為什么說電動(dòng)汽車，尤其是其電池的安全性是可以放心的？本報(bào)近日專訪了多位電動(dòng)汽車技術(shù)專家，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和科學(xué)的知識(shí)向人們解疑釋惑，論述了電動(dòng)汽車電池的原理、目前達(dá)到的技術(shù)水平以及對今后發(fā)展的真知灼見。
經(jīng)過國內(nèi)權(quán)威專家數(shù)月的調(diào)查考證，深圳“5·26”事故原因終于有了一個(gè)比較令人信服的結(jié)果。在肇事者超過240公里的瘋狂車速之下，包括電動(dòng)汽車在內(nèi)的任何車輛，都難以保證被撞車輛內(nèi)人員的人身安全。 不過，是人禍而非“車”禍的調(diào)查結(jié)論，能否就此構(gòu)建當(dāng)前部分公眾對電動(dòng)汽車安全性尤其是電池安全性的信心,或許人們?nèi)杂袘岩伞?/div>
人們期盼著無論什么情況電池都安然無恙，行業(yè)專家也認(rèn)為持續(xù)提升電池安全性將是永久的話題，但人們應(yīng)當(dāng)用科學(xué)的思維認(rèn)識(shí)安全問題，用發(fā)展的眼光來看待電動(dòng)汽車這一代表歷史發(fā)展潮流的新興產(chǎn)業(yè)。
電動(dòng)汽車的阿基里斯之踵？
從普遍意義上講，凡是具有能量的東西都具有潛在的不安全性，只有建立了這一概念，并且加以認(rèn)真對待，才能夠獲得安全保障
此次比亞迪e6質(zhì)量鑒定報(bào)告顯示，違法飆車是整起慘劇的真兇，接連兩次嚴(yán)酷的碰撞造成e6純電動(dòng)出租車車身后部及電池托盤嚴(yán)重變形、動(dòng)力電池組和高壓配電箱受到嚴(yán)重?cái)D壓，導(dǎo)致部分動(dòng)力電池破損與短路、高壓配電箱內(nèi)的高壓線路與車體之間形成短路，產(chǎn)生電弧，引燃內(nèi)飾材料及部分動(dòng)力電池等可燃物質(zhì), 是起火燃燒的原因，也確有部分動(dòng)力電池參與了碰撞后車體的燃燒，動(dòng)力電池沒有滿足人們對它“堅(jiān)如磐石”的企盼。
不單在中國，國外電動(dòng)汽車在碰撞測試中也曾有起火燃燒案例。美國沃藍(lán)達(dá)電動(dòng)汽車，在發(fā)生碰撞測試三周之后，發(fā)生了自燃。
人們不禁會(huì)問電池安全真的會(huì)成為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的阿基里斯之踵嗎？
“在大規(guī)模的電動(dòng)汽車示范運(yùn)營中，我國電動(dòng)汽車電池的整體狀況實(shí)際上還是相當(dāng)不錯(cuò)的，此次e6的質(zhì)量鑒定中，遭受如此嚴(yán)酷的碰撞和后續(xù)的大火熏烤，電池未發(fā)生爆炸，75%的電池未參與燃燒，也說明該車所用動(dòng)力電池的安全性，已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)不錯(cuò)的程度。”但這并不意味著可以掉以輕心，持續(xù)提升電池的安全性將是一個(gè)永久的話題。國家863“節(jié)能與新能源汽車”重大項(xiàng)目監(jiān)理咨詢專家組組長王秉剛在接受采訪時(shí)表示。
“安全是有條件的，是相對的。從普遍意義上講，凡是具有能量的東西都具有潛在的不安全性，只有建立了這一概念，并且加以認(rèn)真對待，才能夠獲得安全保障。”這是全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)電動(dòng)汽車分技術(shù)委員會(huì)主任委員、國家863“節(jié)能與新能源汽車”重大項(xiàng)目總體組專家吳志新對安全的理解。
他表示，電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車最大的不同，主要就在于能量的形式及其存儲(chǔ)的方式。除了電池之外，電動(dòng)汽車的其他系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車沒有本質(zhì)區(qū)別。相對于司空見慣的傳統(tǒng)汽車起火燃燒、爆炸來講，電動(dòng)汽車的安全問題備受關(guān)注，更多是因?yàn)槠涑鮼碚У降?ldquo;新人”身份。“所以提到電動(dòng)汽車的安全，或者電動(dòng)汽車出了事故，人們第一時(shí)間關(guān)心的就是電池，尤其是越來越廣為使用的鋰電池。”吳志新說。
