陳玉華

(商丘職業(yè)技術學院 汽車建筑工程系，河南 商丘 476000)

1 電動汽車發(fā)展概述

動力電池作為電動汽車最核心部件，一直是新能源汽車產業(yè)鏈中最為重要的一環(huán)，而動力電池能量密度的高低，又是決定電動汽車續(xù)航里程的關鍵技術因素。在2018年的國家新版補貼政策中，對新能源汽車的能量密度門檻提高，自2018年6月起，我國的電動汽車行業(yè)開始出現下滑跡象，2019年是新能源汽車的寒冬之年，2019年的前三季度，汽車市場整體表現明顯下滑，從7月起新能源汽車銷量出現四連降的下滑態(tài)勢[1]。

當前，新能源汽車產業(yè)正迎來行業(yè)內的顛覆性變革，一方面是因為人工智能、大數據、云計算、移動互聯網等新興技術與汽車深度融合，打造電動汽車智能化、網聯化、電動化、共享化和移動出行服務；另一方面，國家補貼政策的退坡以及消費者需求的不斷提高，倒逼汽車在制造方式、產業(yè)成本等方面加快變革，而電池比能量的提升被放在了首要位置，致使有些車企忽視了電動汽車的安全。安全是新能源汽車發(fā)展的生命線，也是電動汽車市場競爭中的關鍵要素，也是最能體現各新能源造車實力核心技術亮點的地方[2]。

雖然當前出現了一些有關電動汽車安全方面的問題，但是有關數據表明，新能源汽車出現事故的概率約為0.9/104，而傳統燃油車自燃的概率是萬分之三，只要把握好高比能量與安全性之間的平衡點，是可以通過一些技術手段來保障電動汽車的安全性的。

2 構建新能源汽車安全管理體系的有效策略

經過對當前新能源汽車發(fā)生事故的主要原因進行統計和分析，筆者發(fā)現絕大部分都是由動力電池的熱失控致使電動汽車發(fā)生冒煙、起火甚至爆炸。由鋰離子電池的反應機理知，電池的充放電過程實際就是電芯內部的電極材料發(fā)生化學反應的過程，其間會放出熱量，當電芯散發(fā)的熱量加上本身反應的熱量小于電芯內部產生的熱量時，電芯的內部溫度會升高，當電池的溫度達到一定溫度時會誘發(fā)一系列連鎖的副反應，如電解液的分解、固體電解質界面膜的溶解、活性物質的溶解、正極材料的相變化、黏結劑與高活性負極的反應和金屬鋰沉積等，這些鏈式反應又會放出熱量，致使溫度快速上升，最高的溫度上升速率達1 000 ℃/s。除此之外，電池過熱的原因也有很多，有可能是電池包溫度不均勻，電芯局部區(qū)域溫度過高，以及過充過放、外短路、內短路等，還有機械原因如電池包進水、密封不好、碰撞等，以上原因都會使電池內部溫度在短時間內累積而得不到有效的散發(fā)，從而引起動力電池的熱失控，引發(fā)電池鼓包、燃燒、爆炸等極端現象[3]。

當動力電池內部由于熱失控釋放的熱量高于消耗的熱量時，此時電芯內部急劇積累的熱量，將熱量擴散到與它相鄰的電芯，電池模塊內的電池單體發(fā)生熱失控后觸發(fā)與其相鄰或其他部位的電池單體發(fā)生熱失控的現象稱為熱失控擴散[4]，如圖1所示，查閱相關資料數據可知，當電池溫度升高1 ℃，失效速度增加約7%。當溫度每升高10 ℃，電池的退化速度就增加到原來的1倍，為了動力電池的安全，通?？刂苿恿﹄姵匕鼉葴夭畈怀^5 ℃[5]。

圖1 動力電池的單體熱失控擴散機理示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal runaway diffusion mechanism of power batteries

