电池安全—新能源汽车发展的保障

刘春娜

在新能源汽车近年的发展过程中，除了遇到价格、续驶里程和基础设施建设等方面的困难，其所用动力电池的安全性也一直是新能源汽车发展的敏感话题和难题。

当前，新能源汽车动力电池最普遍的是锂离子电池，锂离子电池与铅酸、氢镍等电池相比，具有电池电压高、比容量高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应等优点。

安全评估方面，2015年11月10日，由中国电力科学研究院牵头的国家电网公司科技项目“锂离子电池内外特性耦合关系及状态评估体系研究”顺利通过公司验收。该项目在国内外首次基于锂离子电池内外特性耦合关系进行了电池大规模储能应用的在线安全评估技术研究。长期以来，有机电解液体系的锂离子电池在大规模储能应用中还存在亟待解决的安全性问题，电池一旦发生热失控容易引发连锁反应，危及系统的安全。由于电池的外特性参数难以准确反映电池内部的复杂反应，且电池的安全性随着电池的老化程度会发生变化，因此，必须寻找能够准确表征电池的安全状态并能实现在线检测的特征参数，建立电池状态评估体系，以实现对电池安全的监测和预警。围绕这些问题，中国电科院、清华大学、国网山东电力、天津力神电池股份有限公司共同开展了该项目的研究。项目通过对电池全寿命周期外特性和内特性相关参数变化趋势的研究，建立了内外特性参数之间的耦合关系，在此基础上初步确定了对规模化储能电池的安全状态进行在线检测评估的特征参数及其检测技术方案。项目研究成果为深入研发高效、高灵敏度储能电池运行状态在线评估技术奠定了重要的理论和实践基础，为后续的深入研究提出了指导思路并探明了可行的技术路线，对于保障大型电池储能系统的安全可靠运行具有重要的现实意义。

设计制造中，电池包主动安全设计必不可少。2015年4月，深圳某加电站内一辆正在充电的电动大巴车起火，电池包先冒烟后起火，工作人员处理未果，火势迅速蔓延，大巴车最终被烧毁。此事件引起了新能源汽车行业业内人士的广泛关注。在国家科技支撑项目中，“高能量密度、高安全、低成本”是新能源汽车电池包需要攻克的技术难题，在目前的动力电池技术条件下，解决电动巴士运营安全问题除了监控报警、过流熔断、灭火弹等被动安全手段外，事故发生时的主动安全也必须受到重视。如果电池包采用的是一键式脱离的主动安全设计，人们便可在第一时间将电池包迅速脱离车体，整个过程仅耗时几秒钟，可有效保证乘客和公共财产安全。电池包可快速脱离车体的主动安全技术非常关键，行业专家曾经建议将相关技术要求写入国家标准。此外，电池包在车辆运行过程中的稳定性也至关重要，也就是说振动工况下的电池包动力总成体耐久性技术非常关键。在电动车运营过程中由于不同路况影响电池包受到X、Y、Z三个方向振动及冲击，在车体结构内部和电池包内部形成很大的应力和其他有害影响，尤其是车辆尾部电池包，因为它受到的离心力和振动幅度最大，容易对箱体和电池组造成破坏，当再次大电流放电、或快速充电时温升过高而发生事故，所以如何保证电池包在严酷工作状态下的安全就变成技术所需要解决的重要问题。对此，专家们还给出了快拆电池包方案，利用滚轮悬挂技术、自补给限位技术、导向缓冲技术的抗振及抗冲击结构设计可以解决相关问题，可有效防止电池包损坏起火。对电芯的物理结构固定也必须遵循此原则。这一设计通过了国家能源局检测中心的强度测试和中国长征火箭研究所强度实验室的测试验证，以及定远试车场1万公里的综合性能测试。如果在电池包冒烟起火等事故中采用一键式脱离主动安全技术，应当能够避免整车烧毁这样的事件发生，将直接经济损失和相应的社会影响降到最低限度。专家认为，电动汽车电池包的安全是人们共同关注的车辆安全的主要部分，在设计过程中要考虑各种突发情况带来的危险，包括振动、碰撞、燃烧。主动安全设计是动力电池系统安全设计的重要环节，可使新能源汽车在出现动力电池安全事故时，通过驾驶员的人工干预将损失减到最小。主动安全设计方案是目前新能源汽车电池包必须要考虑的功能。尤其是对载客较多的电动车型，特别是对公共交通安全影响最大的纯电动公交车型要做到电池包可迅速安全脱离，这样才能在电池包出现冒烟、起火等危险情况时，快速使危险电池包脱离车体，保护乘客及车辆安全，同时也要便于维护和紧急更换。电池包一键式脱离车体的主动安全设计方案是在新能源汽车换电式设计方案的基础上衍生出来的。当外部条件允许时(增加一台半自动换电小车)，还可以将装配可快速脱离电池包的车辆转换为可快速更换能源的换电式车辆，其优点：一是用充满电的电池更换即将或已经耗尽电的电池，用时短，整个换电过程可以控制在10分钟以内；二是对换下来的汽车电池可以利用夜间峰谷时段进行集中充电，成本低；三是可以降低电池组的放电深度，寿命长。总而言之，电池包可快速脱离车体的主动安全设计方案值得研究者深度思考。

