燒毀的特斯拉電池包

時至夏季，新能源汽車又進入起火高發(fā)期。一樁樁起火事件頻繁出現(xiàn)在媒體上、微信群里。

必須承認，這些起火事故，很多都與動力電池安全問題相關。而動力電池安全問題不解決，新能源汽車就很難大規(guī)模普及。

6月18日，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦了“2020年動力電池安全分析與技術發(fā)展網(wǎng)絡會議”，邀請行業(yè)人士共同探討動力電池安全技術，推動產(chǎn)業(yè)技術進步。

會議的參加者，包括近期因針刺測試而激烈辯論的比亞迪和寧德時代，還有一些在動力電池安全上頗有探索的企業(yè)。《電動汽車觀察家》整理了寧德時代、比亞迪、華霆動力、宇量電池在提升電池安全方面的思路和舉措，為行業(yè)人士提供參考。

1、寧德時代：四途徑提升電池安全性

寧德時代三元電池和磷酸鐵鋰雙線并舉。磷酸鐵鋰電池主要應用商用車和儲能系統(tǒng)；乘用車方面則是三元和磷酸鐵鋰并舉。

寧德時代采取這個策略，主要是綜合考慮產(chǎn)品的具體用途和風險程度。

寧德時代高級工程師陳小波解釋道，因為純電動大巴因為帶電量大，人員密集，短時間疏散難度大，因此采用磷酸鐵鋰路線較為穩(wěn)妥。乘用車實際應用中帶電量相對較小、載人少，人員疏散相對容易。而且產(chǎn)品成熟度更高，防護更好，因此可以采用三元電池路線。

陳小波認為，三元電池，一是可以滿足用戶對里程的需求；二是可以推動電池技術進步。“我們不能在磷酸鐵鋰技術路線上止步不前。”

此次研討會上，寧德時代著重強調了電池全生命周期的安全。

陳小波認為，動力電池安全是系統(tǒng)工程，對電池的安全防護應該是全生命周期的。電池從開發(fā)設計到生產(chǎn)制造，到售后服務再到回收再生，都存在安全風險，要想辦法規(guī)避這些風險。

陳小波將提升電池安全歸為四個路徑。

一是產(chǎn)品設計層面，提高安全閾值。電池包從設計環(huán)節(jié)，就要做到防水、防火、防撞、防高壓漏電，同時做到高可靠性。

二是，注重制造過程的質量與安全管控。在電芯生產(chǎn)層面，寧德時代有超過2600個品質與安全控制因子。

三是，注重動力電池全生命周期的安全性。陳小波認為，電池全生命周期安全的防控重點各有特點：例如早期階段，需要注意軟硬件故障，以及工藝、生產(chǎn)層面的問題；中期階段需要關注偶然性失效問題，例如電芯的膨脹、低壓連接件的老化、低壓線束老化等。

最后，加強售后維護、安全預警與產(chǎn)品的報廢處理。陳小波建議，跟進年檢制度，對電池包被磕碰、密封不良等情況進行維護。陳小波還認為，要善于利用大數(shù)據(jù)，基于后臺大數(shù)據(jù)分析，對有安全預警的電池進行及時更換。此外，對超過服役期的電池，也要制定相關的報廢處理辦法。

陳小波反復提到電池的可靠性問題，尤其振動后的防水問題，以及高壓連接件的可靠性問題。他認為，這些都是在真實應用過程中經(jīng)常會遇到的問題，值得重視。

當然，陳小波認為動力電池發(fā)展也存在一些挑戰(zhàn)。

一是輕量化與安全之間的平衡。電池安全需要高強度防碰撞設計，以及防火、耐熱材料，同時滿足又輕又安全，需要開發(fā)更新型的材料。

二是有毒、可燃性煙氣與封閉空間的問題。電芯發(fā)生熱失控，會產(chǎn)生大量毒害煙氣。需要政策或規(guī)范明確，例如規(guī)定在一定時間內防止煙氣進入乘客艙。針對煙氣，需要開展氣體轟燃和毒性研究，以及制定有針對性的消防、緊急處理、人員疏散等措施。

