电动汽车自燃的原因分析 七大措施减少事故发生几率

2018年,电动汽车全是有点“火”。根据不完全统计,2018年上半年,电动汽车发生过10起燃烧事故。

电动汽车为什么会着火?车企现有技术水平不能防止它着火吗?还是车企没有在防止着火上投入足够多的成本呢?

前些天,笔者对三辆发生自燃的新能源汽车做了拆解。综合拆解分析所得,以及电池热失控的机制和应对,笔者认为电动汽车自燃频发,原因不是技术水平达不到,而是涉事动力电池企业和电动车企,不重视安全,为了降低成本,对电芯品控不严、BMS设计要求太低、没有对动力电池包足够的安全设计保护等,以致火光之灾。

板子光打动力电池企业和新能源汽车企业也不行。主管部门在准入环节门槛诸多,现在眼见这么多事故,还不出手?

电动汽车着火原因分析

笔者拆解的这三辆电动汽车发生自燃时,一辆在充电;一辆处于停驶状态;还一辆行驶过程中发现异常,停驶后起火。

充电起火的电动汽车,从检测数据看,起火前,电池在充电过程中,出现了较大的压差,但是BMS电池充电并未停止。直至温度在10秒之内迅速上升至45℃阈值,充电停止。此时电池静态压差已经超过500mV,随后通讯中断,发生了自燃。

第二辆车,从现场拆解情况看,内部有涉水的痕迹。电池包的密封条严重变形(推测是设计问题),并未达到密封的预期效果。电池包底部,有明显的三处电弧击穿。此车发生事故的地点在深圳,之前正逢大雨,与现场的判断是吻合的。即密封失效,造成车辆涉水短路引发的自燃。

南京两辆泡水燃烧的电动大巴

第三辆车,最早在行驶过程中,司机发现异常,靠边停车,随后发生了自燃。从监测数据看,电池包内部温度在20秒内,从34℃上升至113℃,随后通讯中断。经过现场拆解,初步判断是个别电芯发生了爆燃,导致主动力线过热,绝缘皮损坏,与电池壳体和内部固定支架搭接,发生短路。

另外,根据某消防单位总结,新能源汽车发生燃烧主要有以下四种场景:

1.充电过程中燃烧

2.电池行驶或放置过程中引发的燃烧

3.碰撞翻车引发的燃烧

4.涉水引发的燃烧

这四种场景中,充电过程中的燃烧是最为常见的。

电动汽车的充电过程中,充电桩会和电动汽车的BMS(电池管理系统)通讯“握手”,以控制充电条件。也就是说,BMS会对电池的状态进行判断,从而给出一个合理的充电方案。可是,问题来了,BMS是怎么知道电池的状态呢?是通过不同的传感器反馈信号实现的。

首先从电芯说起。每一个电芯,都有不同的“体质”。具体表现在如内阻、自放电率、衰减率、极化等专业参数上。虽然,专业的技术人员,都会对电池的“体质”进行分组,以减小单体之间的差异,但是电池的“体质”和人一样,会随使用时间,出现变化。质量好的电芯,“体质”差异相对小,要做到这一点,选用材料一致性要好,生产过程自动化水平要高,品质标准要高,由此成本也高。反之,质量差的电芯,成本低,个体差异大,就有很大的安全隐患。比如在充电过程中,个别电芯发生过热着火。

低劣电芯隐患巨大

但电芯永远不可能完全一致,此时需要BMS介入,负责电池的管理策略。首先,我个人认为,每一种电池,都有不同的特性。BMS都应该为之单独开发管理策略,而非通用设计。

BMS对电池管理之前,首先要掌握电池的信息,这只有通过传感器监测来实现。也就是说,传感器越多,传感器的精度越高,反馈的数据越全面,BMS对电池的判断则会越准确。但是,相应的,成本也就越高。

充电过程中,电芯、BMS、传感器,三个环节配合不好,自燃就有可能发生。

如果BMS失效了会怎么办?试想我们的智能手机极小概率发生故障需要重启的场景,我相信任何电子设备,都有一定的故障几率。而如果BMS发生故障,甚至是短暂的死机,后果都比手机故障严重的多。当这种情况发生时怎么办,有没有第二套可以备用的电池管理方案?我相信当系统中存在“应急装置”时,系统势必会更加安全,但是也同时会增加成本。

除了充电场景外,电池在行驶或停驶过程中也会产生燃烧。行驶中,是电池的放电过程,在工作过程中,电池出现问题,容易理解,但是在停驶过程中,为什么会燃烧呢?

最近对几个停驶新能源车案例中研究发现,新能源车在停驶前,都有过重载或较长时间行驶的经历。而停驶过程中的自燃,其实是后遗症,而这种后遗症是怎么引发的呢?

原因一:汽车在行驶过程中,由于空气气流的作用,电池是处于散热状态。但当汽车停驶的时候,汽车熄火,散热系统也停止工作。而此时电池的热量也许并未完全散去,热量在局部集聚,从而导致高温引发燃烧。

解决方案很简单,在汽车停驶后,散热系统应该继续工作(这要求有主动散热装置),我记得以前我的一辆燃油车,停车后,前面的散热扇(当时叫电子扇)还会继续呼呼地转一会。早年的涡轮增压发动机也有类似的要求,停驶后不能立即熄火停车。对于新能源汽车而言,这并不是什么有难度的技术。但是确实要实打实的增加一些成本,也可能会牺牲一些能量密度。

