一文看懂宁德时代、比亚迪等企业电池安全思路

烧毁的特斯拉电池包

时至夏季，新能源汽车又进入起火高发期。一桩桩起火事件频繁出现在媒体上、微信群里。
必须承认，这些起火事故，很多都与动力电池安全问题相关。而动力电池安全问题不解决，新能源汽车就很难大规模普及。

6月18日，中国化学与物理电源行业协会主办了“2020年动力电池安全分析与技术发展网络会议”，邀请行业人士共同探讨动力电池安全技术，推动产业技术进步。
会议的参加者，包括近期因针刺测试而激烈辩论的比亚迪和宁德时代，还有一些在动力电池安全上颇有探索的企业。《电动汽车观察家》整理了宁德时代、比亚迪、华霆动力、宇量电池在提升电池安全方面的思路和举措，为行业人士提供参考。

1、宁德时代四途径提升电池安全性

宁德时代三元电池和磷酸铁锂双线并举。磷酸铁锂电池主要应用商用车和储能系统；乘用车方面则是三元和磷酸铁锂并举。

宁德时代采取这个策略，主要是综合考虑产品的具体用途和风险程度。 宁德时代高级工程师陈小波解释道，因为纯电动大巴因为带电量大，人员密集，短时间疏散难度大，因此采用磷酸铁锂路线较为稳妥。乘用车实际应用中带电量相对较小、载人少，人员疏散相对容易。而且产品成熟度更高，防护更好，因此可以采用三元电池路线。

陈小波认为，三元电池，一是可以满足用户对里程的需求；二是可以推动电池技术进步。“我们不能在磷酸铁锂技术路线上止步不前。”

此次研讨会上，宁德时代着重强调了电池全生命周期的安全。

陈小波认为，动力电池安全是系统工程，对电池的安全防护应该是全生命周期的。电池从开发设计到生产制造，到售后服务再到回收再生，都存在安全风险，要想办法规避这些风险。
陈小波将提升电池安全归为四个路径。

一是产品设计层面，提高安全阈值。电池包从设计环节，就要做到防水、防火、防撞、防高压漏电，同时做到高可靠性。

二是，注重制造过程的质量与安全管控。在电芯生产层面，宁德时代有超过2600个品质与安全控制因子。

三是，注重动力电池全生命周期的安全性。陈小波认为，电池全生命周期安全的防控重点各有特点例如早期阶段，需要注意软硬件故障，以及工艺、生产层面的问题；中期阶段需要关注偶然性失效问题，例如电芯的膨胀、低压连接件的老化、低压线束老化等。

最后，加强售后维护、安全预警与产品的报废处理。陈小波建议，跟进年检制度，对电池包被磕碰、密封不良等情况进行维护。陈小波还认为，要善于利用大数据，基于后台大数据分析，对有安全预警的电池进行及时更换。此外，对超过服役期的电池，也要制定相关的报废处理办法。

陈小波反复提到电池的可靠性问题，尤其振动后的防水问题，以及高压连接件的可靠性问题。他认为，这些都是在真实应用过程中经常会遇到的问题，值得重视。

当然，陈小波认为动力电池发展也存在一些挑战。

一是轻量化与安全之间的平衡。电池安全需要高强度防碰撞设计，以及防火、耐热材料，同时满足又轻又安全，需要开发更新型的材料。

二是有毒、可燃性烟气与封闭空间的问题。电芯发生热失控，会产生大量毒害烟气。需要政策或规范明确，例如规定在一定时间内防止烟气进入乘客舱。针对烟气，需要开展气体轰燃和毒性研究，以及制定有针对性的消防、紧急处理、人员疏散等措施。

2、比亚迪打造七维四层安全矩阵

与宁德时代不同，比亚迪在思考安全问题时，采用的是对电池和失效模式进行拆解的方式。

比亚迪考虑安全问题时，将电池分为四个层次，单体电芯、模组、电池包、系统；失效模式分为七个维度，连接可靠、高压安全、机械安全、过充、外部过流、内部短路和危险气体。

比亚迪弗迪电池安全技术部副经理林文生认为，大家一谈到电池安全时，经常说电池过充、内短路或者高压出问题，但这些都是零散的点。在思考电池安全时，要做到不漏过任何一个环节，需要对电池安全进行系统化思考。

对于这些失效模式，比亚迪首先会分析这些失效模式能不能完全屏蔽掉；对于不能完全屏蔽掉的，必须要做到预警；即使完全失效，也要做到风险可控。

林文生介绍了比亚迪针对这些失效模式思考以及措施。 连接可靠性方面，失效形式主要是松动或者局部断裂，后果就是动力中断，或者局部发热、拉弧甚至起火。要避免这一问题就要考虑连接设计，例如用全自动焊接取代螺纹连接，保证连接的可靠性。

如果是不可能避免，下一步的设计就是监测预警，例如进行温度和电压监测。

高压安全方面，失效模式主要为漏电和高压击穿。对此，比亚迪从源头上进行优化设计，首先是高压分段，维修的时候，可以通过一个主动装置将高压降下来。防水层面，比亚迪采用IP67的防水等级，对进水导致的漏电问题进行屏蔽。

另一个重要的是绝缘设计，要考虑例如爬电距离、电气间隙、单体外壳绝缘、铜排／动力线绝缘设计以及线束绝缘设计等。除此之外，还要考虑如果发生其他危险，对原有的绝缘设计造成次生的安全问题，也需要考虑。当然还需要预警和监测功能。

