[摘要]隨著電動(dòng)自行車新國標(biāo)的實(shí)施，整車的重量受到了嚴(yán)格的限制，能量密度更高的鋰離子電池被大規(guī)模地應(yīng)用于電動(dòng)自行車中。
隨著電動(dòng)自行車新國標(biāo)的實(shí)施，整車的重量受到了嚴(yán)格的限制，能量密度更高的鋰離子電池被大規(guī)模地應(yīng)用于電動(dòng)自行車中。但是，電動(dòng)兩輪車市場(chǎng)上的鋰離子電池質(zhì)量參差不齊，且大部分門店導(dǎo)購和消費(fèi)者都缺乏對(duì)鋰離子電池的了解，由此可能會(huì)導(dǎo)致安全事故。這也是為什么近日某兩輪車頭部品牌，發(fā)文禁止其線下門店參與換電項(xiàng)目、囤放大量鋰電池的原因。
那么，鋰電池到底有什么安全隱患呢？首先要了解鋰電池的工作原理。
文章目錄
一、鋰離子電池的工作原理
二、電動(dòng)車鋰電池為什么會(huì)爆炸？
三、鋰電池安全措施
一、鋰離子電池的工作原理
鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物為正極(根據(jù)正極化合物不同，常見的鋰離子電池有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元鋰等)。中間有一層膈膜，避免正負(fù)極短路。在充放電過程中，Li+在正負(fù)極間往返：充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極；放電時(shí)則相反。在鋰離子的嵌入與脫嵌過程中，同時(shí)伴隨著等當(dāng)量的電子的嵌入和脫嵌，也就產(chǎn)生了電流。
二、電動(dòng)車鋰電池為什么會(huì)爆炸？
了解了鋰電池的工作原理，也就能知道鋰離子電池會(huì)爆炸的原因了，主要分為以下兩點(diǎn)。
1、過充導(dǎo)致放出的鋰過多，負(fù)極部位容量不足，充電時(shí)產(chǎn)生的鋰就無法插入負(fù)極石墨的間層結(jié)構(gòu)中，會(huì)在負(fù)極表面形成金屬鋰。時(shí)間一久，這些鋰原子會(huì)由負(fù)極表面往鋰離子來的方向長(zhǎng)出樹枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會(huì)穿過膈膜紙，使正負(fù)極短路。有時(shí)在短路發(fā)生前電池就先爆炸，這是因?yàn)樵谶^充過程，電解液等材料會(huì)裂解產(chǎn)生氣體，使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，讓氧氣進(jìn)去與堆積在負(fù)極表面的鋰原子反應(yīng)，進(jìn)而爆炸。
2、充放電時(shí)，電流的限制也很有必要。電流過大時(shí)，鋰離子來不及進(jìn)入間層結(jié)構(gòu)中，也會(huì)匯集在負(fù)極材料表面。這些鋰離子獲得電子后，會(huì)在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，這與過充一樣，會(huì)造成危險(xiǎn)性。
因此，一般在鋰電池組內(nèi)，除了鋰電池芯外，都會(huì)有一片保護(hù)板，也就是我們常說的BMS(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)，中文名字叫電池管理系統(tǒng)。它能夠監(jiān)測(cè)鋰電池的電壓、電流和溫度等信息，并根據(jù)鋰電池的狀態(tài)，在需要的時(shí)候進(jìn)行干預(yù)。
不論是電動(dòng)汽車還是電動(dòng)自行車，鋰電池事故已不再是新鮮事。在老國標(biāo)時(shí)代，電動(dòng)車行業(yè)已經(jīng)有少量的鋰電池應(yīng)用，就已經(jīng)發(fā)生了不少安全事故，其主要原因是鋰電芯不穩(wěn)定，PACK工藝不成熟，還有對(duì)鋰電池知識(shí)匱乏導(dǎo)致的不良使用習(xí)慣等。隨著新國標(biāo)時(shí)代鋰電池的用量激增，如果不采取一些措施，其事故概率可想而知。
三、鋰電池安全措施
1、安全措施一：軟件BMS保護(hù)板，遠(yuǎn)程安全監(jiān)控
如今國內(nèi)電芯制造水平還達(dá)不到日韓一致性精度，電芯本身就存在一定的安全隱患，如果僅僅搭配純硬件BMS板做保護(hù)，這類電子部件都存在失效的概率，一旦BMS失效，則必定會(huì)發(fā)生安全事故。