2、比亞迪：打造七維四層安全矩陣

與寧德時代不同，比亞迪在思考安全問題時，采用的是對電池和失效模式進行拆解的方式。

比亞迪考慮安全問題時，將電池分為四個層次，單體電芯、模組、電池包、系統(tǒng)；失效模式分為七個維度，連接可靠、高壓安全、機械安全、過充、外部過流、內部短路和危險氣體。

比亞迪弗迪電池安全技術部副經(jīng)理林文生認為，大家一談到電池安全時，經(jīng)常說電池過充、內短路或者高壓出問題，但這些都是零散的點。在思考電池安全時，要做到不漏過任何一個環(huán)節(jié)，需要對電池安全進行系統(tǒng)化思考。

對于這些失效模式，比亞迪首先會分析這些失效模式能不能完全屏蔽掉；對于不能完全屏蔽掉的，必須要做到預警；即使完全失效，也要做到風險可控。

林文生介紹了比亞迪針對這些失效模式思考以及措施。

連接可靠性方面，失效形式主要是松動或者局部斷裂，后果就是動力中斷，或者局部發(fā)熱、拉弧甚至起火。要避免這一問題就要考慮連接設計，例如用全自動焊接取代螺紋連接，保證連接的可靠性。

如果是不可能避免，下一步的設計就是監(jiān)測預警，例如進行溫度和電壓監(jiān)測。

高壓安全方面，失效模式主要為漏電和高壓擊穿。對此，比亞迪從源頭上進行優(yōu)化設計，首先是高壓分段，維修的時候，可以通過一個主動裝置將高壓降下來。防水層面，比亞迪采用IP67的防水等級，對進水導致的漏電問題進行屏蔽。

另一個重要的是絕緣設計，要考慮例如爬電距離、電氣間隙、單體外殼絕緣、銅排/動力線絕緣設計以及線束絕緣設計等。除此之外，還要考慮如果發(fā)生其他危險，對原有的絕緣設計造成次生的安全問題，也需要考慮。當然還需要預警和監(jiān)測功能。

機械安全方面，比亞迪再細分分為結構安全設計和電/熱安全設計。結構安全設計方面，比亞迪考慮整車對電池包的防護，對電池包進行防撞設計，采用高強度的鋁合金托盤、蜂窩結構的加強邊框，考慮單體耐變形能力。

電/熱安全設計方面。比亞迪考慮，當電池被機械擠壓后，也會造成出很多次生問題，例如，擠壓后電芯發(fā)生短路怎么辦？有沒有一個斷開裝置？能不能自動熔斷？有沒有防爆閥相關設計？這些都是在設計之初需要考慮周全的。

模塊方面還要考慮隔熱和絕緣設計。電池包層面則是傳感器方面的設計，例如傳感器斷電，能不能觸發(fā)觸發(fā)起斷開高壓？以及隔火隔熱的設計。

還要考慮過充問題。林文生認為，電池過充的風險已經(jīng)相對較小，因為有電池管理系統(tǒng)分級保護?！皢坞娦具^充從設計上沒有辦法屏蔽，主要看其過充的閾值在哪里，這是由電池材料決定的?！?/p>

外部過流方面，主要依靠匹配設計來規(guī)避。例如每個負載單獨配置保險絲，高壓負載與保險絲匹配等等。

內部短路方面，包含的范圍比較廣。比亞迪這里主要指析鋰和異物兩類，他們認為從設計上很難屏蔽，只能對生產(chǎn)環(huán)境進行控制。因為難以避免，風險防控更要做到位，需要進行風險劃分，最終達到可控的目的。

最后是危險氣體。林文生表示，電池包里危險氣體的來源非常多，例如電解液，其本身就是可燃的，分解后產(chǎn)生的一氧化碳和甲烷乙烷都是可以燃燒的。主要措施就是防爆閥與CID（電流切斷裝置）匹配、安裝氣體探測裝置、氣體泄放裝置、低壓下屬方拉弧設計以及線束耐高溫設計等。

