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(fèi)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(duì)這個(gè)疑問進(jìn)行一次比較深入的探討——新能源車的電池安全性如何評(píng)價(jià)?

新能源汽車的電池是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，可以分3個(gè)層面簡單理解：

1.電芯：正極材料、負(fù)極材料、電解液，構(gòu)成了電芯。

2.電池包：數(shù)百至數(shù)千個(gè)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(gè)層面來理解。

一、電芯層面的安全性

鋰離子電池的危險(xiǎn)性，重要體現(xiàn)在熱失控，俗稱失火。簡單地說，汽油再牛逼，燃燒也依賴氧氣;而鋰離子電池不相同，封閉空間中既有還原劑又有氧化劑，不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(huì)騙人。

能量密度越高的電池，越不穩(wěn)定

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，我們短時(shí)間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，曾在他的博士論文中概括過重要思路：

正極材料：對(duì)正極材料進(jìn)行摻雜和包覆，或金屬原子替代的方式來提高正極材料的熱穩(wěn)定性。

負(fù)極材料：對(duì)負(fù)極材料進(jìn)行包覆，或通過電解液添加劑提高負(fù)極SEI膜的穩(wěn)定性。以及采用新型負(fù)極，如鈦酸鋰(Li4Ti5O12,LTO)負(fù)極，合金負(fù)極等材料提高負(fù)極的安全性能。

電解液：關(guān)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(hù)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。

保護(hù)裝置：某電芯公司設(shè)計(jì)了針刺安全保護(hù)裝置(NSD,NailSafetyDevice)與過充安全保護(hù)裝置(OSD,OverchargeSafetyDevice)，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(jìn)的道路上，如何提高電芯穩(wěn)定性、安全性，是一個(gè)涉及到材料學(xué)、電化學(xué)的問題。關(guān)于一名汽車工程師來說，透徹理解材料與電化學(xué)很困難。

二、PACK層面的安全性

假如說電芯層面是在關(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(dòng)等等。

PACK層面的安全性，重要由國家/國際標(biāo)準(zhǔn)來保證。

國家標(biāo)準(zhǔn)：如GB/T31485-2015，GB/T31467.3-2015，GB/T31498-2015等。

國際標(biāo)準(zhǔn)：國外相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)包括ISO12405-2014，IEC62133-2015,UL2580-2010，SAEJ1929-2011，JIS-C8715-2-2012等。

核心：以GB/T31485-2015，IEC62133，SAEJ2464為核心。

(注：這些測試標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)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(yán)謹(jǐn)，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(gè)直觀的印象，下表是各標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)簡單比較：

為了滿足嚴(yán)苛的測試標(biāo)準(zhǔn)，要在機(jī)械與電氣方面做一些安全設(shè)計(jì)：

機(jī)械安全設(shè)計(jì)：防護(hù)結(jié)構(gòu)、防水設(shè)計(jì)、防呆設(shè)計(jì)、防火阻燃設(shè)計(jì)等。

電氣安全設(shè)計(jì)：接觸防護(hù)、外短路防護(hù)、過流保護(hù)設(shè)計(jì)、高壓互鎖檢測、絕緣檢測等。

總體上來說，在PACK層面的國標(biāo)挺全面、挺嚴(yán)格的，國內(nèi)的電池包，能過國標(biāo)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(biāo)呢?那是另外一個(gè)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(yán)苛測試了，但它仍然是一個(gè)死物。

BMS，則賦予了它耳目(傳感器)、大腦(決策)、手腳(執(zhí)行器)，才能為新能源汽車供應(yīng)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(dòng)車輛行駛)，維持電池的基本功能。

監(jiān)控功能：例如，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T-27930在規(guī)定非車載充電時(shí)電池管理系統(tǒng)與充電機(jī)的通訊協(xié)議時(shí)，就設(shè)計(jì)了過流、過壓、通訊中斷等故障下的安全措施，實(shí)際上就是電池系統(tǒng)的一種安全監(jiān)控設(shè)計(jì)。

