大會現(xiàn)場

電動汽車最大的短板是什么？對于消費者或許是里程焦慮，但對于生產(chǎn)者，電池安全才是他們最操心的問題。

鋰電池不僅是電動汽車最核心的零部件，它還是引發(fā)電動汽車自燃的首要原因——截至今年5月，新能源汽車國家監(jiān)管平臺共發(fā)現(xiàn)79起安全事故。58%的起火源于電池問題。

2019年10月7日，第三屆國際電池安全研討會在北京召開，會議主題是“為電動汽車制造更安全的高比能電池”。在動力電池比能量不斷提升的背景下，來自全球高校知名教授、企業(yè)的動力電池研發(fā)設計者，討論了電池熱失控機-電-熱誘因及防控方法、電池熱失控發(fā)生機理與抑制方法、電池燃燒爆炸特性及火災安全、電池系統(tǒng)熱失控蔓延與熱管理等議題。

在中國汽車技術(shù)研究中心首席專家王芳看來，不斷提高電池系統(tǒng)能量密度、新材料體系，電池越做越大等趨勢，為電池安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。中國科學院院士歐陽明高牽頭的團隊對鋰電池進行深入研究，通過單體電壓監(jiān)測、可燃氣體預警、改善電解質(zhì)、建立防火墻等方式來降低熱失控概率和控制熱擴散。車企方面，也在碰撞安全設計、監(jiān)測、控制熱蔓延等各方面加強電池的安全性。

左邊是高比能需求，右邊是安全性——動力電池從業(yè)者，需要在保持兩邊平衡的同時向前走。到目前為止，他們習得了哪些“平衡術(shù)”？

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動力電池安全評價：

四大挑戰(zhàn)

對電動汽車長續(xù)航里程、快充的訴求，帶來技術(shù)變革，而變革就會帶來挑戰(zhàn)。中國汽車技術(shù)研究中心首席專家王芳將其總結(jié)為四大挑戰(zhàn)。

中國汽車技術(shù)研究中心首席專家王芳

首先，能量密度提升帶來穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。電池系統(tǒng)的能量密度逐年攀升，從2015年的90瓦時/公斤，到現(xiàn)在的140多瓦時/公斤，問題也顯而易見。“2016、2017、2018我分別測試了當時量比較大的國內(nèi)外產(chǎn)品，包括三星、LG的電池，隨著能量密度的提升，不管你的本體安全性如何去提升，電池的穩(wěn)定性都在變差?！蓖醴颊f。

第二，材料體系變化的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在的產(chǎn)品追求高比能，電池從磷酸鐵鋰往三元體系轉(zhuǎn)變，從三元333、到532、再到811體系。這個變化帶來的弊端是熱失控時間不斷提前,正極材料的釋氧溫度逐步降低，電池材料的熱穩(wěn)定性越來越差。

第三，長續(xù)駛里程的挑戰(zhàn)。提高續(xù)駛里程，除了改變材料體系，就是在有限的空間里塞盡量多的電池，這樣就會導致電池就會越做越大，必然會把電池的鋁箔和銅箔做薄，同時隔膜也會做薄。但是隔膜越薄，其抗穿刺能力就會越差，越容易被刺穿導致電池短路。

第四，電池衰減后的安全性挑戰(zhàn)。王芳指出，他們統(tǒng)計的事故中，有很多都是1萬多公里以后發(fā)生的。這就證明，電池是一個動態(tài)變化的過程。

這就意味著，在全生命周期內(nèi)，電池的可用、可控和失控的評價面臨巨大挑戰(zhàn)。對電池的測試評價技術(shù)可能會是一個貫穿全生命周期的評價工程。在電芯的整個生命周期中，安全性會隨著壽命的衰減而變化。在不同的循環(huán)周數(shù)下，電芯的內(nèi)部狀態(tài)和外部指標，也在發(fā)生變化。

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熱失控：

從三大原因求解

電池的危險來自于熱失控，應對電池熱失控，首先要了解機理，找到表現(xiàn)形式。歐陽明高總結(jié)，造成電池熱失控的原因有三個，即內(nèi)短路、正極釋氧以及負極析鋰。

中國科學院院士歐陽明高

○依靠BMS檢測內(nèi)短路

內(nèi)短路又分為緩變型和突變型。歐陽明高介紹說，緩變型內(nèi)短路，第一步表現(xiàn)是電壓下降，到第二步才會有溫升，最后形成熱失控。對于緩變短路，在第一個過程即電壓下降階段通過故障診斷就可檢測出，可防止它進一步惡化。例如，針對串聯(lián)電池組，首先是從電壓的一致性來進行分析，某一個電池電壓下掉，說明這個電池有可能有內(nèi)短路。但還不能確認的話，再加入溫度檢測。