机械安全方面，比亚迪再细分分为结构安全设计和电／热安全设计。结构安全设计方面，比亚迪考虑整车对电池包的防护，对电池包进行防撞设计，采用高强度的铝合金托盘、蜂窝结构的加强边框，考虑单体耐变形能力。

电／热安全设计方面。比亚迪考虑，当电池被机械挤压后，也会造成出很多次生问题，例如，挤压后电芯发生短路怎么办？有没有一个断开装置？能不能自动熔断？有没有防爆阀相关设计？这些都是在设计之初需要考虑周全的。

模块方面还要考虑隔热和绝缘设计。电池包层面则是传感器方面的设计，例如传感器断电，能不能触发触发起断开高压？以及隔火隔热的设计。

还要考虑过充问题。林文生认为，电池过充的风险已经相对较小，因为有电池管理系统分级保护。“单电芯过充从设计上没有办法屏蔽，主要看其过充的阈值在哪里，这是由电池材料决定的。”
外部过流方面，主要依靠匹配设计来规避。例如每个负载单独配置保险丝，高压负载与保险丝匹配等等。

内部短路方面，包含的范围比较广。比亚迪这里主要指析锂和异物两类，他们认为从设计上很难屏蔽，只能对生产环境进行控制。因为难以避免，风险防控更要做到位，需要进行风险划分，最终达到可控的目的。

最后是危险气体。林文生表示，电池包里危险气体的来源非常多，例如电解液，其本身就是可燃的，分解后产生的一氧化碳和甲烷乙烷都是可以燃烧的。主要措施就是防爆阀与CID（电流切断装置）匹配、安装气体探测装置、气体泄放装置、低压下属方拉弧设计以及线束耐高温设计等。

3、华霆动力针对电芯失效模式进行防控

作为一家电池系统集成商，对电芯品质无可着手，华霆动力更为关注的是电芯失效之后的防控。华霆动力此次探讨的是圆柱电芯在非滥用情况下的热失控控制问题。

他们的思路是将电芯的失效模式都找出来，并针对每一个失效模式进行防护。用华霆动力技术有限公司董事长周鹏的话说，“如果每个失效模式都是一道伤疤的话，我们就找到一个膏药将其盖住，就是做一些包覆。”

华霆动力的“蜂窝电池”模组

具体来说，就是将电芯的失效模式进行量化，电芯在热失控的情况下产生多少焓（编者可初略理解为总热能）。通过仿真方式，计算出模组内部温度场、流场分布，并根据这些分布特点进行防护。
电池系统层面，则需要做到精准监测。事故发生后，热管理系统可以做一些动作来降低热失控传播的概率。

此外，华霆动力还考虑车辆静置的问题。车辆下电后，电池管理系统还应具备热失控主动监测功能。“需要电池管理系统和监控系统实时交互，而且电流不能太大，否则车内12V铅酸电池很难支撑。”

周鹏认为，通过这一整套系统，可以有效的保证整个系统热失控或者是热蔓延的概率大幅降低。

4、宇量电池用好热失控后的烟气

苏州宇量电池有限公司董事长毛焕宇也参加了会议。他主要探讨，电芯热失控之后到明火烧起来能否有5分钟，或更长时间来逃生。 在毛焕宇看来，电芯发生热失控之后产生烟气值得重视。目前电池热失控产生的烟气都是可燃的，只要有静电或者火花，就会发生火灾。

“一般单颗18650电芯发生热失控，如果电芯内容物冲出受阻就会产生边裂，将导致更多电芯热失控产生大量烟气。”

但是如果烟气不可燃的话，其存在也有好处。 毛焕宇解释道，烟气可以带走90％以上的热量，大大降低热失控电芯本身的温度，阻止热失控也较为容易。电芯热失控之后，大约40％的总质量已经喷射到烟气里面去了，带走了反应物、产物以及热量。“喷出物是所有的电解液、隔膜、粘结剂、部分石墨和铝箔，只有一部分正极材料、铜箔及壳体留下来了。”

毛焕宇认为，不可燃的烟气相对于火焰更容易逃生，而且临近的物体、车辆、建筑物都不会被引燃。

宇量电池为此研发了一种化合物，具有隔热、吸热和灭火三大特点。该化合物可以有效改变气体成分，将可燃的烟气变为不可燃，这样就能给成员更多的逃生时间。

毛焕宇也透露，这种化合物的成本非常低，也极易获取。

可以看到，宁德时代强调电池全生命周期的防护和监控，针对各个时期可能出现的问题进行防护；比亚迪则是分层次对电池热失控的原因归类进行分析防护；华霆动力则是将电芯的失效模式进行分析，针对每种模式在系统层面“打补丁”进行防控；宇量电池则着重探讨电芯热失控后如何最大程度减少伤害，为乘员赢得逃跑的黄金“5分钟”。

不同企业在提升电池安全方面各有特色，而且听上去效果都很好。这些安全技术、策略，能否真正落实呢？

从中国新能源汽车过去十年的表现看，既存在“无知”的问题——对动力电池及电动汽车的安全研究不够，防范方法缺失；又存在“知而不行”的问题，有的存侥幸心理，有的是从成本考虑，生产品控标准不严，安全防护“减配”。所以，中国才有这么多起火事件。

现在来看，中国动力电池产业界似乎解决了“无知”的问题，那现在我们期待的，就是大家的行动了。