3、華霆動力：針對電芯失效模式進行防控

作為一家電池系統(tǒng)集成商，對電芯品質無可著手，華霆動力更為關注的是電芯失效之后的防控。華霆動力此次探討的是圓柱電芯在非濫用情況下的熱失控控制問題。

他們的思路是將電芯的失效模式都找出來，并針對每一個失效模式進行防護。用華霆動力技術有限公司董事長周鵬的話說，“如果每個失效模式都是一道傷疤的話，我們就找到一個膏藥將其蓋住，就是做一些包覆?！?/p>

華霆動力的“蜂窩電池”模組

具體來說，就是將電芯的失效模式進行量化，電芯在熱失控的情況下產(chǎn)生多少焓（編者：可初略理解為總熱能）。通過仿真方式，計算出模組內部溫度場、流場分布，并根據(jù)這些分布特點進行防護。

電池系統(tǒng)層面，則需要做到精準監(jiān)測。事故發(fā)生后，熱管理系統(tǒng)可以做一些動作來降低熱失控傳播的概率。

此外，華霆動力還考慮車輛靜置的問題。車輛下電后，電池管理系統(tǒng)還應具備熱失控主動監(jiān)測功能。“需要電池管理系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)實時交互，而且電流不能太大，否則車內12V鉛酸電池很難支撐。”

周鵬認為，通過這一整套系統(tǒng)，可以有效的保證整個系統(tǒng)熱失控或者是熱蔓延的概率大幅降低。

4、宇量電池：用好熱失控后的煙氣

蘇州宇量電池有限公司董事長毛煥宇也參加了會議。他主要探討，電芯熱失控之后到明火燒起來能否有5分鐘，或更長時間來逃生。

在毛煥宇看來，電芯發(fā)生熱失控之后產(chǎn)生煙氣值得重視。目前電池熱失控產(chǎn)生的煙氣都是可燃的，只要有靜電或者火花，就會發(fā)生火災。

“一般單顆18650電芯發(fā)生熱失控，如果電芯內容物沖出受阻就會產(chǎn)生邊裂，將導致更多電芯熱失控產(chǎn)生大量煙氣?！?/p>

但是如果煙氣不可燃的話，其存在也有好處。

毛煥宇解釋道，煙氣可以帶走90%以上的熱量，大大降低熱失控電芯本身的溫度，阻止熱失控也較為容易。電芯熱失控之后，大約40%的總質量已經(jīng)噴射到煙氣里面去了，帶走了反應物、產(chǎn)物以及熱量?！皣姵鑫锸撬械碾娊庖?、隔膜、粘結劑、部分石墨和鋁箔，只有一部分正極材料、銅箔及殼體留下來了。”

毛煥宇認為，不可燃的煙氣相對于火焰更容易逃生，而且臨近的物體、車輛、建筑物都不會被引燃。

宇量電池為此研發(fā)了一種化合物，具有隔熱、吸熱和滅火三大特點。該化合物可以有效改變氣體成分，將可燃的煙氣變?yōu)椴豢扇?，這樣就能給成員更多的逃生時間。

毛煥宇也透露，這種化合物的成本非常低，也極易獲取。

可以看到，寧德時代強調電池全生命周期的防護和監(jiān)控，針對各個時期可能出現(xiàn)的問題進行防護；比亞迪則是分層次對電池熱失控的原因歸類進行分析防護；華霆動力則是將電芯的失效模式進行分析，針對每種模式在系統(tǒng)層面“打補丁”進行防控；宇量電池則著重探討電芯熱失控后如何最大程度減少傷害，為乘員贏得逃跑的黃金“5分鐘”。

不同企業(yè)在提升電池安全方面各有特色，而且聽上去效果都很好。這些安全技術、策略，能否真正落實呢？

從中國新能源汽車過去十年的表現(xiàn)看，既存在“無知”的問題——對動力電池及電動汽車的安全研究不夠，防范方法缺失；又存在“知而不行”的問題，有的存僥幸心理，有的是從成本考慮，生產(chǎn)品控標準不嚴，安全防護“減配”。所以，中國才有這么多起火事件。

現(xiàn)在來看，中國動力電池產(chǎn)業(yè)界似乎解決了“無知”的問題，那現(xiàn)在我們期待的，就是大家的行動了。