關(guān)重要，也就是說振動工況下的電池包動力總成體耐久性技術(shù)非常關(guān)鍵。在電動車運營過程中由于不同路況影響電池包受到X、Y、Z三個方向振動及沖擊，在車體結(jié)構(gòu)內(nèi)部和電池包內(nèi)部形成很大的應(yīng)力和其他有害影響，尤其是車輛尾部電池包，因為它受到的離心力和振動幅度最大，容易對箱體和電池組造成破壞，當(dāng)再次大電流放電、或快速充電時溫升過高而發(fā)生事故，所以如何保證電池包在嚴酷工作狀態(tài)下的安全就變成技術(shù)所需要解決的重要問題。對此，專家們還給出了快拆電池包方案，利用滾輪懸掛技術(shù)、自補給限位技術(shù)、導(dǎo)向緩沖技術(shù)的抗振及抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計可以解決相關(guān)問題，可有效防止電池包損壞起火。對電芯的物理結(jié)構(gòu)固定也必須遵循此原則。這一設(shè)計通過了國家能源局檢測中心的強度測試和中國長征火箭研究所強度實驗室的測試驗證，以及定遠試車場1萬公里的綜合性能測試。如果在電池包冒煙起火等事故中采用一鍵式脫離主動安全技術(shù)，應(yīng)當(dāng)能夠避免整車燒毀這樣的事件發(fā)生，將直接經(jīng)濟損失和相應(yīng)的社會影響降到最低限度。專家認為，電動汽車電池包的安全是人們共同關(guān)注的車輛安全的主要部分，在設(shè)計過程中要考慮各種突發(fā)情況帶來的危險，包括振動、碰撞、燃燒。主動安全設(shè)計是動力電池系統(tǒng)安全設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，可使新能源汽車在出現(xiàn)動力電池安全事故時，通過駕駛員的人工干預(yù)將損失減到最小。主動安全設(shè)計方案是目前新能源汽車電池包必須要考慮的功能。尤其是對載客較多的電動車型，特別是對公共交通安全影響最大的純電動公交車型要做到電池包可迅速安全脫離，這樣才能在電池包出現(xiàn)冒煙、起火等危險情況時，快速使危險電池包脫離車體，保護乘客及車輛安全，同時也要便于維護和緊急更換。電池包一鍵式脫離車體的主動安全設(shè)計方案是在新能源汽車換電式設(shè)計方案的基礎(chǔ)上衍生出來的。當(dāng)外部條件允許時(增加一臺半自動換電小車)，還可以將裝配可快速脫離電池包的車輛轉(zhuǎn)換為可快速更換能源的換電式車輛，其優(yōu)點：一是用充滿電的電池更換即將或已經(jīng)耗盡電的電池，用時短，整個換電過程可以控制在10分鐘以內(nèi)；二是對換下來的汽車電池可以利用夜間峰谷時段進行集中充電，成本低；三是可以降低電池組的放電深度，壽命長?？偠灾姵匕煽焖倜撾x車體的主動安全設(shè)計方案值得研究者深度思考。

監(jiān)控管理方面，從深圳市新能源公交車發(fā)生自燃來看，它凸顯了新能源汽車在設(shè)計運行方面存在的嚴重監(jiān)控管理漏洞。大客車是新能源汽車的重要發(fā)展線路，是大規(guī)模載人車輛，其安全性必須是第一位的。此次，深圳市新能源公交車自燃事件是車輛在充電過程相對受控的狀態(tài)下發(fā)生的，相對于車輛碰撞和穿刺等事故造成的自燃，此次事件問題更顯嚴重。從其初步原因來看，正因為工作人員無法有效監(jiān)控電池的充電運行狀態(tài)，進而無法實現(xiàn)能源的有效管理和檢測，才造成最終的惡果。新能源汽車的充電是一個系統(tǒng)工程，既要實現(xiàn)充電，又要實現(xiàn)車輛與充電設(shè)施的信息互聯(lián)，有效監(jiān)控車輛的充電安全。此次事故體現(xiàn)了車輛在充電過程中，車輛與充電設(shè)備的信息傳遞存在著重大的質(zhì)量問題和安全隱患。此次事件，無疑使充電樁進小區(qū)更加困難，不利于新能源汽車的推廣。尤其是在地下車庫中，如果安裝充電樁發(fā)生自燃，其風(fēng)險是巨大的。因此，從此次事件來看，業(yè)內(nèi)應(yīng)重視和加強相應(yīng)的安全措施。目前，電動客車生產(chǎn)商對所用電池采取招標的形式，把電動汽車看成簡單的組裝，這對于確保電池的有效管理和系統(tǒng)性控制是不利的。如何實現(xiàn)電池能量系統(tǒng)的快速自檢，增強各種傳感器的有效監(jiān)控，及時更新存在問題的電池單體，這都是新能源汽車整車企業(yè)應(yīng)該強化的。新能源汽車迫切需要形成更強的全國統(tǒng)一市場和統(tǒng)一標準，這樣有利于產(chǎn)品進步和配套技術(shù)升級，確保安全。