綠源的解決方案是，加入遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)整車關(guān)鍵電氣部件數(shù)據(jù)互聯(lián)，其中就包括鋰電池的充放電數(shù)據(jù)。通過總部的數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)，預(yù)判電池失效模式，提前告知用戶并快捷服務(wù)，將安全隱患消除在萌芽中。
2、安全措施二：改良結(jié)構(gòu)，提升鋰電池安全性
與電動(dòng)汽車相比，電動(dòng)自行車的鋰電池使用環(huán)境更加惡劣。整車減震性能差；騎行路況復(fù)雜；整車經(jīng)常被置于戶外，電池也會(huì)直接暴露在外，經(jīng)歷風(fēng)吹、日曬、雨淋。
綠源自主設(shè)計(jì)了全密封透氣干燥防進(jìn)水、防潮氣結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用高導(dǎo)熱系數(shù)硅膠填充，在提高內(nèi)部電芯和BMS板抗震等級(jí)的同時(shí)，也進(jìn)一步加強(qiáng)了防水、防潮性能。同時(shí)做到了電池內(nèi)部各電芯之間實(shí)現(xiàn)均溫目的，保障電芯一致性，進(jìn)而提高整組電池的使用壽命。
3、安全措施三：雙向握手識(shí)別電路，確保電池不亂用
市場(chǎng)上電動(dòng)自行車基本都是直通式輸出方案，給用戶濫用電池提供了便利。如將鋰電池用于鉛酸車，即鉛改鋰銷售；或用作試車寶，用于鉛酸車試騎；還會(huì)出現(xiàn)維修人員用鉛酸控制器或充電器替代出現(xiàn)故障的鋰電車控制器和充電器。這些都是鉛酸電池時(shí)代留下的不良習(xí)慣。鋰電池一旦誤用在鉛酸車上，由于鉛酸控制器存在EABS反充電，且與鋰電欠壓點(diǎn)不一致等均會(huì)給鋰電池造成安全隱患。
綠源的對(duì)策是，在鋰電池BMS板和控制器之間、在BMS板和充電器之前均增加了雙向握手識(shí)別電路，只要不互相匹配，鋰電池就會(huì)關(guān)閉充放電回路，不允許非法控制器放電、非法充電器充電，減少因外部因素導(dǎo)致的鋰電池安全事故。
4、鋰電安全措施四：PGR電機(jī)避免鋰電池反充電
EABS反充電，對(duì)于鉛酸電池是一個(gè)非常好的利益點(diǎn)，但對(duì)于鋰電池來說，反而成為安全隱患點(diǎn)。
鋰電池反充電有什么危害？前面我們已經(jīng)介紹過鋰電池的充電原理，即鋰離子從正極脫出，經(jīng)過膈膜和電解液遷移至負(fù)極多孔石墨的過程。如果鋰離子遷移速度不夠快、遷移數(shù)量太多，就會(huì)滯留在負(fù)極表面形成金屬鋰枝晶，累積到一定程度就會(huì)刺破膈膜發(fā)生短路爆炸。而影響充電過程中鋰離子遷移的數(shù)量和速度的因素，主要是環(huán)境溫度和充電電流大小。
雖然鋰電車都取消了EABS功能，但在下坡滑行過程中，還是會(huì)出現(xiàn)反向充電電流：現(xiàn)有行業(yè)鋰電電動(dòng)自行車普遍采用低速輪轂直驅(qū)電機(jī)，該電機(jī)在騎行過程中是電動(dòng)機(jī)，而在下坡高速滑行時(shí)，就成為了發(fā)電機(jī)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)電壓就會(huì)高于電池電壓，將能量反灌至電池中，整車下滑速度越快，其感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)就越高，即反充電電流就會(huì)越大。
尤其是在新國標(biāo)電動(dòng)自行車最高限速25公里每小時(shí)情況下，在下坡路段滑行速度輕易就會(huì)超過最高車速25公里每小時(shí)，反充電電流極大，尤其是在寒冷的冬天，電解液的導(dǎo)電率下降，鋰離子遷移速率降低，負(fù)極表面形成金屬鋰枝晶的概率就更大了，刺穿膈膜更容易發(fā)生，輕則出現(xiàn)電池容量急劇下降，壽命加速衰退，重則出現(xiàn)大面積短路發(fā)熱，最終失控爆炸燃燒。
因此，綠源在鋰電車型上搭載了自主設(shè)計(jì)的PGR電機(jī)，帶有離合器裝置，滑行過程中，內(nèi)部電機(jī)與外輪脫開，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，即不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)然就不會(huì)出現(xiàn)反充電了。
綠源通過深入剖析鋰電池失效機(jī)理，通過以上多項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)，才能確保鋰電安全可靠，才有可能讓鋰離子電池在電動(dòng)自行車上普及開來，同時(shí)讓用戶使用時(shí)更加安心、可靠、麻煩少。
