鉅大LARGE | 點擊量：1278次 | 2021年08月17日
介紹電池的安全性評價體系
目前來看，新能源的大潮已不可逆轉。然而，新能源汽車的安全性仍舊是一般消費最為關注的問題之一，或者更詳盡的說，“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要怎么樣評價?
新能源汽車的電池是一個復雜系統(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，構成了電芯。
2.電池組：數(shù)百至數(shù)千個電芯，組合起來成了電池組，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)來沉思決策;加上執(zhí)行器(手腳)來控制開關，就成了系統(tǒng)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
自然而然地，電池系統(tǒng)的安全性也可從電芯、電池組、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，緊要體今朝熱失控，俗稱失火。簡單地說，汽油再牛逼，燃燒也依靠氧氣;而鋰離子電池不相同，關閉空間中既有還原劑又有氧化劑，不要外界空氣就可以充足自燃——燃燒，是鋰離子電池的固有癖好，我們非得阻止它。
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
若天意如此，我們只能盡力而為。在電池原理上未有沖破的情況下，我們短時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緊要思路：
正極材料：對正極材料進行摻雜和包覆，或金屬原子替代的方式來提高正極材料的熱穩(wěn)定性。
負極材料：對負極材料進行包覆，或通過電解液添加劑提高負極SEI膜的穩(wěn)定性。以及采用新型負極，如鈦酸鋰(Li4Ti5O12,LTO)負極，合金負極等材料提高負極的安全性能。
電解液：有關電解液采用阻燃添加劑，將液體電解質換成固體聚合物電解質，采用離子液體，電解質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。
保護裝置：某電芯公司設計了針刺安全保護裝置(NSD,NailSafetyDevice)與過充安全保護裝置(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的道路上，要怎么樣提高電芯穩(wěn)定性、安全性，是一個涉及到材料學、電化學的問題。有關一名汽車工程師來說，透徹理解材料與電化學很困難。
二、PACK層面的安全性
倘若說電芯層面是在關注電池本身的特性，那么PACK層面則重在關注電池與環(huán)境的關系，包括加熱、擠壓、針刺、浸水、振動等等。
PACK層面的安全性，緊要由國家/國際標準來保證。
國家標準：如Gb/T31485-2015，Gb/T31467.3-2015，Gb/T31498-2015等。
國際標準：國外相關的標準包括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：這些探測標準，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比較：
為了滿足嚴苛的探測標準，要在機械與電氣方面做一些安全設計：
機械安全設計：防護結構、防水設計、防呆設計、防火阻燃設計等。
電氣安全設計：接觸防護、外短路防護、過流保護設計、高壓互鎖測試、絕緣測試等。
總體上來說，在PACK層面的國標挺全面、挺嚴格的，國內的電池組，能過國標探測的，都是英雄好漢。然而，由于電池組并沒有年檢規(guī)定，三五年之后，老化的電池組是不是還滿足國標呢?那是另外一個故事了。
三、系統(tǒng)層面的安全性
電芯組成了電池組，雖然可以抗得住水火等各種嚴苛探測了，但它依然是一個死物。
bMS，則賦予了它耳目(傳感器)、大腦(決策)、手腳(執(zhí)行器)，才能為新能源汽車供應功能。功能分兩大類：
本職功能：例如，輸出與接收能量(從而驅動車輛行駛)，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)控設計。
倘若對自己、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)控功能做得是不是充足、是不是全面，就決定了電池系統(tǒng)應對故障、將熱失控扼殺在搖籃之中的能力。因為熱失控經(jīng)常發(fā)生在滿電、過充狀態(tài)下，所以特別關鍵的環(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
請大家沉思一下，若電芯、PACK、系統(tǒng)3個層面都做到位，還有什么可能導致熱失控呢?
不可抗力：惡劣的交通事故導致電池劇烈變形;新能源車駛入大火;駛入水中浸泡1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，這應當是最緊要的兩個因素了吧。
然而，調查結果卻是大跌眼鏡——如今已是2018年了，充電事故仍舊占據(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。
是無良廠家無視國家標準嗎?并不是，大多數(shù)廠家是規(guī)規(guī)則矩按照Gb/T-27930來設計的。那為甚么按標準做，還是會出事故呢?
原由很簡單：任何硬件都可能會失效;任何軟件都是人寫的，是人就可能犯錯誤。
詳盡原由可能是——
系統(tǒng)架構不合理：對外部系統(tǒng)有依靠、所設計的架構開發(fā)難度過高;
可靠性未達標：硬件的可靠性未達到相應風險的嚴格程度;
開發(fā)流程不合理：軟件開發(fā)流程、開發(fā)人員資質、探測驗證的獨立性。
美國國家工程、耗費數(shù)十億美元的挑戰(zhàn)者號都可能失事，更何況十幾萬、幾十萬一輛的汽車呢?
針對此情況，航天范疇的對策是：不惜代價保證硬件的可靠性;不惜代價保證軟件的可靠性。
汽車也是復雜工程，與航天很相近，也有不同——
相近點在于：汽車也想提高硬件與軟件的可靠性。
不同點在于：汽車不能不惜代價。
不讓馬吃草，又想馬兒跑……于是，汽車范疇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，保證人身安全(駕駛員、乘客與車外的人)。
這就是所謂的第4個層面：功能安全(functionsafety)。留意，功能安全并不是“保證功能是安全運行的”，而是“在功能失效的情況下保證安全”。
為了方便大家理解，舉個例子——
大家都了解，“不踩油門但車子瘋狂加速”是一件很危險的事情，大家評一評，下面兩種辦法，哪種更適合汽車呢?
采用級的芯片，保證永遠不會發(fā)生“不踩油門但車子瘋狂加速”的情況;
采用汽車級的芯片，盡可能戒備“不踩油門但車子瘋狂加速”的情況，并做診斷設計，保證一旦這種情況發(fā)生，立刻中斷動力(譬如斷開電池)并提示駕駛員靠邊行駛。
功能安全在國內開展的要怎么樣了?剛剛起步，穩(wěn)步進步。
結語：
個人淺見，電池的安全性，要從電芯、PACK、系統(tǒng)、功能安全這4個層面去考察。
以一個比喻，作為本文的結尾——
在不出意外的情況下：電芯是細胞、PACK是骨骼、系統(tǒng)是神經(jīng)系統(tǒng)，這3個層面就構成了完整的功能。
而凡事皆有意外：第4個層面的功能安全，則是善于反省來規(guī)避錯誤、凡事都要有Planb、危機情況果斷止損的思維習慣。
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