鉅大LARGE | 點擊量：804次 | 2019年04月13日
動力電池愈發凸顯的安全難題？
中國新能源汽車累計生產15.62萬輛，其中純電動車增長速度非常快。不過，新能源汽車產業的發展不能光看規模，更應看重推動這一產業持續發展的關鍵要素之動力電池技術。
事實上，中國電動汽車動力電池技術的產業基礎整體不錯。從科技部電動汽車重點專項起步開始推動動力電池的研發，當時主要是鎳氫電池和錳酸鋰電池，到后來磷酸鐵鋰電池支撐著電動汽車的發展，如今業內研發重點又轉向了三元鋰電池。
在全國政協常委、國家“863”計劃節能與新能源汽車重大項目總體專家組組長、清華大學教授、“中國電動汽車百人會”執行副理事長歐陽明高看來，今年三元鋰電池的比能量預計將達到180Wh/kg。
隨著下游應用要求的提高及技術的進步，鋰電池比能量將逐步上升，美國能源部預計今后5-10年，也即是到2025年，單體到達大約350-400Wh/kg左右；真正到系統，可能在250Wh/kg。而這，也將是鋰電池所能達到的性能極限。
根據國外的趨勢，中國2020年高比能量電池目標也是要達到300Wh/kg，壽命1500次，系統比能量大約210Wh/kg(比現在約提高1倍)。在邁向高比能量鋰電池的過程中，動力電池比能量提高，續駛里程上升，且成本有所下降，屆時電動汽車將可以與燃油車競爭。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
當一切朝著所有人的預期方向發展時，有一點卻必須引起高度重視：經預測判斷，未來幾年動力電池比能量的確會逐步上升，但安全性并沒有隨之提升。
深諳技術的人想必都清楚，動力電池比能量越高，安全性面臨的挑戰越大。而一旦動力電池缺乏安全性，一切研究都將變得毫無意義。所以，在業內致力于提高動力電池比能量的同時，務必將安全性列為重點研究對象。
幸好不少動力電池與整車企業已開始意識到這一問題。
在今年11月20-21日即將舉行的2015廣州國際電動汽車產業高峰論壇上，歐陽明高等業內權威專家，比亞迪、廣汽集團、北汽新能源、宇通客車、上汽集團等國內領先新能源車企，寧德時代新能源(CATL)、中航鋰電等國內第一梯隊動力電池企業，將共聚一堂商議新能源汽車產業各個環節的“突圍”之策。
尤其值得一提的是，動力電池安全性是上述會議的重要議題之一。一直在動力電池產品上注重安全性且產品經過實踐考驗的CATL將在會議上與業內分享“決定動力電池系統性安全風險的若干因素”，將有益于推動整個行業重視動力電池安全性。
事實上，動力電池安全性問題概括起來叫“熱失控”，也就是到達一定的溫度之后，就不可控了，溫度直線上升，然后就會燃燒爆炸。而過熱、過充、內短路、碰撞等是引發動力電池熱失控的幾個關鍵因素。
在CATL與業內分享安全及防護創新技術之前，下文將結合歐陽明高的觀點，先針對引發動力電池安全問題的幾個要素分別提出應對之策：
(1)過熱觸發熱失控
導致動力電池過熱的原因來自于電池的選型和熱設計的不合理，或者外短路導致電池的溫度升高、電纜的接頭松動等，應該從電池設計和電池管理兩個方面來解決。
從電池材料設計角度，可以開發來防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應；從電池管理角度，可以預測不同的溫度范圍，來定義不同的安全等級，從而進行分級報警。
(2)過充電觸發熱失控
今年的一起純電動大巴起火事件原因就在于“過充電觸發的熱失控”，具體則是電池管理系統本身對過充電的電路安全功能缺失，導致電池的BMS已經失控卻還在充電導致的。
針對這類過充電的原因，解決辦法首先是查找充電機的故障，這可以通過充電機的完全冗余來解決；其次是看電池管理合不合理，比如說沒有監控每一節電池的電壓。
值得注意的是，隨著電池的老化，各個電池之間的一致性會越來越差，這時過充就更容易發生。這需要進行整個電池組的均衡，來保持電池組一致性。
