劉春娜

在新能源汽車近年的發(fā)展過程中，除了遇到價(jià)格、續(xù)駛里程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面的困難，其所用動(dòng)力電池的安全性也一直是新能源汽車發(fā)展的敏感話題和難題。

當(dāng)前，新能源汽車動(dòng)力電池最普遍的是鋰離子電池，鋰離子電池與鉛酸、氫鎳等電池相比，具有電池電壓高、比容量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。

安全評(píng)估方面，2015年11月10日，由中國(guó)電力科學(xué)研究院牽頭的國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“鋰離子電池內(nèi)外特性耦合關(guān)系及狀態(tài)評(píng)估體系研究”順利通過公司驗(yàn)收。該項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)外首次基于鋰離子電池內(nèi)外特性耦合關(guān)系進(jìn)行了電池大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的在線安全評(píng)估技術(shù)研究。長(zhǎng)期以來，有機(jī)電解液體系的鋰離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中還存在亟待解決的安全性問題，電池一旦發(fā)生熱失控容易引發(fā)連鎖反應(yīng)，危及系統(tǒng)的安全。由于電池的外特性參數(shù)難以準(zhǔn)確反映電池內(nèi)部的復(fù)雜反應(yīng)，且電池的安全性隨著電池的老化程度會(huì)發(fā)生變化，因此，必須尋找能夠準(zhǔn)確表征電池的安全狀態(tài)并能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的特征參數(shù)，建立電池狀態(tài)評(píng)估體系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池安全的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。圍繞這些問題，中國(guó)電科院、清華大學(xué)、國(guó)網(wǎng)山東電力、天津力神電池股份有限公司共同開展了該項(xiàng)目的研究。項(xiàng)目通過對(duì)電池全壽命周期外特性和內(nèi)特性相關(guān)參數(shù)變化趨勢(shì)的研究，建立了內(nèi)外特性參數(shù)之間的耦合關(guān)系，在此基礎(chǔ)上初步確定了對(duì)規(guī)?；瘍?chǔ)能電池的安全狀態(tài)進(jìn)行在線檢測(cè)評(píng)估的特征參數(shù)及其檢測(cè)技術(shù)方案。項(xiàng)目研究成果為深入研發(fā)高效、高靈敏度儲(chǔ)能電池運(yùn)行狀態(tài)在線評(píng)估技術(shù)奠定了重要的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，為后續(xù)的深入研究提出了指導(dǎo)思路并探明了可行的技術(shù)路線，對(duì)于保障大型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