“不安分”的鋰電池有約束
手機(jī)、照相機(jī)、攝像機(jī)的鋰離子電池“老實(shí)了”、電動(dòng)工具的鋰離子電池“老實(shí)了”、電動(dòng)摩托車的鋰離子電池“老實(shí)了”……電動(dòng)汽車電池這個(gè)家庭新成員肯定也會(huì)“老實(shí)”
鋰離子電池就像“不安分”的頑童。只有找到了頑童“多動(dòng)癥”的病因，才能找到管束頑童的“戒尺”。
據(jù)吳志新主任介紹，就電池本身安全性而言，出現(xiàn)安全問題的基本模式有燃燒、爆炸兩種，其本質(zhì)是電池的熱失控。鋰離子電池發(fā)生熱失控，主要是由電極和電解液間的化學(xué)反應(yīng)引起。如在過充、過熱和短路等情況下，強(qiáng)氧化性正極材料穩(wěn)定性通常較差，易釋放出氧氣，而碳酸酯類電解液極易與氧氣反應(yīng)，放出大量的熱和氣體；產(chǎn)生的熱量會(huì)進(jìn)一步加速正極的分解，產(chǎn)生更多的氧氣，促進(jìn)更多放熱反應(yīng)的進(jìn)行；同時(shí)強(qiáng)還原性負(fù)極的活潑性接近金屬鋰，與氧接觸會(huì)立即燃燒并引燃電解液、隔膜等。溫度升高與化學(xué)反應(yīng)兩者的相互促進(jìn)、惡性循環(huán)，導(dǎo)致電池溫度迅速升高而失控的過程，即為電池的熱失控。而引起這一過程的主要外在因素，則包括電池過充電、過大電流充放電、電池外部短路、由于受外力擠壓、外來物質(zhì)的穿刺、內(nèi)部雜質(zhì)或枝晶等引起的內(nèi)部短路以及受到外部高溫作用等等。
據(jù)吳志新介紹，電池的安全性取決于電池正負(fù)極活性材料及其粘結(jié)劑、隔膜、電解液等的材料體系，也取決于電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝過程，同時(shí)還取決于電池的使用方式和使用環(huán)境等外部因素。
多管齊下約束“頑童”。如果從電池本身的角度而言，電動(dòng)汽車電池的安全，實(shí)際上并不是一個(gè)新鮮的話題。電池行業(yè)很早就開始探索如何用多種有效的約束手段，來管教鋰電池這個(gè)“調(diào)皮的孩子”。手機(jī)、照相機(jī)、攝像機(jī)的鋰離子電池“老實(shí)了”、電動(dòng)工具的鋰離子電池“老實(shí)了”、電動(dòng)摩托車的鋰離子電池“老實(shí)了”……
“動(dòng)力電池是以電池組的形式應(yīng)用于電動(dòng)汽車，電池組由單體電池通過各種形式的串、并聯(lián)構(gòu)成。因此，不僅要保證單體電池的安全性，同時(shí)還要考慮電池模組和電池系統(tǒng)的安全性，從而形成多層次的安全技術(shù)體系”吳志新對科技日報(bào)記者詳細(xì)科普了如下電動(dòng)汽車電池安全保障方面的相關(guān)知識(shí)：
電池材料方面所采取的措施和研究目標(biāo)包括：研究、應(yīng)用陶瓷鍍層隔膜、負(fù)極熱阻層等技術(shù)，防止電池內(nèi)部短路；研究、采用氧化還原電對添加劑、電壓敏感隔膜等技術(shù)，防止電池過充電；研究、應(yīng)用溫度敏感電極（PTC電極)和溫度敏感電極材料，防止電池?zé)崾Э兀谎芯孔枞夹突虿蝗夹碗娊庖?，防止電池燃燒?/div>
電池的制造工藝方面采取的措施包括：電池生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度控制，防止外來雜質(zhì)和金屬雜質(zhì)進(jìn)入電池隔膜和正負(fù)極，防止電池內(nèi)短路；應(yīng)用先進(jìn)的工藝裝備和在線檢測技術(shù)，保證電池生產(chǎn)的均勻一致性；應(yīng)用先進(jìn)的工藝裝備，杜絕極片毛刺、極片錯(cuò)位等問題，防止內(nèi)部短路；應(yīng)用先進(jìn)的工藝裝備，提高電池內(nèi)電解液的均勻性，防止局部過充電。
電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的措施包括：優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證極板與極耳連接的可靠性、電池的散熱性能；優(yōu)化電池殼體耐壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)和安全泄壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，防止電池爆炸；采取必要措施，防止電池正負(fù)極極片與極耳短路；采取絕緣措施，防止電池帶電殼體與其他單體電池或金屬物體形成短路等。
