我國(guó)新能源汽車動(dòng)力電池安全現(xiàn)狀分析與探討

劉 巖，尹艷萍，黃 倩，胡 博，馬小利*

(1.國(guó)聯(lián)汽車動(dòng)力電池研究院有限責(zé)任公司，北京 101499；2.中國(guó)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟，北京 100088)

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)新能源汽車和動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速增長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)整體處于從政策引導(dǎo)向市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)的轉(zhuǎn)型期，總體發(fā)展形勢(shì)向好。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，政府、行業(yè)、企業(yè)一直把安全作為發(fā)展的重心。關(guān)于新能源汽車及動(dòng)力電池安全的標(biāo)準(zhǔn)正在有序制修訂，安全標(biāo)準(zhǔn)體系逐步完善，詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)情況如表1所示。但由于發(fā)展前期車型開(kāi)發(fā)周期短、動(dòng)力電池產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、用戶使用經(jīng)驗(yàn)不足等因素，導(dǎo)致近年來(lái)新能源汽車起火爆炸等安全事故頻發(fā)。為保障新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，提升對(duì)質(zhì)量安全的重視，分析新能源汽車動(dòng)力電池安全現(xiàn)狀，研究電池安全技術(shù)進(jìn)展情況，提出加強(qiáng)動(dòng)力電池安全管理的建議。

表1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Current standards.

2 新能源汽車與動(dòng)力電池安全現(xiàn)狀

2.1 新能源汽車安全現(xiàn)狀

據(jù)中國(guó)新能源汽車大數(shù)據(jù)研究報(bào)告統(tǒng)計(jì)：歷年新能源汽車著火事故率呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)。2019年生產(chǎn)的車輛著火事故率為0.037‰；2020年生產(chǎn)的車輛著火事故率為0.030 3‰，2021年生產(chǎn)的車輛著火事故率為0.008 4‰。著火事故率定義為某年份生產(chǎn)的車輛在當(dāng)年1月1日到當(dāng)年12月31日發(fā)生的著火事故數(shù)量除以某年份生產(chǎn)的車輛累計(jì)接入國(guó)家監(jiān)管平臺(tái)的總數(shù)[1]。

新能源汽車起火主要包括靜置起火、充電起火和行駛起火三種類別，事故數(shù)量占比分別為38%、23%和39%。通過(guò)對(duì)事故情景分析統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，新能源汽車起火事故數(shù)量與地域和季節(jié)有明顯關(guān)系，溫度、濕度等環(huán)境因素影響效果最為顯著。南方城市高溫天氣時(shí)間長(zhǎng)，新能源汽車保有量高，基數(shù)大，事故發(fā)生頻數(shù)更大，如圖1所示。二、三季度主要有較多的高溫與雨水天氣，溫度高濕度大更容易造成電池?zé)崾Э仄鸹?，如圖2所示。月份情況看，7—9月起火數(shù)量增長(zhǎng)最為明顯，2019年、2020年新能源汽車月度起火情況如圖3所示。

圖1 2019—2021年南方城市與北方城市新能源汽車起火事故對(duì)比Fig.1 Comparison of safety fire incidents in southern and northern cities in 2019—2021.

圖2 2019—2021年季節(jié)性新能源汽車起火事故對(duì)比Fig.2 Seasonal safety fire incidents comparison in 2019—2021.

圖3 2019—2020年新能源汽車月度起火情況Fig.3 Monthly fire incidents of new energy vehicles in 2019 and 2020.

2.2 動(dòng)力電池安全現(xiàn)狀

動(dòng)力電池作為關(guān)鍵零部件，是新能源汽車各類起火事故的主要誘因[2]。據(jù)新能源汽車安全事故調(diào)查統(tǒng)計(jì)，新能源汽車自燃事故中，動(dòng)力電池問(wèn)題引發(fā)的事故占比超過(guò)50%，觸發(fā)動(dòng)力電池安全事故主要有兩種情形：一是外部因素觸發(fā)，包括汽車碰撞、不合理充電、零部件短路及人為濫用等；二是內(nèi)部因素觸發(fā)，包括異物及金屬沉積導(dǎo)致內(nèi)短路、毛刺及枝晶刺穿隔膜導(dǎo)致內(nèi)短路等。整體來(lái)看，動(dòng)力電池安全事故是多因素耦合造成的結(jié)果，進(jìn)一步分析事故誘發(fā)原因并進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)預(yù)警，降低事故損失，是保障動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的根基。

