隐患不少、正视不足，动力电池安全认知待提升

作为纯电动汽车的“心脏”,动力电池直接决定了车辆的安全、寿命和性能。在动力电池能量密度和性能不断提升的过程中,安全性也成为备受关注与争议的话题。“动力电池系统存在诸多安全层面的不确定性。”正如中国汽车动力电池产业创新联盟副秘书长王子冬所言,由单体和系统组成的电池包,其安全性也关系着产品的方方面面,涉及面比较广,但业内外却对此普遍存在认识不深的问题,甚至有些概念还可能是错误的,这加剧了安全风险。

此前中国汽车工业协会、中国汽车动力电池产业创新联盟、中国电动汽车充电基础设施促进联盟组织行业编制的《电动汽车安全指南》(以下简称《指南》)指出,应从设计、生产、检验、运输等环节注重安全,提升新能源汽车用锂离子电池安全认知,提升安全性设计、制造及安全管控水平。那么,提升对电池的安全认知,首先就要认清哪些因素影响电池安全。“关注安全,就要将影响安全的各种因素尽可能找出,做到宁多勿漏。”天津力神执行副总裁高俊奎说。

电池热失控是电动汽车起火主因

高俊奎强调,电池单体内短路、单体散热、性能衰减引起温度升高、机械可靠性和电池模组的内短路、散热、电气连接可靠性、机械可靠性是关系电池安全的重要因素,而电池系统的热管理能力,系统内的短路、绝缘问题,密封防水性能、BMS(电池管理系统)管理能力和可靠性是决定电池包的安全因素。他进一步指出,电池安全涉及安全体系、安全设计和制造过程等各方面。

在诸多的安全隐患中,高俊奎强调,电池热失控是新能源汽车起火事故的主因,这种过热在电池充放电过程中最容易发生。顾名思义,热失控就是电池内部热量聚集,最终达到无法控制的地步,导致严重的事故。而目前对于锂电池起火没有有效的阻止措施,只能任由电动汽车燃烧直至热失控过程结束。那么,又是什么原因引起了电池热失控?目前,业内普遍认为,引发电池热失控的原因主要是热辐射、电池内部短路、恶劣环境滥用等引起的。如何针对热失控进行管理?《指南》专家组的研究明确,热失控发生起火爆炸时,电池单体上的安全保护装置应启动,这就要求企业在电池泄压和喷火层面上尽心设计,喷泻出的物质数量应有所控制,对喷出的气体温度和成分也要进行研究分析,以防止次生短路灾害的发生。

另外,锂离子电池充电速度和使用寿命强相关,对于不具备快充热性的动力电池组,在条件允许的情况下,应减少快充的使用,尽可能选择小倍率充电。尽管快充已经成为厂商主要的营销噱头,也成为消费者购买车辆的重要参考,但从安全角度看,快充并不应该被提倡,这也是需要业内外厂商、消费者需要正视的问题。

使用温度影响锂电池安全

除了电池本身,使用环境也影响着电池的安全性。

电动汽车冬天为什么充电不畅?这可能是困扰大部分消费者的问题。在业内专家看来,锂离子电池具有最佳使用温度范围,低温难充电是目前技术条件下不可避免的问题。不仅如此,锂离子电池在超过最佳使用温度范围后甚至还会引发安全问题,较高温度下使用易引发热失控安全问题,低温充电下负极又可能发生析锂问题。那么,超过45℃和0℃以下非最佳使用温度范围内应如何保证电池的安全性?相关行业专家指出,应控制充放电策略,如降低倍率,保证电池在安全范围内工作。《指南》也强调,锂离子电池在使用过程中应控制充电方式(包括充电温度、充电倍率和充电电压),以保证安全。

当前,不同体系和不同设计的单体电池充电方式不同,为了确保安全,《指南》给出的建议是,电池单体制造商在提供单体电池产品时,应提供温度-倍率-充电电压关系图,根据电池单体规格书设计系统充电策略。

