解析電池的安全性評價體系
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-30 21:58
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目前來看，新能源的大潮已不可逆轉(zhuǎn)。然而，新能源汽車的安全性依然是普通消費最為關(guān)注的問題之一，或者更具體的說，“新能源車的電池系統(tǒng)安全嗎 “仍是大家普遍的疑問。今天，張抗抗博士就對這個疑問進行一次比較深入的探討——新能源車的電池安全性如何評價？
新能源車汽車的電池是一個復(fù)雜系統(tǒng)，可以分3個層面簡單理解：
1. 電芯：正極材料、負極材料、電解液，構(gòu)成了電芯。
2. 電池包：數(shù)百至數(shù)千個電芯，組合起來成了電池包，俗稱Pack。
3. 系統(tǒng)：加上傳感器(眼睛與耳朵)測電壓、電流、溫度；用BMS(大腦)來思考決策；加上執(zhí)行器(手腳)來控制開關(guān)，就成了系統(tǒng)。
自然而然地，電池系統(tǒng)的安全性也可從電芯、電池包、系統(tǒng)這3個層面來理解。
一、電芯層面的安全性
鋰離子電池的危險性，主要體現(xiàn)在熱失控，俗稱失火。關(guān)于熱失控的分類與機理，@姚昌晟 曾有詳細論述：特斯拉自燃的幕后黑手——說說鋰電池熱失控。
簡單地說，汽油再牛逼，燃燒也依賴氧氣；而鋰離子電池不一樣，封閉空間中既有還原劑又有氧化劑，不需要外界空氣就可以充分自燃 —— 燃燒，是鋰離子電池的固有癖好，我們必須阻止它。
或者，也許我們可以選用那些更為穩(wěn)定、不易燃燒的電芯？一般來說：
· 磷酸鐵鋰(LFP)比三元鋰更穩(wěn)定。
· 在三元鋰中，鎳鈷錳酸鋰(NCM)比鎳鈷鋁酸鋰(NCA)更穩(wěn)定。
· 在NCM中，NCM622比NCM811更穩(wěn)定。
天不如人愿的是，能量密度越高的電池，越不穩(wěn)定。正如張無忌的媽媽所說，漂亮的女人都更會騙人。
能量密度越高的電池，越不穩(wěn)定 [1]
若天意如此，我們只能盡力而為。在電池原理上未有突破的情況下，我們短期能做的就是盡可能地提高電芯穩(wěn)定性、安全性。
大牛博士馮旭寧，曾在他的博士論文[2]中概括過主要思路：
· 正極材料：對正極材料進行摻雜和包覆[3]，或金屬原子替代的方式[4]來提高正極材料的熱穩(wěn)定性。
· 負極材料：對負極材料進行包覆[5]，或通過電解液添加劑提高負極SEI膜的穩(wěn)定性[6]。以及采用新型負極，如鈦酸鋰(Li4Ti5O12, LTO)負極[7]，合金負極[8]等材料提高負極的安全性能。
· 電解液：對于電解液采用阻燃添加劑，將液體電解質(zhì)換成固體聚合物電解質(zhì)，采用離子液體，電解質(zhì)鹽的替代等方式提高電解液熱安全特性，也可以通過在電解液中采用過充保護添加劑來提高電池抗過充的能力。
· 隔膜：采用高安全性隔膜，通過陶瓷包覆等手段，降低隔膜熱收縮率、提高隔膜崩潰溫度[9].