當前車用動力電池絕大部分采用高比能量的三元材料，如811，其熱穩(wěn)定性較差，而高鎳正極對電池安全又有較大的影響，為了提高整車的安全性能，通過材料的包覆對其熱穩(wěn)定性進行改進，相應的安全得到較大改善。真正事故的發(fā)生是熱蔓延導致的，根據單個電芯熱失控擴散機理，當電池模組內有一個電芯單體發(fā)生熱失控后，會蔓延到與之臨近的電池模塊，為了抑制電池的熱蔓延，可在主導傳熱的路徑上加隔熱材料，在電池單體間加道防火墻，以達到隔斷熱失控蔓延的成效。

受電極材料、工藝的影響，電池在生產制造過程中即使是同一批次的電池，其容量也有一定的離散性，同時電池組在實際應用過程中因存在內阻差異、自放電率差異，動力電池的容量也較之前降低，此時電芯間出現不一致性，電池模組的工作狀態(tài)是由最差電池單體決定的，而動力電池在經過多次充放電循環(huán)后對熱擾動的敏感性也隨著增強，由于單體電池不一致性的存在，將嚴重影響動力電池組充放電循環(huán)能力。因此，在電池組各個電池間設置均衡電路，實施均衡控制，使各單體電池充放電的工作情況盡可能一致，從而提高整個電池組以及整車的安全性能[6]。

在實際應用中不難發(fā)現，單個的電池間很難保證一致性，電池在充電過程中出現“大肚子”現象其本質就是過充的一種表現，電池充電時正極材料的體積會發(fā)生一定量的收縮，而當過充時，正極晶格會發(fā)生塌陷，同時鋰離子在負極形成枝晶，致使隔膜在一定程度上被刺穿，造成電池不可逆的損壞。電池在放電時，鋰離子的嵌入使正極材料的體積發(fā)生一定量的膨脹，而當過放時，正極材料活性變差，阻隔鋰離子的嵌入，當正極材料的體積過度膨脹時，會造成材料的物理結構不可逆地損害。在排列緊密的電池模組中，當有一個單體電池出現變形、破裂時，可能會導致電池內的電解液發(fā)生泄漏，甚至腐蝕整個電池組，使電池在工作過程中出現短路，從而引起電池起火。此時，需要一個能夠對單個電芯進行實時監(jiān)控的“將軍+參謀”，即電池管理系統來監(jiān)測每一個單體電池的動態(tài)，以防止它們中的各個成員出現“叛徒”，從而避免整個電池組的不可控熱量累積。

電池管理系統能夠對動力蓄電池進行實時監(jiān)測和管理，通過對電壓、電流、溫度以及SOC(state of charge)等參數進行采集和控制，即對動力電池進行監(jiān)測、保護、平衡、報警、通信、控制以及計算等，實現對動力蓄電池的保護，提升電池的綜合性能。大容量鋰電池如三元電池存在比較明顯的不一致性，其不一致性會影響電池的充放電能力及循環(huán)壽命，電池管理系統可以通過均衡改善不一致性；此外，電池在不同溫度系表現出不同的性能，鋰離子電池的最佳工作溫度為20～45 ℃，溫度的變化會使電池的SOC、開路電壓、內阻和可用容量發(fā)生變化，也可以通過電池管理系統控制電池工作的環(huán)境溫度，改善電池的性能，達到提升爭持整體性能?？梢哉f，一套好的電池管理系統是擁有一定的智能化水平的。而在電動汽車的實際使用中，電池管理系統更是不可或缺，是能夠與電池、電機三分天下的巨頭之一。

3 結語

對于頻發(fā)的電動汽車起火、燃燒事件，我們要正確看待，通過事后調查許多電動汽車起火的主要原因是產品質量問題，沒有遵守技術規(guī)范和技術標準以及技術驗證周期偏短等。其次是國家的補貼政策要符合技術發(fā)展的規(guī)律，對能量密度的提升不宜過快、不宜更改過頻。電池安全是電池技術革命性突破的第一重點，也是純電動汽車性能提升的第一關鍵，電池產業(yè)發(fā)展越后期電池安全就越變成一個瓶頸技術，可以說安全是電動汽車可持續(xù)發(fā)展的生命線，各動力電池研發(fā)部門和整車企業(yè)，要以安全為核心，全面提升現有鋰離子動力電池系統安全技術，全力突破新型固態(tài)電池技術。總之，我們要力爭解決動力電池安全問題，保障新能源汽車行業(yè)的健康發(fā)展。