温度不仅对电池使用产生影响,也同样是电池寿命、储运安全的重要影响因素。王子冬指出,锂离子电池在高温下长期存储性能会严重衰减,长期存放的电池再次使用时也不应直接采用快速充电的方式。《指南》也明确,电池和模组的包装应防水、防潮,避免挤压和损伤,且应以最小单元隔离固定,保障安全距离。在运输过程中,也要对所处温度进行监控,避免日晒、雨淋和受潮。

能量密度与安全需兼顾

一味提升能量密度被认为是当前影响电动汽车安全性的根源。中国汽车工业协会常务副会长董扬曾指出,动力电池的能量密度与安全性是一对矛盾,在提高动力电池能量密度的同时如何保证其安全性,需要深入细致地科学研究与实验,才能把握准确的“度”。

如何把握这个“度”?高俊奎表示,要在保证安全的前提下,提升电池的比能量、缩短充电时间。“我们在讨论电池的容量、电池隔膜厚度时存在很大争议。”王子冬表示,从动力电池的安全性角度考虑,动力电池的单体容量提高与电池系统热失控后的不稳定性成正比;电池隔膜的厚度减薄与电池系统热失控后的不稳定性成正比。故此提出了动力电池容量不建议超过100Ah(三元)、200Ah(磷酸铁锂),隔膜厚度不小于0.012mm的设想。但对此,也有企业认为系统热失控后的不稳定性与生产控制水平,以及成组技术有关,目前不宜限制容量的大小。“经过充分讨论,《指南》中关于动力电池容量确定为不断提升电池单体的比能量是长期、系统的工作,建议要在确保安全性、可靠性和关键电性能指标的前提下,提升电池单体的容量和比能量。隔膜厚度确定为,隔膜厚度和电池单体安全性强相关,动力电池隔膜厚度的选择建议充分考虑由于降低隔膜厚度带来的安全风险。”

新能源汽车补贴对能量密度的青睐被认为是厂商过于追求高能量密度的原因之一。当前,2019年的补贴政策还未出台,此前已经有业内人士建议,补贴应调整对能量密度的要求,让厂商更多从安全角度推进电池技术进步。

BMS和电池系统失效应引起重视

统计结果显示,BMS失效和电池系统失效是引发新能源汽车安全事故的两大因素。东软睿驰高级总监郭晓东认为,当前,业内对BMS及电池系统的失效模式、失效可能产生的风险、应对措施缺乏统一认识,对BMS及电池系统安全相关的设计开发,缺乏基本要求和实践指导。

据了解,BMS失效严重的可能会引起车辆起火、爆炸,或者造成动力中断或监控保护功能失效;而电池系统失效则可能引发起火/爆炸、动力中断或人员触电,两者均应引起足够的重视。为此,郭晓东指出,针对BMS,要重视规范充放电控制策略,避免不当充放电策略引发的安全事故。同时要规范BMS故障处理机制及保护策略,确保安全事故发生时,合理触发保护措施,避免人身伤害。在开发过程中,也要明确BMS功能安全开发要求,降低产品故障率,提升BMS产品质量及安全性。对于电池系统,则应优化动力电池系统开发设计,从设计层面提高电池系统安全性,降低安全风险;优化电池系统检测、生产设计,把控产品质量;规范优化电池系统售后、保养要求,保证产品使用寿命,降低安全风险。

此外,相关专家指出,过去几年尤其是在电动汽车推广应用初期,很多厂商都向消费者灌输了电动汽车不需要维护保养的理念,其实这是一个很大的认识误区,电动汽车尤其是电池也需要定期保养。《指南》也建议,电动汽车应定期在售后服务中心检查,建议保养周期为每5000公里或半年。定期保养的内容应包含均衡充电、气密性检测、绝缘性能检测、外观检查等。王子冬告诉记者:“为了安全性和可靠性,电动汽车需要定期检查和保养。但之前的动力电池系统很少考虑系统的可维修性,让用户在对动力电池系统进行维护时无从下手。所以,电池系统需要设计维护保养接口。”