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              电动汽车安全性四大问题详实介绍

              作者:中国储能网新闻中心 来源:新智驾 发布时间:2019-01-12 浏览:
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              今天主要从四个方面分享电动汽车安全性问题。

              首先是电动汽车发生事?#23454;?#32479;计情况。根据统计,近年来电动汽车自?#35745;?#28779;基本发生在碰撞后,国内电动汽车起火有如下特征:

              一半以上为三元电池,少数为磷酸铁锂电池;

              以圆柱形电池为主,此类型电池钢?#21069;?#35065;,一旦发生热失控,就会引发爆炸,并引?#35745;?#20182;电池;

              充电失火的事故占比较大;

              一般情况下,热失控大都发生在满电状态下,因为充电?#20445;?#30005;池与充电系统连接在一起,热失控最易发生,再加上高压电器的短路问题等,就会引起事故。

              新旧车?#25237;加校?#31995;统能量密度不高。

              新旧车?#25237;加?#21457;生事?#23454;?#21487;能,这些事故车辆主要是前几年生产,总体来看,电池系统比能量不是很高。

              大量研究表明,新能源汽车发生起火事?#23454;?#20027;因是电池热失控。电池热失控的机理是电池达到?#27426;?#28201;度?#20445;?#24341;发连锁放热负反应,导致温度快速上升,最高速度可达到每秒钟温升接近1千度。

              据悉,引起电池过热的原因很多,例如电池包本身温度不均匀、局部区域温度高、过充放、内外短路以及密封性差或机械碰撞等原因。

              新能源汽车产?#20998;?#37327;问题


              新能源汽车起火,主要是产?#20998;?#37327;问题,并不是技术路线问题。

              产?#20998;?#37327;问题是指产品在设计、制造、验证、使用过程中没有严格遵守相关技术标准和规范。分为如下三类:

              1、电池产品测试验证不足

              由于补贴退坡政策周期是一年一次,与产品的开发周期匹配度不足。具体来看,化学材料体系的改进需一年以上,但企业沿着补贴政策方向走,盲目追求高比能量,缩短测试验证时间,甚至为了缩短开发周期选择物理改进方法,例如把电池活性材料增厚,隔膜减薄,造成电池比能量上升的假象,实际上安全性能严重下降。

              电池测试验证手段不完善,无法?#20174;?#23454;车的使用条件,很大一部分企业并没有建立公司内部的电池安全测?#21592;?#20934;,甚至部分企业没有电池安全测试的能力,以致于生产出的电池质量参差不齐。

              2、车辆使用过程中可靠性恶化


              车辆使用过程中可靠性降低,全生命周期中?#28010;?#25928;果不?#36873;?#36890;常电池的密封性要通过IP67标准,但车辆长时间使用后,密封性变差,车辆进水,造成短路。另?#29615;?#38754;,电池激光焊接的接头内部易出现空隙,导致阻抗增加,进而发热产生高温点,最终引起热失控。还包括电池系统?#32479;?#30005;机高压电器老化,充电时接触器经常开断,造成接触器表面高温烧损或者粘连。

              3、充电安全管理技术水?#38477;?#19979;



              充电过程中数据通讯不规范,BMS的厂商?#32479;?#30005;机的厂商未严格执行新颁布GB/T 27930-2015《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》国家标准,不严格执行充电安全的相关标准。具体包括,直流充电未采用专用网络,与整车总线共用,导致充电网络充斥大量无关数据,负载率高;BMS充电管理未按照功能安全要求进行设计,在电压、电流检测失效情况下,无法?#34892;?#36991;免过充;充电机未与BMS建立?#34892;?#30340;充电配合与功能校验,在BMS失效情况下,无法及时停止充电等。

              动力电池技术发展趋势


              高比能量电池面临更严峻的安全技术挑?#20581;?#26681;据中国新能源汽车动力电池比能量发展趋势,预计不久会向300瓦时/公斤的高比能量电池迈进,高镍三元811电池将很快进入市场。

              电池安全共性技术问题


              高比能量电池比原来相对低比能量电池所面临的安全技术要求更高。针?#28304;?#24773;况,清华大学专门建立了电池安全实验室开展相关的基础研究?#22270;?#26415;开发,与国内外企业和研究机构开展了广泛合作,包括宝马、奔驰、日产等公司,主要研究如下三方面:

              热失控的诱因,包括热、电、机械等原因;

              发生热失控的机理是什么,如何在材料设计层面加以防护;

              热蔓延,一旦单体电池无法防止热失控,需配备二次防护,在系统层面切断热失控。

              截至目前,电池安全实验室已经取得了如下研发成果。

              高比能量单体动力电池热失控发生机理与抑制

              在电池热失控发生机理与抑?#21697;?#38754;,采取了两?#36136;?#39564;方法,一是从材料热稳定性研究差?#26087;?#25551;量热仪,另一个是电池单体热失控测量的加速量热仪。

              1、建立各种类型动力电池特征温度数据库

              根据上图实验曲线,提出了高比能量电池热失控时三种特征温度的定义。当电池温度升到?#27426;?#31243;度,电池自产热,此温度为T1;产热到无法抑制,热失控触发,此温度为T2;最后温度上升到最高点为T3。