3 動(dòng)力電池安全技術(shù)進(jìn)展情況

安全是新能源汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的核心與基礎(chǔ)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)新能源汽車和動(dòng)力電池企業(yè)不斷增加電池安全技術(shù)研發(fā)投入，各種新技術(shù)層出不窮，主要從本征安全、主動(dòng)安全和被動(dòng)安全[3]三個(gè)層面進(jìn)行改善。

3.1 本征安全技術(shù)進(jìn)展

本征安全技術(shù)即從電池?zé)崾Э卦沓霭l(fā)，通過(guò)電池安全設(shè)計(jì)，降低電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)。主要包括以下三個(gè)方面。

(1)提升電解液穩(wěn)定性。寧德時(shí)代、國(guó)家動(dòng)力電池創(chuàng)新中心通過(guò)正負(fù)極材料包覆、電解液中添加適量的添加劑[4]，提高電池耐高溫、高壓能力，目前高鎳三元電池?zé)崾Э販囟仍?50～170 ℃。

(2)提升隔膜強(qiáng)度[5]。比亞迪、國(guó)軒高科通過(guò)在電極、隔膜表面增加功能涂層來(lái)提升電池隔膜機(jī)械強(qiáng)度降低內(nèi)短路風(fēng)險(xiǎn)，目前行業(yè)內(nèi)高性能隔膜拉伸強(qiáng)度能夠高達(dá)320 MPa。

(3)優(yōu)化電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比亞迪刀片電池通過(guò)增加電芯長(zhǎng)度、降低電芯厚度，有效減少電池穿刺過(guò)程中的熱量積累，提高了電池包安全性，爐溫耐受升至300°，充電電壓至2.6倍不起火。

3.2 被動(dòng)安全技術(shù)進(jìn)展

被動(dòng)安全即對(duì)電池包做安全設(shè)計(jì)，在電池發(fā)生熱失控后擁有足夠的安全冗余，防止電池包安全事故擴(kuò)大化，預(yù)留充足時(shí)間警示乘員撤離。被動(dòng)安全設(shè)計(jì)集中在電池系統(tǒng)層面，主要包括以下兩方面。

(1) 熱失控發(fā)生后的熱疏導(dǎo)。長(zhǎng)城汽車“大禹電池”技術(shù)在電池包發(fā)生熱失控后，通過(guò)滅火通道、封堵結(jié)構(gòu)等特殊設(shè)計(jì)，引導(dǎo)熱氣流按照規(guī)定路線排出電池包，并對(duì)排出氣體進(jìn)行降溫，以降低高溫氣體及毒害氣體對(duì)人員的損害。

(2) 電池包的隔熱絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，江淮汽車“蜂窩電池”采用六邊形蜂巢，通過(guò)外延包覆實(shí)現(xiàn)單元化封裝，并在電芯單元內(nèi)注滿絕熱膠，從而做到電芯單體之間電隔離和熱隔離，避免引發(fā)熱擴(kuò)散。

3.3 主動(dòng)安全技術(shù)進(jìn)展

主動(dòng)安全指通過(guò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和平臺(tái)監(jiān)控手段對(duì)電池安全邊界主動(dòng)控制，避免發(fā)生電池?zé)崾Э?。主要包括以下兩方面?/p>

(1) 提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。廣汽埃安彈匣電池系統(tǒng)安全技術(shù)通過(guò)使用獨(dú)立分割的U型匣體將電池組包裹，匣體壁內(nèi)布滿冷卻管，實(shí)現(xiàn)電池組與冷卻系統(tǒng)大面積接觸，增強(qiáng)電池降溫效果，匣體的使用也使電池組在電池包內(nèi)部呈現(xiàn)安全倉(cāng)保護(hù)狀態(tài)，一定程度上降低熱擴(kuò)散的發(fā)生概率。

(2) 完善監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)。上汽、蔚來(lái)等車企通過(guò)大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單只電池全生命周期的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效識(shí)別預(yù)警動(dòng)力電池潛在隱患和故障，提出合理應(yīng)對(duì)措施，部分車企診斷準(zhǔn)確率已超過(guò)95%，極大降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

4 動(dòng)力電池安全技術(shù)發(fā)展建議

在各方的共同努力下，我國(guó)新能源汽車安全工作已取得一定成效，對(duì)動(dòng)力電池全生命周期的安全管理理念也已逐步形成，電池安全意識(shí)不斷增強(qiáng)，但電池安全技術(shù)發(fā)展仍任重道遠(yuǎn)，建議從以下三個(gè)方面開(kāi)展工作。