· 保護裝置：某電芯企業(yè)設(shè)計了針刺安全保護裝置(NSD, Nail Safety Device)與過充安全保護裝置(OSD, Overcharge Safety Device)，來降低針刺與過充下熱失控的可能性。
總之，在電池往高能量密度前進的道路上，如何提高電芯穩(wěn)定性、安全性，是一個涉及到材料學(xué)、電化學(xué)的問題。對于一名汽車工程師來說，透徹理解材料與電化學(xué)很困難。
若您還是有興趣，推薦去看專家 @土豆泥 的文章，例如：土豆泥：如何評價法拉第未來 FF91 的首輛預(yù)產(chǎn)車下線？。
二、PACK層面的安全性
如果說電芯層面是在關(guān)注電池本身的特性，那么PACK層面則重在關(guān)注電池與環(huán)境的關(guān)系，包括加熱、擠壓、針刺、浸水、振動等等。
PACK層面的安全性，主要由國家/國際標準來保證。
· 國家標準：如GB/T 31485-2015，GB/T 31467.3-2015，GB/T 31498-2015等。
· 國際標準：國外相關(guān)的標準包括ISO 12405-2014，IEC 62133-2015, UL 2580-2010，SAE J1929-2011，JIS-C 8715-2-2012等。
· 核心：以GB/T 31485-2015，IEC 62133，SAE J2464為核心。
（注：這些測試標準，其實不僅測了PACK，也測了單體。所以，上述“電芯層面”與“PACK層面”的分類僅是為了科普方便，并不嚴謹，也許以“電池特性”、“電池與環(huán)境的關(guān)系”劃分更好。）
為了給大家一個直觀的印象，下表是各標準的一個簡單對比：
為了滿足嚴苛的測試標準，需要在機械與電氣方面做一些安全設(shè)計：
· 機械安全設(shè)計：防護結(jié)構(gòu)、防水設(shè)計、防呆設(shè)計、防火阻燃設(shè)計等。
· 電氣安全設(shè)計：接觸防護、外短路防護、過流保護設(shè)計、高壓互鎖檢測、絕緣檢測等。
總體上來說，在PACK層面的國標挺全面、挺嚴格的，國內(nèi)的電池包，能過國標測試的，都是英雄好漢。然而，由于電池包并沒有年檢規(guī)定，三五年之后，老化的電池包是否還滿足國標呢？那是另外一個故事了。
三、系統(tǒng)層面的安全性
電芯組成了電池包，雖然可以抗得住水火等各種嚴苛測試了，但它仍然是一個死物。
BMS，則賦予了它耳目(傳感器)、大腦(決策)、手腳(執(zhí)行器)，才能為新能源汽車提供功能。功能分兩大類：
· 本職功能：例如，輸出與接收能量(從而驅(qū)動車輛行駛)，維持電池的基本功能。
· 監(jiān)控功能：例如，國家標準GB/T-27930在規(guī)定非車載充電時電池管理系統(tǒng)與充電機的通訊協(xié)議時，就設(shè)計了過流、過壓、通訊中斷等故障下的安全措施，實際上就是電池系統(tǒng)的一種安全監(jiān)控設(shè)計。
如果對自己、對充電樁的本職功能特別有信心，這些“非本職功能”可以不做，車也能充電、能行駛。當然，沒有任何廠家會有這樣的盲目自信。
這些安全監(jiān)控功能做得是否充分、是否全面，就決定了電池系統(tǒng)應(yīng)對故障、將熱失控扼殺在搖籃之中的能力。因為熱失控常常發(fā)生在滿電、過充狀態(tài)下，所以特別關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是充電，已經(jīng)做成了國家標準GB/T-27930。
四、還有第4個層面嗎？—— ISO26262與功能安全
請大家思考一下，若電芯、PACK、系統(tǒng)3個層面都做到位，還有哪些可能導(dǎo)致熱失控呢？
· 不可抗力：惡劣的交通事故導(dǎo)致電池劇烈變形；新能源車駛?cè)氪蠡穑获側(cè)胨薪?個月；去街邊小店隨意拆卸……
· 老化：上文已提到，由于沒有年檢，所以有可能出廠時還是金剛葫蘆娃，三五年后就成了年邁的老爺爺了。
思來想去，這應(yīng)該是最主要的兩個因素了吧。、
然而，調(diào)查結(jié)果卻是大跌眼鏡——如今已是2018年了，充電事故依然占據(jù)近1/3的比例，這還是在國家專門針對充電環(huán)節(jié)制定了標準的情況下。