應對突變型內(nèi)短路，例如一個微短路，可以依靠可燃氣體傳感器，它可以做到至少提前3分鐘進行熱失控預警。也就是說，通過BMS可以有效檢測出內(nèi)短路。

○改進正極和電解質(zhì)減少釋氧

沒有內(nèi)短路依然會熱失控。隔膜崩潰、正負極發(fā)生物質(zhì)交換，即正極的釋氧跑到負極，形成劇烈反應，引發(fā)熱失控。要對材料進行改進，一個是正極材料，一個是電解質(zhì)。歐陽明高舉例說，正極材料可以從多晶到單晶就可以使釋氧的溫度提升100度。電解質(zhì)方面，可以采用高濃度電解質(zhì)，例如DMC（碳酸二甲酯）。

此外，從電解液的添加劑、高濃度電解質(zhì)、新型電解質(zhì)等方面還大有可為。

○充電控制減少析鋰

電池全生命周期安全性最主要的影響因素是析鋰，如果沒有析鋰衰減的電池安全性并不會變差。析鋰多的放熱大，析出的鋰會直接跟電解液發(fā)生劇烈反應，引發(fā)大量溫升，可以直接誘發(fā)熱失控。

“負極電位與析鋰相關(guān)，只要控制負極的過電勢，就可以保證不析鋰。通過這個模型就可以推導出不析鋰的充電曲線。我們讓它負極電勢始終不低于零，可以得到無析鋰的最佳充電曲線。我們可以用三電極標定這條曲線，這樣來做充電算法。”歐陽明高表示，他們已經(jīng)跟企業(yè)合作，利用這個算法可以完全實現(xiàn)不析鋰。但是這種是一個標定過程，隨著時間的延長電池的衰減性能是會變的，所以他們又做了反饋的無析鋰的控制算法，也就是要有一個觀測器來觀測負極的過電勢，實際就是一個數(shù)學模型。

○控制熱擴散

在歐陽明高看來，熱失控整體來看還是有規(guī)律的。并聯(lián)電池組熱失控的特征是，第一個電池熱失控后會短路，造成電壓下降；串聯(lián)電池的熱失控就是一個熱傳導的過程；第三種情況是，剛開始是有序蔓延，后面是劇烈蔓延，這就會導致立即爆炸、燃燒事故。

歐陽明高認為，電池只隔熱是不夠，還需要散熱的設計?！袄梅阑饓夹g(shù)，隔熱、散熱相配合，通過隔熱將傳熱擋住，通過散熱把能量帶走?！?/p>

另外還有一種熱失控是噴發(fā)。從實驗可以看出，噴發(fā)有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三態(tài)，這中間氣態(tài)都是一些可燃氣體，就是燃料，固態(tài)是一些固態(tài)的顆粒，往往形成火焰。一般是收集顆粒物，就像傳統(tǒng)汽車一樣，把顆粒物通過過濾器進行捕集；另一個方法是稀釋可燃氣體。

3

車企的解決方案

除了機理層面的控制，車企從整車角度也制定了一系列解決方案,例如碰撞安全設計、 監(jiān)測、控制熱蔓延等。

○主動碰撞安全設計

會上，北汽新能源和一汽介紹了他們在碰撞安全方面的設計方案。

據(jù)北汽新能源工程研究院副院長代康偉介紹，北汽新能源對電池進行四級保護。

北汽新能源工程研究院副院長代康偉

首先，把電池設計成和整車的乘員艙一樣是安全不可變形的區(qū)域；在電池周圍設計出過渡區(qū)以及可變形區(qū)，為了吸收當車輛碰撞時可以一定程度上來降低整車的碰撞強度，這是第一層整車級的保護。

第二層PACK級，采用了高強度鋁型材的箱體設計，結(jié)合了我們拓補設計的優(yōu)化點，確保PACK級有第二層的關(guān)于強度的保護。

第三層是電氣功能的保護，首先通過關(guān)于把BMS、BDU等高壓切斷裝置的電氣部件優(yōu)化在電池包的中心，用來確保當整車碰撞時電氣系統(tǒng)不至于受到過多的損壞，確保它的功能正常。同時把相關(guān)的碰撞信號以及相關(guān)的異常監(jiān)測的信號引入到系統(tǒng)里，來確保電氣在出現(xiàn)異常情況時能夠主動的切斷高壓裝置，來保護司乘人員的安全。

第四層在模組級，采用的高強度的鋁型材的模組設計，比普通鋁型材強度提升35%。同時在電芯與電芯之間、模組與PACK之間也設置了隔熱的緩沖區(qū)，當車輛受到擠壓時，盡可能保護電芯不至于受擠壓。

一汽集團不僅對電池進行了防碰撞維護，還進行了高壓斷電保護。據(jù)一汽集團新能源開發(fā)院院長王德平介紹，一汽集團對電池進行了特別防護設計，保證車輛在低速碰撞和托底時，電池不因為車的碰撞導致電池變形。另一方面，一汽構(gòu)建了雙路高壓斷電的系統(tǒng)，即在高速車輛發(fā)生碰撞的時候如果安全氣囊開始工作的時候，同時要把整車高壓的系統(tǒng)在1毫秒之內(nèi)進行斷電的處理，來確保整個高壓系統(tǒng)的安全。