假如對(duì)自己、對(duì)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(dāng)然，沒有任何廠家會(huì)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(duì)故障、將熱失控扼殺在搖籃之中的能力。因?yàn)闊崾Э爻３０l(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(biāo)準(zhǔn)GB/T-27930。

四、還有第4個(gè)層面嗎?——ISO26262與功能安全

請(qǐng)大家思考一下，若電芯、PACK、系統(tǒng)3個(gè)層面都做到位，還有什么可能導(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?駛?cè)胨薪?個(gè)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(shí)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)該是最重要的兩個(gè)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(duì)充電環(huán)節(jié)制定了標(biāo)準(zhǔn)的情況下。

是無良廠家無視國家標(biāo)準(zhǔn)嗎?并不是，大多數(shù)廠家是規(guī)規(guī)矩矩按照GB/T-27930來設(shè)計(jì)的。那為何按標(biāo)準(zhǔn)做，還是會(huì)出事故呢?

原因很簡單：任何硬件都可能會(huì)失效;任何軟件都是人寫的，是人就可能犯錯(cuò)誤。

具體原因可能是——

系統(tǒng)架構(gòu)不合理：對(duì)外部系統(tǒng)有依賴、所設(shè)計(jì)的架構(gòu)開發(fā)難度過高;

可靠性未達(dá)標(biāo)：硬件的可靠性未達(dá)到相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)格程度;

開發(fā)流程不合理：軟件開發(fā)流程、開發(fā)人員資質(zhì)、測試驗(yàn)證的獨(dú)立性。

美國國家工程、耗費(fèi)數(shù)十億美元的挑戰(zhàn)者號(hào)都可能失事，更何況十幾萬、幾十萬一輛的汽車呢?

針對(duì)此情況，航天領(lǐng)域的對(duì)策是：不惜代價(jià)保證硬件的可靠性;不惜代價(jià)保證軟件的可靠性。

汽車也是復(fù)雜工程，與航天很相似，也有不同——

相似點(diǎn)在于：汽車也想提高硬件與軟件的可靠性。

不同點(diǎn)在于：汽車不能不惜代價(jià)。

不讓馬吃草，又想馬兒跑……于是，汽車領(lǐng)域使用了略有不同的思路：

在成本可控的情況下，盡可能地提高可靠性。

若可靠性保證不了，則要在故障發(fā)生時(shí)，保證人身安全(駕駛員、乘客與車外的人)。

這就是所謂的第4個(gè)層面：功能安全(functionsafety)。注意，功能安全并不是“保證功能是安全運(yùn)行的”，而是“在功能失效的情況下保證安全”。

為了方便大家理解，舉個(gè)例子——

大家都了解，“不踩油門但車子瘋狂加速”是一件很危險(xiǎn)的事情，大家評(píng)一評(píng)，下面兩種方法，哪種更適合汽車呢?

采用特種級(jí)的芯片，保證永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生“不踩油門但車子瘋狂加速”的情況;

采用汽車級(jí)的芯片，盡可能防止“不踩油門但車子瘋狂加速”的情況，并做診斷設(shè)計(jì)，保證一旦這種情況發(fā)生，立刻中斷動(dòng)力(譬如斷開電池)并提示駕駛員靠邊行駛。

功能安全在國內(nèi)開展的如何了?剛剛起步，穩(wěn)步進(jìn)步。

結(jié)語：

個(gè)人淺見，電池的安全性，要從電芯、PACK、系統(tǒng)、功能安全這4個(gè)層面去考察。

以一個(gè)比喻，作為本文的結(jié)尾——

在不出意外的情況下：電芯是細(xì)胞、PACK是骨骼、系統(tǒng)是神經(jīng)系統(tǒng)，這3個(gè)層面就構(gòu)成了完整的功能。

而凡事皆有意外：第4個(gè)層面的功能安全，則是善于反省來規(guī)避錯(cuò)誤、凡事都要有PlanB、危機(jī)情況果斷止損的思維習(xí)慣。