設(shè)計(jì)制造中，電池包主動(dòng)安全設(shè)計(jì)必不可少。2015年4月，深圳某加電站內(nèi)一輛正在充電的電動(dòng)大巴車起火，電池包先冒煙后起火，工作人員處理未果，火勢(shì)迅速蔓延，大巴車最終被燒毀。此事件引起了新能源汽車行業(yè)業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。在國(guó)家科技支撐項(xiàng)目中，“高能量密度、高安全、低成本”是新能源汽車電池包需要攻克的技術(shù)難題，在目前的動(dòng)力電池技術(shù)條件下，解決電動(dòng)巴士運(yùn)營(yíng)安全問題除了監(jiān)控報(bào)警、過流熔斷、滅火彈等被動(dòng)安全手段外，事故發(fā)生時(shí)的主動(dòng)安全也必須受到重視。如果電池包采用的是一鍵式脫離的主動(dòng)安全設(shè)計(jì)，人們便可在第一時(shí)間將電池包迅速脫離車體，整個(gè)過程僅耗時(shí)幾秒鐘，可有效保證乘客和公共財(cái)產(chǎn)安全。電池包可快速脫離車體的主動(dòng)安全技術(shù)非常關(guān)鍵，行業(yè)專家曾經(jīng)建議將相關(guān)技術(shù)要求寫入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。此外，電池包在車輛運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性也至關(guān)重要，也就是說振動(dòng)工況下的電池包動(dòng)力總成體耐久性技術(shù)非常關(guān)鍵。在電動(dòng)車運(yùn)營(yíng)過程中由于不同路況影響電池包受到X、Y、Z三個(gè)方向振動(dòng)及沖擊，在車體結(jié)構(gòu)內(nèi)部和電池包內(nèi)部形成很大的應(yīng)力和其他有害影響，尤其是車輛尾部電池包，因?yàn)樗艿降碾x心力和振動(dòng)幅度最大，容易對(duì)箱體和電池組造成破壞，當(dāng)再次大電流放電、或快速充電時(shí)溫升過高而發(fā)生事故，所以如何保證電池包在嚴(yán)酷工作狀態(tài)下的安全就變成技術(shù)所需要解決的重要問題。對(duì)此，專家們還給出了快拆電池包方案，利用滾輪懸掛技術(shù)、自補(bǔ)給限位技術(shù)、導(dǎo)向緩沖技術(shù)的抗振及抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以解決相關(guān)問題，可有效防止電池包損壞起火。對(duì)電芯的物理結(jié)構(gòu)固定也必須遵循此原則。這一設(shè)計(jì)通過了國(guó)家能源局檢測(cè)中心的強(qiáng)度測(cè)試和中國(guó)長(zhǎng)征火箭研究所強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試驗(yàn)證，以及定遠(yuǎn)試車場(chǎng)1萬公里的綜合性能測(cè)試。如果在電池包冒煙起火等事故中采用一鍵式脫離主動(dòng)安全技術(shù)，應(yīng)當(dāng)能夠避免整車燒毀這樣的事件發(fā)生，將直接經(jīng)濟(jì)損失和相應(yīng)的社會(huì)影響降到最低限度。專家認(rèn)為，電動(dòng)汽車電池包的安全是人們共同關(guān)注的車輛安全的主要部分，在設(shè)計(jì)過程中要考慮各種突發(fā)情況帶來的危險(xiǎn)，包括振動(dòng)、碰撞、燃燒。主動(dòng)安全設(shè)計(jì)是動(dòng)力電池系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，可使新能源汽車在出現(xiàn)動(dòng)力電池安全事故時(shí)，通過駕駛員的人工干預(yù)將損失減到最小。主動(dòng)安全設(shè)計(jì)方案是目前新能源汽車電池包必須要考慮的功能。尤其是對(duì)載客較多的電動(dòng)車型，特別是對(duì)公共交通安全影響最大的純電動(dòng)公交車型要做到電池包可迅速安全脫離，這樣才能在電池包出現(xiàn)冒煙、起火等危險(xiǎn)情況時(shí)，快速使危險(xiǎn)電池包脫離車體，保護(hù)乘客及車輛安全，同時(shí)也要便于維護(hù)和緊急更換。電池包一鍵式脫離車體的主動(dòng)安全設(shè)計(jì)方案是在新能源汽車換電式設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上衍生出來的。當(dāng)外部條件允許時(shí)(增加一臺(tái)半自動(dòng)換電小車)，還可以將裝配可快速脫離電池包的車輛轉(zhuǎn)換為可快速更換能源的換電式車輛，其優(yōu)點(diǎn)：一是用充滿電的電池更換即將或已經(jīng)耗盡電的電池，用時(shí)短，整個(gè)換電過程可以控制在10分鐘以內(nèi)；二是對(duì)換下來的汽車電池可以利用夜間峰谷時(shí)段進(jìn)行集中充電，成本低；三是可以降低電池組的放電深度，壽命長(zhǎng)?？偠灾?，電池包可快速脫離車體的主動(dòng)安全設(shè)計(jì)方案值得研究者深度思考。

監(jiān)控管理方面，從深圳市新能源公交車發(fā)生自燃來看，它凸顯了新能源汽車在設(shè)計(jì)運(yùn)行方面存在的嚴(yán)重監(jiān)控管理漏洞。大客車是新能源汽車的重要發(fā)展線路，是大規(guī)模載人車輛，其安全性必須是第一位的。此次，深圳市新能源公交車自燃事件是車輛在充電過程相對(duì)受控的狀態(tài)下發(fā)生的，相對(duì)于車輛碰撞和穿刺等事故造成的自燃，此次事件問題更顯嚴(yán)重。從其初步原因來看，正因?yàn)楣ぷ魅藛T無法有效監(jiān)控電池的充電運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)能源的有效管理和檢測(cè)，才造成最終的惡果。新能源汽車的充電是一個(gè)系統(tǒng)工程，既要實(shí)現(xiàn)充電，又要實(shí)現(xiàn)車輛與充電設(shè)施的信息互聯(lián)，有效監(jiān)控車輛的充電安全。此次事故體現(xiàn)了車輛在充電過程中，車輛與充電設(shè)備的信息傳遞存在著重大的質(zhì)量問題和安全隱患。此次事件，無疑使充電樁進(jìn)小區(qū)更加困難，不利于新能源汽車的推廣。尤其是在地下車庫(kù)中，如果安裝充電樁發(fā)生自燃，其風(fēng)險(xiǎn)是巨大的。因此，從此次事件來看，業(yè)內(nèi)應(yīng)重視和加強(qiáng)相應(yīng)的安全措施。目前，電動(dòng)客車生產(chǎn)商對(duì)所用電池采取招標(biāo)的形式，把電動(dòng)汽車看成簡(jiǎn)單的組裝，這對(duì)于確保電池的有效管理和系統(tǒng)性控制是不利的。如何實(shí)現(xiàn)電池能量系統(tǒng)的快速自檢，增強(qiáng)各種傳感器的有效監(jiān)控，及時(shí)更新存在問題的電池單體，這都是新能源汽車整車企業(yè)應(yīng)該強(qiáng)化的。新能源汽車迫切需要形成更強(qiáng)的全國(guó)統(tǒng)一市場(chǎng)和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這樣有利于產(chǎn)品進(jìn)步和配套技術(shù)升級(jí)，確保安全。

