近年来,随着电动汽车的快速发展,如何解决电动汽车所带来的安全问题,又成为汽车行业的新的话题和难点。由于人们对新事物的认知有个过程,初期难免抱有怀疑和不信任的态度,所以任何一次有关电动汽车的安全事故,都会导致公众对电动汽车安全性的疑虑进一步加深,阻碍电动汽车的发展和普及。
其实,传统的燃油车由于碰撞或自燃所导致的车辆起火事故,每年在全球都会发生很多起,造成严重人员伤亡的也为数不少,并不会造成公众的广泛关注和质疑。公众之所以对电动汽车的安全事故这么敏感,除了电动车发生事故时,通常会伴有火、声、光、烟雾等“特殊效果”,很重要的原因是出于对高能量载体“电池”的恐惧。手机电池起火爆炸,炸伤甚至炸死人的事情尚且有之,更何况那么巨大的电动汽车动力电池呢?
电动汽车(包括混合动力汽车)与传统的燃油车有很多相同之处,又有一些不同之处。其运行工况、使用环境、车身结构、内外造型等基本没有什么差异,最大的差别在于驱动方式和能量的来源。因为引入了电力驱动,所以就存在诸如“电击”和“短路”之类的风险,因为有高能量载体的存在,就存在能量瞬间释放(显然不是我们期望的)所造成的起火和爆炸风险。因为化学电池本身的稳定性问题,又会带来许多超出人们“传统”认知的风险。
新生事物总是脆弱的,要经受各种怀疑,更何况是与人身安全息息相关的车辆呢?愿意拿自己的生命做赌注,去尝试和接受不可靠不安全产品的人,我想毕竟是少数吧。所以,不管是国家层面的法规和标准,还是企业层面的产品和技术研发,都必须做到以人为本,切实的解决产品的风险和隐患,消除民众的疑虑,从而推动新能源汽车的发展。我们,没有任何理由拿不成熟不可靠的产品,来忽悠公众和消费者,为企业或个人的私利服务。下文将从动力电池的各项参数详细解析动力电池的安全要素。
一、动力电池系统的构成
作为电动汽车的动力来源,或动力来源之一,动力电池系统通常由电芯(Cell)、电池管理系统(BMS)、冷却系统(Coolingsystem)、线束(Harness)、外壳(Housing)、结构件(mechanicalparts)等相关组建构成,如下图所示:
可以看出,动力电池系统的构成还是相当复杂的,既有电芯这类化学物体,也有复杂的电子电气系统和热管理系统,还有传统的各类机械部件,涉及到的专业种类非常的多,加上恶劣的运行环境,所面临的安全风险也很广泛。
二、动力电池系统所面临的安全风险
动力电池系统所面临的安全风险,主要与其内部部件的特性和外部的使用和运行环境相关,构成了产品安全设计的主要挑战。
1)电芯会不会起火爆炸?
动力电池系统所采用的电芯,其能量密度非常高,以磷酸铁锂电芯为例,能量密度可达120Wh/kg,换算成焦耳,1千克的磷酸铁锂电芯含有120×3600焦耳=0.43MJ。那么TNT炸药释放的能量有多少呢?1克TNT炸药可释放4184焦耳的能量,换算下来,1千克的磷酸铁锂电芯蕴含的能量相当于103克的TNT炸药。
一辆纯电动汽车,其使用的电芯通常重达几百公斤,以100公斤电芯计算,总能量就相当于10公斤TNT炸药。换着是谁,心里都会发毛,这东西会不会不稳定,会不会起火,甚至爆炸啊?
2)会不会产生电击事故?
为了提升整车的驱动效率,动力电池的直流输出电压通常都在100V以上,有时高达400V以上,有一定电气常识的人都知道,直流电压超过60V,就是危险电压。
每年,因为电器、电线、电力设备等漏电所造成的电击事故,都会发生很多,也经常见诸媒体。我小的时候就被裸露的220V电线电击过,那种滋味永生难忘。那么,人们也有理由疑虑,电动汽车里面的高压带电部件,会不会漏电,并进而造成电击事故?
3)能不能经受各种恶劣的环境?
车辆的运行和使用环境非常复杂,既要经受高温高湿的考验,也有高原高寒的折磨,有平坦的铺装里面,也有崎岖不平的非铺装路面,既有极其干燥的地区,也有需要经常涉水的地方。
车辆在行驶过程中,要经历高低温的循环考验,要经历沿海的腐蚀性气候,要经历暴雨洗礼和大水浸泡,要经受各种冲击、振动、跌落、甚至碰撞和翻滚。那么,在这些客观的环境面前,动力电池系统能够经受考验,不产生严重的安全风险吗?
4)能不能经受各种滥用?
当产品销量足够大的时候,产品的使用,总有超过规定极限的情况或一些意外的情况,这是不可避免的。以手机为例,当充电保护失效的时候,手机电池可能因为过充而起火或爆炸。如果手机电池被尖利的金属穿刺,也有可能发生爆炸。
那么,电动汽车的动力电池系统能够经受类似的滥用考验,不造成安全事故吗?这些滥用的情况,既有人为造成的,也有客观环境造成的。
5)电池管理系统失效了怎么办?
动力电池系统有一套复杂的管理和控制系统,时刻采集整个动力电池包的各种运行参数,进行计算、诊断、通信和开关控制。系统越智能化,当其发生故障时,后果也就越严重。
举个例子,如果动力电池包内部的某个电芯过热,热管理系统失效,电芯存在热失控的风险,而这个时候的温度传感器坏了怎么办?软件程序不能正常判断并下发切断指令怎么办?又或者本该执行断开动作的开关,不能正常的断开怎么办?风险是否会蔓延,并造成严重的安全事故?
三、动力电池安全设计的目标
动力电池系统的安全设计,基本上围绕以上提到的内部组件构成和可能发生的安全风险展开,确定合理的目标和框架,指导具体的产品开发工作。
1)化学安全
电芯发生热失控,可能会产生电解液泄漏、起火和燃烧等现象,但其破坏力是远远不能与炸药相比的。炸药爆炸时,能量在极短的时间内释放出来,所以威力巨大,而电芯的热失控,其能量的释放是一个渐进的过程,加上电动汽车的电池包是由很多个电芯串并联组成的,通常仅有1个或几个电芯发生故障,有足够的预警和处置时间。
针对电芯而言,如何确保各种运行条件和使用情况下的化学和热稳定性,确保不产生安全风险,这是必须要考虑和解决的问题。需要考虑的情况包括:
·额定范围内的正常工况
·长距离运输和长时间存储
·极端情况,如针对电芯的过充、过放、挤压、穿刺、火烧等
·在各种情况下,都要为电芯的安全性确定合理的设计目标,贯穿到电芯的开发过程中。
针对动力电池系统的其他组件而言,化学安全还涉及到电解液或冷却液泄漏所导致的化学腐蚀(有可能造成内部短路)、盐雾腐蚀、阻燃、和有害气体排放等。
2)电气安全
针对动力电池包内部的电子电气系统而言,电气安全是首要考虑的因素,各种与“电”有关的安全风险,都必须考虑到:
·绝缘配合
·等电位(接地)
·短路防护
·绝缘状态监控
·高压连接器互锁
·高低压隔离
·电磁兼容性(EMC)
·故障自诊断
电气安全,不仅要考虑被动防护,如各种线缆和连接器的绝缘保护,高低压连接器的闭锁装置,以及良好的电磁兼容性等,还需要考虑如何做到故障的自诊断和主动防护,如绝缘状态监控、高压互锁检测、接触阻抗检测等,确保在故障发生的初期就主动介入,将风险降到最低。
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