(1)政府主管部門要加強(qiáng)安全監(jiān)管力度。建立和完善新能源汽車安全運(yùn)行監(jiān)管體系，強(qiáng)化車企安全主體責(zé)任，加快制定新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)安全監(jiān)控平臺(tái)的建設(shè)規(guī)范，鼓勵(lì)車企應(yīng)用先進(jìn)安全預(yù)警模型，提升新能源汽車安全隱患篩查和預(yù)警能力；建立和健全動(dòng)力電池全生命周期的安全檢驗(yàn)制度，聯(lián)合相關(guān)部門推進(jìn)新能源汽車車輛年檢法規(guī)，完善車輛及關(guān)鍵零部件定期維護(hù)保養(yǎng)制度，降低事故發(fā)生率；協(xié)同公安部、消防總局、市場(chǎng)監(jiān)管總局進(jìn)一步明確新能源汽車事故調(diào)查流程，組建專業(yè)的事故調(diào)查機(jī)構(gòu)及關(guān)鍵零部件事故評(píng)價(jià)及技術(shù)鑒定機(jī)構(gòu)，建立事故調(diào)查結(jié)果公開(kāi)發(fā)布機(jī)制，提高事故信息透明度，增加消費(fèi)信心；加快啟動(dòng)現(xiàn)行安全國(guó)標(biāo)的制修訂工作，例如熱擴(kuò)散、底盤碰撞、休眠喚醒、異常大電流沖擊等(現(xiàn)行及在研標(biāo)準(zhǔn)情況詳見(jiàn)附件2)。

(2)行業(yè)組織應(yīng)發(fā)揮行業(yè)自律協(xié)調(diào)作用。充分發(fā)揮學(xué)會(huì)、協(xié)會(huì)、聯(lián)盟等社團(tuán)的行業(yè)自律協(xié)調(diào)作用，協(xié)同高校、研究院所、企業(yè)等國(guó)內(nèi)外優(yōu)勢(shì)資源，開(kāi)展動(dòng)力電池安全創(chuàng)新技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)一步提升產(chǎn)品安全性能、提高安全預(yù)警能力及智能監(jiān)測(cè)水平，降低事故比例；發(fā)揮行業(yè)組織團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)工作試點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際情況，及時(shí)快速開(kāi)展動(dòng)力電池安全相關(guān)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制修訂，如熱失控產(chǎn)氣標(biāo)準(zhǔn)、壓力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、異物內(nèi)短路等測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)形式先行先試，促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)；加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)聯(lián)企業(yè)聯(lián)動(dòng)，通過(guò)組織行業(yè)會(huì)議、產(chǎn)業(yè)交流等方式，打通整車、電池、充電三方面的信息壁壘，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)間深度合作；加大消費(fèi)者使用環(huán)節(jié)的安全常識(shí)普及和宣傳力度，組織開(kāi)展安全倡議活動(dòng)，降低消費(fèi)者安全風(fēng)險(xiǎn)顧慮，提升消費(fèi)信心。

(3)企業(yè)應(yīng)高度重視技術(shù)投入，加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)工作。建議企業(yè)持續(xù)加大安全技術(shù)研發(fā)力度，加深產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)協(xié)同合作，多維度融合各層級(jí)安全技術(shù)，從本征、主動(dòng)和被動(dòng)三個(gè)層面提高產(chǎn)品安全性能；企業(yè)應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化安全監(jiān)控平臺(tái)建設(shè)，提高安全監(jiān)測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池全場(chǎng)景、全生命周期的安全監(jiān)測(cè)，大幅提升監(jiān)測(cè)平臺(tái)的安全預(yù)警能力，做到根據(jù)事故危險(xiǎn)程度合理劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并建立相應(yīng)的事故報(bào)警及應(yīng)急處理預(yù)案；整車企業(yè)應(yīng)結(jié)合自身銷售情況，對(duì)早期未接入監(jiān)測(cè)平臺(tái)的車輛研究制定相關(guān)應(yīng)對(duì)方案，考慮通過(guò)以舊換新、免費(fèi)安全檢驗(yàn)等優(yōu)惠政策鼓勵(lì)用戶定期維護(hù)，消除潛在安全隱患；做好用戶使用指導(dǎo)，完善新能源汽車用戶使用手冊(cè)，針對(duì)不同工況、不同倍率充電等使用場(chǎng)景，進(jìn)一步明確用戶使用要求，幫助消費(fèi)者建立良好的車輛使用習(xí)慣。

表2 在研及計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Research and planning standards.