電池模組設(shè)計(jì)的安全保障措施：單體之間采取必要的絕緣措施；單體之間的連接先進(jìn)的采用焊接工藝技術(shù)，保障可靠連接、降低接觸電阻；電壓、溫度采樣模塊和采樣線路的優(yōu)化布置、可靠緊固與有效防護(hù)；模組殼體采用具有阻燃、絕緣和必要強(qiáng)度特性的材料，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮合理散熱通道和電池膨脹空間；考慮電池模組之間的可靠連接方式和端子保護(hù)措施；考慮電池模組在電池組箱體內(nèi)的牢固安裝緊固。
電池組設(shè)計(jì)上的安全保障措施：采用電池管理系統(tǒng)，有效監(jiān)測每個(gè)電池單體的電壓、溫度、充放電電流、SOC和SOH等參數(shù)的技術(shù)狀態(tài)，防止電池單體的過充、過放，實(shí)時(shí)監(jiān)測電池故障，保障電池安全；采用電池管理系統(tǒng)或?qū)ｉT系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測電池絕緣狀況，防止電池組及線路與車身、電池箱體等絕緣破壞；采用熱管理系統(tǒng)，監(jiān)測并控制電池組各處的溫度，保證電池組中各單體電池所處溫度環(huán)境的均勻性和適宜性；電池組中單體電池的容量選取、電池模組的布置，應(yīng)考慮在事故狀態(tài)，盡可能減緩能量釋放速率，延長能量釋放時(shí)間，最大限度地減小事故危害；電池組應(yīng)考慮設(shè)置安全維修開關(guān)，保障維修作業(yè)時(shí)的安全性；還應(yīng)考慮合理布置過流保護(hù)裝置，合理限制電池組最大充放電電流，同時(shí)設(shè)置受控于電池管理系統(tǒng)的直流滅弧接觸器，必要時(shí)能夠切斷電路，保證電池組的安全，同時(shí)可將電池組從電路上分解成若干個(gè)處于安全電壓的部分，保障乘員的觸電安全；電池箱應(yīng)考慮合理的強(qiáng)度和剛度保護(hù)電池免受一定強(qiáng)度的外力的破壞；同時(shí)電池箱還應(yīng)具有必要防塵、防水功能。
“單項(xiàng)”“全能”有規(guī)矩
目前正在組織行業(yè)專家對電池標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究修訂、正在研究制定專門的《電動(dòng)汽車碰撞安全》標(biāo)準(zhǔn)。在新的標(biāo)準(zhǔn)中，將會(huì)有專門的篇幅描述對電池系統(tǒng)相關(guān)要求
無規(guī)矩而不成方圓。行業(yè)的規(guī)范發(fā)展，離不開完善的標(biāo)準(zhǔn)與權(quán)威的檢測認(rèn)證。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，我國電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，已經(jīng)與國際水平不相上下。
據(jù)吳志新介紹，“九五”期間，我國參考國際標(biāo)準(zhǔn)制定了鋰離子動(dòng)力電池的國家標(biāo)準(zhǔn)；到“十五”期間，結(jié)合我國科研工作的技術(shù)積累，借鑒國際標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn)，制定了我國鋰離子動(dòng)力電池的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-QC/T743-2006《電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池》，該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了電池和電池模組的性能、壽命和安全性的測試方法和要求，該標(biāo)準(zhǔn)是目前國際上最為嚴(yán)格的電池試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。