技術(shù)路線上，主流的鋰離子電池主要按照正極材料來分類，有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元(鎳鈷錳混合)、磷酸錳鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池目前仍是最符合當(dāng)前國(guó)產(chǎn)新能源汽車安全需求的。尤其是鑒于載客數(shù)量大的特殊性，與轎車等小型乘用車相比，安全問題在新能源客車行業(yè)的重要性，要優(yōu)先于續(xù)駛里程等性能問題?？蛙囀谴蟊姽步煌üぞ撸藛T裝載容量大，一旦出現(xiàn)問題，逃生撤離需要的時(shí)間長(zhǎng)。因此，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)應(yīng)該首要考慮安全要素，對(duì)電池所用材料質(zhì)量以及電池成組技術(shù)都有非常高的要求。從產(chǎn)品技術(shù)來看，首先，按功率設(shè)計(jì)的磷酸鐵鋰電池也是可以快速充電的。有數(shù)據(jù)顯示：磷酸鐵鋰電池使用80%后進(jìn)行快充，可以安全達(dá)到4000~5000次；70%后，也可以保證7000~8000次；其次，在現(xiàn)階段，磷酸鐵鋰的量產(chǎn)成熟度要比三元材料、多元復(fù)合材料更高；從材料層面講，磷酸鐵鋰比三元材料、多元復(fù)合材料具有更高的安全性。專家認(rèn)為，從產(chǎn)業(yè)角度說，磷酸鐵鋰路線成為大多數(shù)企業(yè)的首選，原因在于其滿足了以下因素：第一，動(dòng)力電池安全特性，磷酸鐵鋰安全性能良好；第二，從使用壽命角度，可達(dá)到與車輛運(yùn)營(yíng)生命周期相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)壽命；第三，在能量密度方面，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、集成化的電池系統(tǒng)，在保證安全的前提下，可減小系統(tǒng)質(zhì)量，提高電池系統(tǒng)的能量密度；第四，在充電速度方面，可兼顧速度、效率和安全；第五，環(huán)境適應(yīng)性，系統(tǒng)溫度適應(yīng)性寬，可適應(yīng)高寒高熱地區(qū)，防護(hù)等級(jí)高，可在高海拔地區(qū)正常運(yùn)行。

其他關(guān)鍵材料方面，對(duì)于目前應(yīng)用相對(duì)較多的鋰離子電池來說，發(fā)展防短路、防過充、防熱失控、防燃燒及不燃性電解質(zhì)是應(yīng)對(duì)動(dòng)力電池安全性的關(guān)鍵。青島儲(chǔ)能研究院采用“剛?cè)岵?jì)”的電解質(zhì)設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)了在高能量密度聚合物電解質(zhì)電池關(guān)鍵材料研制方面的一系列進(jìn)展，并與中天科技公司合作開發(fā)大容量高安全動(dòng)力或者儲(chǔ)能用單體電池(比能量達(dá)到300Wh/kg)的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，協(xié)力推進(jìn)高能量高安全的全固態(tài)動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化。同時(shí)研發(fā)團(tuán)隊(duì)還將此設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于積極探索新一代的超高能量密度的鋰空氣二次電池的開發(fā)。這些工作還得到了中國(guó)科學(xué)院納米專項(xiàng)、中科院青島能源所135項(xiàng)目支持和山東省前瞻性專題基金支持。

此外，在關(guān)于新能源汽車用燃料電池安全性檢測(cè)及分析方面，中國(guó)科學(xué)院大連化物所與大連市質(zhì)監(jiān)局也于2015年11月在大連市檢測(cè)科技園簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，創(chuàng)新開展“科研機(jī)構(gòu)+產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)+政府服務(wù)”模式，積極推動(dòng)大連市優(yōu)質(zhì)科研成果的標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化。據(jù)悉，雙方將率先啟動(dòng)建設(shè)大連市“新能源電池安全檢測(cè)平臺(tái)”，并就燃料電池儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全性評(píng)測(cè)及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行合作。大連市“新能源電池安全檢測(cè)平臺(tái)”依托中科院大連化物所和市質(zhì)監(jiān)局所屬的大連質(zhì)檢院、鍋檢院等檢測(cè)技術(shù)機(jī)構(gòu)建設(shè)運(yùn)營(yíng)，主要針對(duì)車載氫燃料電池、甲醇燃料電池、鋰電池、金屬空氣電池等產(chǎn)品安全性能提供檢測(cè)、失效分析、模擬運(yùn)行等技術(shù)支持，開展燃料電池實(shí)驗(yàn)室供氫系統(tǒng)安全性評(píng)估、專用高壓氫氣瓶檢測(cè)等技術(shù)服務(wù)。據(jù)介紹，雙方還將重點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法研究、實(shí)驗(yàn)室資源共享、博士后工作站對(duì)接、二噁英實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、大連檢測(cè)聯(lián)盟創(chuàng)建、標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量創(chuàng)客空間等方面開展技術(shù)合作。

總之，無論是哪一種新能源汽車，電池安全性都是攸關(guān)其未來發(fā)展的保障。電池安全，新能源汽車才會(huì)有更好的發(fā)展。