监控管理方面，从深圳市新能源公交车发生自燃来看，它凸显了新能源汽车在设计运行方面存在的严重监控管理漏洞。大客车是新能源汽车的重要发展线路，是大规模载人车辆，其安全性必须是第一位的。此次，深圳市新能源公交车自燃事件是车辆在充电过程相对受控的状态下发生的，相对于车辆碰撞和穿刺等事故造成的自燃，此次事件问题更显严重。从其初步原因来看，正因为工作人员无法有效监控电池的充电运行状态，进而无法实现能源的有效管理和检测，才造成最终的恶果。新能源汽车的充电是一个系统工程，既要实现充电，又要实现车辆与充电设施的信息互联，有效监控车辆的充电安全。此次事故体现了车辆在充电过程中，车辆与充电设备的信息传递存在着重大的质量问题和安全隐患。此次事件，无疑使充电桩进小区更加困难，不利于新能源汽车的推广。尤其是在地下车库中，如果安装充电桩发生自燃，其风险是巨大的。因此，从此次事件来看，业内应重视和加强相应的安全措施。目前，电动客车生产商对所用电池采取招标的形式，把电动汽车看成简单的组装，这对于确保电池的有效管理和系统性控制是不利的。如何实现电池能量系统的快速自检，增强各种传感器的有效监控，及时更新存在问题的电池单体，这都是新能源汽车整车企业应该强化的。新能源汽车迫切需要形成更强的全国统一市场和统一标准，这样有利于产品进步和配套技术升级，确保安全。

技术路线上，主流的锂离子电池主要按照正极材料来分类，有钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍酸锂、三元(镍钴锰混合)、磷酸锰铁锂电池。磷酸铁锂电池目前仍是最符合当前国产新能源汽车安全需求的。尤其是鉴于载客数量大的特殊性，与轿车等小型乘用车相比，安全问题在新能源客车行业的重要性，要优先于续驶里程等性能问题。客车是大众公共交通工具，人员装载容量大，一旦出现问题，逃生撤离需要的时间长。因此，动力电池管理系统应该首要考虑安全要素，对电池所用材料质量以及电池成组技术都有非常高的要求。从产品技术来看，首先，按功率设计的磷酸铁锂电池也是可以快速充电的。有数据显示：磷酸铁锂电池使用80%后进行快充，可以安全达到4000~5000次；70%后，也可以保证7000~8000次；其次，在现阶段，磷酸铁锂的量产成熟度要比三元材料、多元复合材料更高；从材料层面讲，磷酸铁锂比三元材料、多元复合材料具有更高的安全性。专家认为，从产业角度说，磷酸铁锂路线成为大多数企业的首选，原因在于其满足了以下因素：第一，动力电池安全特性，磷酸铁锂安全性能良好；第二，从使用寿命角度，可达到与车辆运营生命周期相当的长寿命；第三，在能量密度方面，开发标准化、模块化、集成化的电池系统，在保证安全的前提下，可减小系统质量，提高电池系统的能量密度；第四，在充电速度方面，可兼顾速度、效率和安全；第五，环境适应性，系统温度适应性宽，可适应高寒高热地区，防护等级高，可在高海拔地区正常运行。

其他关键材料方面，对于目前应用相对较多的锂离子电池来说，发展防短路、防过充、防热失控、防燃烧及不燃性电解质是应对动力电池安全性的关键。青岛储能研究院采用“刚柔并济”的电解质设计理念实现了在高能量密度聚合物电解质电池关键材料研制方面的一系列进展，并与中天科技公司合作开发大容量高安全动力或者储能用单体电池(比能量达到300Wh/kg)的产业化技术，协力推进高能量高安全的全固态动力电池的产业化。同时研发团队还将此设计理念应用于积极探索新一代的超高能量密度的锂空气二次电池的开发。这些工作还得到了中国科学院纳米专项、中科院青岛能源所135项目支持和山东省前瞻性专题基金支持。

此外，在关于新能源汽车用燃料电池安全性检测及分析方面，中国科学院大连化物所与大连市质监局也于2015年11月在大连市检测科技园签署战略合作协议，创新开展“科研机构+产业聚集区+政府服务”模式，积极推动大连市优质科研成果的标准化、产业化。据悉，双方将率先启动建设大连市“新能源电池安全检测平台”，并就燃料电池储氢系统安全性评测及相关技术进行合作。大连市“新能源电池安全检测平台”依托中科院大连化物所和市质监局所属的大连质检院、锅检院等检测技术机构建设运营，主要针对车载氢燃料电池、甲醇燃料电池、锂电池、金属空气电池等产品安全性能提供检测、失效分析、模拟运行等技术支持，开展燃料电池实验室供氢系统安全性评估、专用高压氢气瓶检测等技术服务。据介绍，双方还将重点在标准检测方法研究、实验室资源共享、博士后工作站对接、二噁英实验室建设、大连检测联盟创建、标准质量创客空间等方面开展技术合作。

总之，无论是哪一种新能源汽车，电池安全性都是攸关其未来发展的保障。电池安全，新能源汽车才会有更好的发展。