原因二:环境温度影响。环境中的温度,大多来自地面对热量的反射。那么地面温度,到底能有多少度?根据天津市气象局的数据,夏季地面最高温度达到64.7℃,最低温度也纷纷超过了50℃。而锂电池的适宜工作温度,大多不超过50℃,而锂电池包往往安装在车的底部,与地面的距离很近,地面辐射的大量热量,被电池包吸收。如果再与原因一的问题累加,或者长时间停车,都可能造车电池热失控,而导致燃烧事故。

解决方案也不难,就是对电池包做隔热设计,比如在电池包内部加一层隔热垫,这也有利于冬天保温。但是隔热垫的添加,又会带来三个问题:第一,成本增加;第二,自然冷却性能下降,需要主动散热系统;第三,电池包的能量密度稍有下降。

原因三:新能源汽车在停驶过程中,低压电还是在工作的,比如GPS发射信号,行车电脑,遥控锁这一些列的功能。如果低压电发生故障,也有可能出现安全隐患。

除了电芯,BMS,Pack设计以外,其余的小环节也不能忽视。比如IP67防水,比如线束的质量和布置。

以上对事故的原因的阐述,解决方案无一不指向增加成本。但是成本高了,是否可以避免事故呢?我还想聊聊特斯拉出现事故的案例。众所周知,特斯拉则是有钱人的“玩具”,成本投入应该不是问题。2018年上半年,网上查到特斯拉一共发生了三起事故:

1月份,在重庆,特斯拉在没充电,也未发生碰撞的情况下,发生了燃烧。

3月份,在美国,特斯拉因为撞上了隔离栏,发生了燃烧。

5月份,在美国,特斯拉因为碰撞,又一次发生了自燃。

可见特斯拉也并未做到100%的安全。

2017年6月,山东日照一辆特斯拉撞击护栏后发生火灾

我想在这,应该给安全重新下一个定义了。

对于新技术,无法苛求100%的不出意外,而是把意外的后果降到最低。而在新能源汽车上,则要在设计上考虑,在出现事故时,100%保证人身安全。我们还是看特斯拉的例子。在特斯拉的电池包上方,有一层阻燃的铝板,这层板,可能无法完全阻断燃烧,但是至少可以给驾驶员和乘客赢得几分钟的逃生时间。

因此,所谓新能源汽车的安全,是对车上司乘人员的100%的安全保证。要提前预警,并给予司机乘客足够的逃生时间。

近日,一辆力帆电动汽车着火燃烧

安全永远是相对的,提高成本简单,关键是市场认可,客户愿意买单。谁也不会愿意买一辆时速十公里的坦克出行,虽然应该很安全。但是我觉得为了减少事故的发生,一些成本还是要花的:

第一,优质的电芯。能量密度越来越高,无疑对电芯的品质要求也越来越高。三元时代,各家的配方是什么?是真正的三元材料,还是不同配方的掺杂?一致性如何?提高电芯的品质,从源头上降低风险,这个钱该花。

第二,安全的Pack设计。一些厂家的所谓Pack设计,其实是Pack布置。有什么区别呢?举个例子,Pack的温度传感器应该放在哪?Pack布置的做法是把电池模组安装好,在找个“合理”的地方,装上。而Pack设计的做法,是在结构上结合散热系统,风道设计,预先设置好温度监测点,再进一步仿真、实验,最终确认。

第三,余量设计。顾名思义,在设计中,留有设计余量是必要的。比如前文说的,如果BMS发生故障,有没有一套备用的系统可以暂时保证系统的安全。这套备用系统不一定能BMS的完整功能,但是起码要保证安全。

第四,热管理系统。热管理系统,如果说是新能源汽车的安全命脉,应该不为过。电池的能量密度越来越高,对于热管理的要求,也越来越高。能量密度的提高,更会引发充电速度的提升,我认为起码一套水冷系统是必要的。

第五,故障逃生系统。无论什么原因造成的新能源汽车起火,都要给司乘人员留足逃生时间。尤其是三排座位的商务车或SUV,以及电动大巴。因此,对于故障,早预警;在系统中,起码要有延缓火势的设计,最大限度延长逃生时间。

第六,安全培训。简单说,就是告诉新能源汽车车主,如果发生事故,应该如何处理。比如要放弃财物,第一时间逃生,要和事故车辆保持的安全距离,要站在上风口等等。对于事故处置不当,也是造成人身伤害的重要原因。

第七,严惩责任方,支持巨额索赔。除了人命,其他任何东西都可以拿钱来计算。有这样一个故事:福特汽车生产的一款汽车,它的设计安全隐患,但是如果增加16块钱成本,安全系数机会提高很多。福特公司知道这个情况,但他们算过一笔账,如果每辆汽车都加一块16块钱的挡板成本超过了他们对意外的赔偿,所以他们选择了赔偿。从这个角度理解,赔偿实际上是对产品成本控制的买单,所以把钱花在哪,估计得各大车厂好好算算账了。

2018年,燃油车燃烧的事故也有不少,但是似乎不会像新能源汽车一样,有这么大的关注度。近期新能源汽车着火事件增多,和补贴政策提高能量密度要求,有直接相关性。根据相对安全的原则,这就意味着要有更加安全的保障措施;包括提高充电速度,也要有更加有效的温控系统。

但是,显然动力电池企业、新能源车企并没有这么做。他们如同省16块钱挡板的福特一样,计算了投入产出。如此,我们在呼吁动力电池、新能源汽车企业自身反省、改正的同时,更要呼吁主管部门,严惩粗制滥造导致的起火事件责任方,尤其对于造成人身伤害事故的的责任企业,取消其补贴资格乃至公告,逐出新能源汽车市场。否则,整个新能源汽车产业的前景和成果都可能毁于一旦。