              高比能量单体动力电池热失控主要在T2-T3阶段,发生机理不清,通常认为该现象是内短路造成的。但经研究发现,即使没?#24515;?#30701;路,热失控还会发生。原因是高比能量电池的耐高温新型隔膜到200度以上无变化,电解液基本蒸发完全,而在230-250度?#20445;?#27491;极材料相变放出的氧与负极反应产生了放热高峰。

              通过?#21592;?#21508;种不同镍含量的三元锂离子电池差异性,可以得出如下初步结论:

              高镍正极对全电池的安全性有决定性影响;

              硅炭负极在电池初期阶段对其安全性的影响不大,但在循环衰减后影响比较大;

              陶瓷涂覆的隔膜对全电池的安全性有积极作用,热稳定性更高隔膜的效果需要在全电池中验证。

              2、热失控蔓延与热管理

              真正的事故都是热蔓延导致的,当一个电池单体热失控后,剩余电池包就开始蔓延,最终引发着火事故。

              根据对热失控蔓延过程的测试?#22836;?#30495;分析,电池实验室设计出一?#25351;?#28909;方法,在主导传热的路径上加隔热材料作为防火墙,就能达到隔断热失控蔓延的效果。

              热失控的诱因和电池管理



              1、内短路


              通过分析在用电池和事故电池,发现制造时均匀的极片在使用?#27426;问?#38388;后,会造成折叠区域的?#23631;眩?#20174;而导致局部析锂,引起热失控。

              此外,电池制造过程中的杂质也会引起内部短路。?#28304;?#30005;池实验室发明了电池内短路替代实验方法,通过在特定电池里面植入记忆合金实现预期的内短路。

              根据研究,内短路可以分为四类,其中铝集流体和负极相连危险性最高,须提前预警。此外,内短路的演变过程可以分为三个阶段,第一阶段,只有电压下调,无温度上升;第二阶段有温度上升;第三阶段发生温度上升现象,也就是热失控。针?#28304;?#28436;变过程,争取在前两个阶?#38382;?#21035;出内短路,并提前15分钟预警热失控。该技术已经与宁德时代取得了合作。

              2、充电


              通过对电池过充热失控进行机理分析和模拟预测,发现过充事故一般发生在微过充?#20445;?#20363;如电池的不一致性,?#34892;?#22320;方未充满,有的地方已充满,导致电池安全性变差。

              为了解决此问题,电池安全实验室开发了基于参比电极的无析锂快充技术,把负极的电位控制在零以上(零以下会析锂),再增加一个三电极,就可实现无析锂快充技术。该技术应用后没有发生析锂现象,而且能够加快充电速度,此外在三电基础上,还可以基于模型进行反馈和观测。

              3、老化


              电池老化造成不一致性进一步扩大,随着容量一致性变差,电池管理的精确性也会变差。另外,低温环境下的老化会严重影响电池的热稳定性,最终导致热失控。

              分析上述问题得出,保障电池系统安全性的核心是研发先进的电池管理系?#22330;?

              目前,电池管理系统方面,国内产品功能不足、精度不够、安全功能不全,因此需要加大电池管理系?#36710;?#30740;发力度。清华大学在电池管理系?#36710;?#32463;验比较丰富,已获得65项专利授权,并与国内外公司合作中得到了应用,其中部分专利授权给了奔驰汽车公司。


              电池安全技术发展趋势

              如何彻底解决电池安全性问题是重中之重。

              从近期看,可通过一些技术保障电池安全性。从长远出发,保障电池的绝对安全还需具备前瞻性的科学研究。

              目前世界范围内的发展关键趋势是锂离子动力电池高比能量化,因此不能因为安全问题就?#29615;?#23637;高比能量电池,关键是要把握高比能量与安全性之间的平衡点。例如,高镍三元锂离子动力电池的本征安全机理是正极?#22836;?#27687;,因此可以通过界面修饰延缓正极释氧,提高稳定性。此外,开发新一代固态电解质,才能从根本上解决电解液燃烧问题。

              ?#21592;?#21508;国动力电池技术路线图来看,短期发展是液态电解液的锂离子电池,未来会向固态电池方向发展。

              综合考虑电池成本和动力电池的发展方向,建议中国也应该走类似路径,即短期考虑液态电解质,发展高镍三元正极和硅炭负极,通过电池管理系统和热蔓延的抑制来防止安全事故发生,此类电池能够满足电动汽车500公里续驶里程的要求。长远战略要?#21491;?#24577;电解质逐步过渡到全固态电池,预计2030年全固态电池将得到产业化应用。

              正确看待新能源汽车起火?#24405;?/strong>

              近期新能源汽车起火的主要原因是产?#20998;?#37327;问题,部分企业没有遵守技术规范,或是技术验证周期偏短等。

              总之,大家要力争解决动力电池本征安全问题,保障新能源汽车行业的健康发展。在政策方面的建议如下:

              原有的产业化目标偏高,2020年单体达到350瓦时/公斤,系统260瓦时/公斤,循环寿命2000次,从安全角度出发,不宜强行推行;

              补贴政策要符合技术发展的规律,对能量密度的提升不宜过快过频;

              尽快推出电动汽车安全年检规范,以及电动汽车黑匣子,电池包消防安全接口等规范。

              最后总结,电池安全技术是电池技术革命性突破的第一重点,是纯电动汽车性能升级的第一关键,也是电动汽车可?#20013;?#21457;展的生命线。研发动力电池要以安全为核心,全力提升现有锂离子电池系统安全技术,同时突破新型固态电池技术。?#23601;輟?

              关键字:电动汽车 安全性

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