此外，《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》、《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》、《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》、《電動(dòng)汽車 安全要求 第1部分 車載儲(chǔ)能裝置》、《電動(dòng)汽車 安全要求 第2部分功能安全和故障防護(hù)》、《電動(dòng)汽車 安全要求 第3部分：人員觸電防護(hù)》、《混合動(dòng)力電動(dòng)汽車安全要求》等一系列針對電動(dòng)汽車安全的標(biāo)準(zhǔn)，共同構(gòu)成了我國對電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。
“通過上述標(biāo)準(zhǔn)的檢測評價(jià)，能夠保證電池及電池系統(tǒng)的安全性。上述標(biāo)準(zhǔn)體系，也支撐了我國電動(dòng)汽車及動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性的研發(fā)評價(jià)和產(chǎn)品評價(jià)，取得了良好的效果。”吳志新說。
“當(dāng)前我國電動(dòng)汽車電池安全標(biāo)準(zhǔn)、測試和評價(jià)建設(shè)，還存在著”單項(xiàng)”強(qiáng)而”全能”弱的問題。”王秉剛也表述了自己的見解。
“在單體、模塊等方面，我們都已經(jīng)有了較為完善和細(xì)致的標(biāo)準(zhǔn)要求，但是在整體的電池系統(tǒng)上暫時(shí)還缺少自成體系的專門的標(biāo)準(zhǔn)，測試和評價(jià)領(lǐng)域也需要不斷完善。”王秉剛說。但他同時(shí)也強(qiáng)調(diào)，這種情況亦是我國電動(dòng)汽車整體發(fā)展水平和所處階段的反映。
吳志新表示，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，圍繞電池安全性的標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)越來越細(xì)致與越來越專業(yè)。他告訴科技日報(bào)記者，目前正在組織行業(yè)專家對電池標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究修訂、正在研究制定專門的《電動(dòng)汽車碰撞安全》標(biāo)準(zhǔn)。在新的標(biāo)準(zhǔn)中，將會(huì)有專門的篇幅描述對電池系統(tǒng)相關(guān)要求。
科技日報(bào)記者在采訪中了解到，近十年來，在國家科技部863電動(dòng)汽車重大項(xiàng)目的支持下，我國電動(dòng)汽車動(dòng)力電池技術(shù)實(shí)際上已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，鋰離子動(dòng)力電池的性能指標(biāo)、安全性得到大幅度提高，主要電池企業(yè)通過自主創(chuàng)新和引進(jìn)技術(shù)，電池生產(chǎn)工藝技術(shù)得到大幅度提升，總體處于國際前列。產(chǎn)學(xué)研、整車與電池企業(yè)等的合作日益緊密，電池模組、電池系統(tǒng)的技術(shù)水平，迅速提高，系統(tǒng)水平接近國際水平。通過“十城千輛”較大規(guī)模的示范運(yùn)行考核，積累實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)性能和安全性得到持續(xù)提高。
“誰掌握了電池技術(shù)，誰就掌握了電動(dòng)汽車的未來。技術(shù)創(chuàng)新是規(guī)劃實(shí)施的核心與靈魂。”在王秉剛看來，目前我國動(dòng)力電池的研發(fā)力量還很分散。電池產(chǎn)業(yè)盲目低水平投資建設(shè)加劇了人才的分散。要實(shí)現(xiàn)《節(jié)能與新能源汽車發(fā)展規(guī)劃》目標(biāo)，必須有正確與有力的措施，集中力量支持優(yōu)勢企業(yè)，形成電動(dòng)汽車核心零部件動(dòng)力電池的技術(shù)競爭力和產(chǎn)業(yè)競爭力，真正使技術(shù)創(chuàng)新工程和產(chǎn)業(yè)競爭力培育落于實(shí)處。
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