比如采用“先并后串”這一最常見電池組組合方法的串聯的電池組，在解決單體一致性問題后，最好的情況是擁有與最小容量的單體一樣大的容量。有了這個一致性之后，容量回升了，同時也能防止過充。
為了實現一致性，必須有一種方法對各個單體進行容量估計。歐陽明高建議，可以根據充電曲線的相似性來進行全體電池組狀態的估計。
也即是說，只要知道了其中一個單體電池的充電曲線，其他的曲線應該跟它是相似的。經過曲線變化，它們可以近似重合，曲線變化的過程中間的這些差異就很容易計算。根據一個單體可以推算出其他的單體。有了這樣的方法，就可以進行上文提到的一致性的均衡，當然這種算法的時間過長，需要進行簡化。
(3)內短路觸發熱失控
波音787客機曾因電池爆炸起火。在查找事故原因時，發現電極和隔膜上有金屬物，產生了內短路。雖然專家無法100%確認熱失控是由內短路觸發的，但它是最可能的原因，因為找不到其他原因，且內短路沒辦法“浮現”。
電池制造雜質、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等都有可能造成內短路。這種內短路是緩慢發生的，時間非常長，而且不知道它什么時候會出現熱失控。若進行試驗，無法重復驗證。目前全世界專家還沒有找到能夠重復由雜質引起的內短路的過程，都在研究當中。
要解決內短路問題，首先要找到產品品質好的電池廠商，選擇電池及電池單體容量；其次對內短路進行安全預測，在沒有發生熱失控之前，要找到有內短路的單體。
這意味著必須要找到單體的特征參數，可以先從一致性著手。電池是不一致的，內阻也是不一致的，只要找到中間有變異的單體，就可以將其辨別出來。
具體而言，正常的一個電池的等效電路和發生了微短路的等效電路，方程的形式實際上是一樣的，只不過正常單體、微短路的單體的參數發生了變化。可以針對這些參數來進行研究，看其在內短路變化中的一些特征。
其中特征之一就是內短路單體的電勢差，比較其內阻跟其他單體的差異。歐陽明高提出，研發人員要利用模型來進行單體的辨識。在測出每個單體的電壓、電流后，利用這些數據再結合模型，就可以把每個單體的內阻預估出來。再把單體的參數全部預估出來后，根據參數的變化，便可以判斷其一致性是否發生了顯著性變化。
(4)機械觸發熱失控
碰撞是典型的機械觸發熱失控的一種方式。特斯拉屢次發生起火事故就是這個原因。歐陽明高透露，清華大學跟MIT共同合作對特斯拉在美國的碰撞事故進行過分析。如果在實驗室進行碰撞的一個仿真，最接近的是針刺。
歐陽明高還表示，通過對三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池進行針刺試驗，研究熱失控過程，發現磷酸鐵鋰電池在這個熱失控過程中沒有三元鋰電池放熱表現的那么劇烈。實驗表明，不同的材料在針刺的時候會有不同的反應，，磷酸鐵鋰相對安全。
“所以到現在為止，仍然堅持在大客車上主要使用磷酸鐵鋰電池，暫時還不宜大規模使用三元鋰電池，尤其對12米大客車。”歐陽明高如此說道。
解決碰撞觸發熱失控的辦法就是做好電池的安全保護設計。而這需要研發人員先了解熱失控的發生過程。
一般而言，熱失控發生之后，會往下傳播。比如第一節熱失控之后會有傳熱，開始傳播，然后整組像放鞭炮似的一個一個接下來。針對這種傳播，可以建立一個模型，包含中間溫度升高率、化學能電能的產熱、傳熱對流等。整個熱電耦合的模型，可以用量熱儀來做一個相關的定量分析。
有了傳播模型，研發人員可以設計如何來阻斷和抑制，這需要加隔熱層。但是，加隔熱層并不簡單，一方面加厚了體積大，另一方面隔熱層跟冷卻又是矛盾的。這些都是需要解決的問題。
總之，在熱失控擴展和抑制方面，研發人員要從安全保護設計和電池管理兩個方面著手。
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