技術(shù)路線上，主流的鋰離子電池主要按照正極材料來分類，有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元(鎳鈷錳混合)、磷酸錳鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池目前仍是最符合當(dāng)前國產(chǎn)新能源汽車安全需求的。尤其是鑒于載客數(shù)量大的特殊性，與轎車等小型乘用車相比，安全問題在新能源客車行業(yè)的重要性，要優(yōu)先于續(xù)駛里程等性能問題?？蛙囀谴蟊姽步煌üぞ?，人員裝載容量大，一旦出現(xiàn)問題，逃生撤離需要的時間長。因此，動力電池管理系統(tǒng)應(yīng)該首要考慮安全要素，對電池所用材料質(zhì)量以及電池成組技術(shù)都有非常高的要求。從產(chǎn)品技術(shù)來看，首先，按功率設(shè)計的磷酸鐵鋰電池也是可以快速充電的。有數(shù)據(jù)顯示：磷酸鐵鋰電池使用80%后進行快充，可以安全達到4000~5000次；70%后，也可以保證7000~8000次；其次，在現(xiàn)階段，磷酸鐵鋰的量產(chǎn)成熟度要比三元材料、多元復(fù)合材料更高；從材料層面講，磷酸鐵鋰比三元材料、多元復(fù)合材料具有更高的安全性。專家認為，從產(chǎn)業(yè)角度說，磷酸鐵鋰路線成為大多數(shù)企業(yè)的首選，原因在于其滿足了以下因素：第一，動力電池安全特性，磷酸鐵鋰安全性能良好；第二，從使用壽命角度，可達到與車輛運營生命周期相當(dāng)?shù)拈L壽命；第三，在能量密度方面，開發(fā)標準化、模塊化、集成化的電池系統(tǒng)，在保證安全的前提下，可減小系統(tǒng)質(zhì)量，提高電池系統(tǒng)的能量密度；第四，在充電速度方面，可兼顧速度、效率和安全；第五，環(huán)境適應(yīng)性，系統(tǒng)溫度適應(yīng)性寬，可適應(yīng)高寒高熱地區(qū)，防護等級高，可在高海拔地區(qū)正常運行。

其他關(guān)鍵材料方面，對于目前應(yīng)用相對較多的鋰離子電池來說，發(fā)展防短路、防過充、防熱失控、防燃燒及不燃性電解質(zhì)是應(yīng)對動力電池安全性的關(guān)鍵。青島儲能研究院采用“剛?cè)岵钡碾娊赓|(zhì)設(shè)計理念實現(xiàn)了在高能量密度聚合物電解質(zhì)電池關(guān)鍵材料研制方面的一系列進展，并與中天科技公司合作開發(fā)大容量高安全動力或者儲能用單體電池(比能量達到300Wh/kg)的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，協(xié)力推進高能量高安全的全固態(tài)動力電池的產(chǎn)業(yè)化。同時研發(fā)團隊還將此設(shè)計理念應(yīng)用于積極探索新一代的超高能量密度的鋰空氣二次電池的開發(fā)。這些工作還得到了中國科學(xué)院納米專項、中科院青島能源所135項目支持和山東省前瞻性專題基金支持。

此外，在關(guān)于新能源汽車用燃料電池安全性檢測及分析方面，中國科學(xué)院大連化物所與大連市質(zhì)監(jiān)局也于2015年11月在大連市檢測科技園簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，創(chuàng)新開展“科研機構(gòu)+產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)+政府服務(wù)”模式，積極推動大連市優(yōu)質(zhì)科研成果的標準化、產(chǎn)業(yè)化。據(jù)悉，雙方將率先啟動建設(shè)大連市“新能源電池安全檢測平臺”，并就燃料電池儲氫系統(tǒng)安全性評測及相關(guān)技術(shù)進行合作。大連市“新能源電池安全檢測平臺”依托中科院大連化物所和市質(zhì)監(jiān)局所屬的大連質(zhì)檢院、鍋檢院等檢測技術(shù)機構(gòu)建設(shè)運營，主要針對車載氫燃料電池、甲醇燃料電池、鋰電池、金屬空氣電池等產(chǎn)品安全性能提供檢測、失效分析、模擬運行等技術(shù)支持，開展燃料電池實驗室供氫系統(tǒng)安全性評估、專用高壓氫氣瓶檢測等技術(shù)服務(wù)。據(jù)介紹，雙方還將重點在標準檢測方法研究、實驗室資源共享、博士后工作站對接、二噁英實驗室建設(shè)、大連檢測聯(lián)盟創(chuàng)建、標準質(zhì)量創(chuàng)客空間等方面開展技術(shù)合作。

總之，無論是哪一種新能源汽車，電池安全性都是攸關(guān)其未來發(fā)展的保障。電池安全，新能源汽車才會有更好的發(fā)展。