○實時監(jiān)控數(shù)據(jù)

實時監(jiān)測是新能源汽車車企必不可少的，會上，北汽新能源、一汽和蔚來都詳細介紹了他們的監(jiān)測系統(tǒng)。

北汽新能源采用多點監(jiān)測高壓系統(tǒng)，來確保整車上所有的高壓連接部位都能夠得到監(jiān)控，確保在所有絕緣失效模式下可以被監(jiān)測，同時主被動的放電技術(shù)可以確保整車主動和被動的切斷高壓時，可以立即將參與的電壓進行泄放。

一汽集團的新能源汽車監(jiān)測包括兩方面，一方面是BMS監(jiān)測，是將云端的監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)導到車輛BMS中，使其控制的精度和估算的精度更高，并且能夠?qū)崿F(xiàn)提前故障預警。

一方面是電池熱失控預警，即把云端歷史數(shù)據(jù)、實時監(jiān)控數(shù)據(jù)包括，環(huán)境的應力、系統(tǒng)的狀態(tài)信息整合到一起，構(gòu)建熱失控預警開發(fā)的模型，再把這些預警的模型應用到整車的熱失控系統(tǒng)里面。一是通過熱失控模型預警的系統(tǒng)診斷，實現(xiàn)高壓系統(tǒng)的維護，二是，車端、云端、儀表都可以向駕駛員包括后臺服務，提供熱失控預警信息。

一汽集團新能源開發(fā)院院長王德平

蔚來汽車副總裁黃晨東也介紹了蔚來汽車的監(jiān)測系統(tǒng)。蔚來監(jiān)測電池最基礎的電壓、溫度以及健康程度。

在BMS的層面，蔚來進行實時監(jiān)測，包含兩個重點：一是做事件的監(jiān)測，比如說電芯、電池的、電池組；比如說溫度、電壓、內(nèi)部的抗阻等；二是數(shù)據(jù)的監(jiān)測，即統(tǒng)計差異性，數(shù)據(jù)是不是正態(tài)分布。

黃晨東介紹說，蔚來的電池安全監(jiān)測和預警系統(tǒng)，即便汽車在休眠的過程中，也仍然可以監(jiān)測數(shù)據(jù)。“所有的大數(shù)據(jù)都進入到云端，云端可以進行自動分析，如果發(fā)現(xiàn)任何的異常，就會預警，我們就會來審議并且分析，或者把這個電池召回，或者我們可以從客戶那邊去把這個電池替換下來?！?/p>

○控制熱蔓延保證司乘人員安全

北汽新能源代康偉介紹，北汽新能源針對電池熱失控、熱擴展領(lǐng)域，正聯(lián)合行業(yè)內(nèi)優(yōu)質(zhì)資源做一些熱擴展路徑的分析，以及熱擴展阻斷技術(shù)的研究，以期未來真正發(fā)生熱失控時有較長熱蔓延擴展的時間，使司乘人員獲得足夠的逃生時間。

蔚來采用絕緣材料來杜絕電池的熱蔓延?！?span style="-webkit-tap-highlight-color: transparent; box-sizing: border-box; font-weight: 700;">在最上層我們采用一些空間防止煙跑出，在下部我們很難去控制，但是我們會有一個冷卻板或冷卻墊，我們?nèi)绻褂眠@樣的液體，能夠很好的控制。”黃晨東說。

此外，黃晨東還介紹說，他們未來設計還會杜絕電芯和電芯之間的熱傳遞，在模塊的絕緣當中有防火墻的設計，會杜絕熱傳遞；在電池組的設計當中，會有相應的煙道的設計，來杜絕二次的損失。

蔚來汽車副總裁黃晨東

一汽集團的措施則更為主動。他們采用主動的滅火系統(tǒng)。采用特殊滅火介質(zhì)對易發(fā)生熱失控的動力電池進行滅火，實現(xiàn)熱擴散控制。不過王德平介紹說，系統(tǒng)目前還是處于開發(fā)的階段，還沒有正式的用到的產(chǎn)品上，這套系統(tǒng)從前期的實驗情況來看，有很大的效果。一方面，通過系統(tǒng)可以主動的對熱失控的模組和單體進行滅火的實驗，另一方面，因為所采用的滅火介質(zhì)是高熱熔比的介質(zhì)，它的吸熱量很大，通過這種吸熱能夠降低電池包內(nèi)的溫度，從而能夠隔斷電池包內(nèi)的發(fā)熱引起車內(nèi)內(nèi)室著火的現(xiàn)象。

《電動汽車觀察家》發(fā)現(xiàn)，業(yè)界已經(jīng)從關(guān)注新電池的安全，到關(guān)注電池全生命周期的安全；從冒煙、著火的事中處置，到熱失控機理研究；從熱擴散疏導熱量，到主動滅火探索……這說明人們對鋰電池的認識在不斷深化。不過，動力電池比能量和安全性的平衡術(shù)，隨著比能量的不斷提升，全行業(yè)還有漫漫前路要走。（完）

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