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解析動力鋰電池與汽車安全的重要性

鉅大LARGE  |  點擊量:1280次  |  2020年06月08日  

近年來,隨著電動汽車的快速發展,如何解決電動汽車所帶來的安全問題,又成為汽車行業的新的話題和難點。由于人們對新事物的認知有個過程,初期難免抱有懷疑和不信任的態度,所以任何一次有關電動汽車的安全事故,都會導致公眾對電動汽車安全性的疑慮進一步加深,阻礙電動汽車的發展和普及。


其實,傳統的燃油車由于碰撞或自燃所導致的車輛起火事故,每年在全球都會發生很多起,造成嚴重人員傷亡的也為數不少,并不會造成公眾的廣泛關注和質疑。公眾之所以對電動汽車的安全事故這么敏感,除了電動汽車發生事故時,通常會伴有火、聲、光、煙霧等特殊效果,很重要的原因是出于對高能量載體電池的恐懼。手機電池起火爆炸,炸傷甚至炸死人的事情尚且有之,更何況那么巨大的電動汽車動力鋰電池呢?


電動汽車(包括混合動力汽車)與傳統的燃油車有很多相同之處,又有一些不同之處。其運行工況、使用環境、車身結構、內外造型等基本沒有什么差異,最大的差別在于驅動方式和能量的來源。因為引入了電力驅動,所以就存在諸如電擊和短路之類的風險,因為有高能量載體的存在,就存在能量瞬間釋放(顯然不是我們期望的)所造成的起火和爆炸風險。因為化學電池本身的穩定性問題,又會帶來許多超出人們傳統認知的風險。


新生事物總是脆弱的,要經受各種懷疑,更何況是與人身安全息息相關的車輛呢?愿意拿自己的生命做賭注,去嘗試和接受不可靠不安全產品的人,我想畢竟是少數吧。所以,不管是國家層面的法規和標準,還是公司層面的產品和技術研發,都必須做到以人為本,切實的解決產品的風險和隱患,消除民眾的疑慮,從而推動新能源汽車的發展。我們,沒有任何理由拿不成熟不可靠的產品,來忽悠公眾和消費者,為公司或個人的私利服務。下文將從動力鋰電池的各項參數詳細解析動力鋰電池的安全要素。


一、動力鋰電池系統的構成


作為電動汽車的動力來源,或動力來源之一,動力鋰電池系統通常由電芯(Cell)、電池管理系統(BMS)、冷卻系統(Coolingsystem)、線束(Harness)、外殼(Housing)、結構件(mechanicalparts)等相關組建構成,如下圖所示:


可以看出,動力鋰電池系統的構成還是相當復雜的,既有電芯這類化學物體,也有復雜的電子電氣系統和熱管理系統,還有傳統的各類機械部件,涉及到的專業種類非常的多,加上惡劣的運行環境,所面對的安全風險也很廣泛。


二、動力鋰電池系統所面對的安全風險


動力鋰電池系統所面對的安全風險,重要與其內部部件的特性和外部的使用和運行環境相關,構成了產品安全設計的重要挑戰。


1)電芯會不會起火爆炸?


動力鋰電池系統所采用的電芯,其能量密度非常高,以磷酸鐵鋰電芯為例,能量密度可達120Wh/kg,換算成焦耳,1千克的磷酸鐵鋰電芯含有1203600焦耳=0.43MJ。那么TNT炸藥釋放的能量有多少呢?1克TNT炸藥可釋放4184焦耳的能量,換算下來,1千克的磷酸鐵鋰電芯蘊含的能量相當于103克的TNT炸藥。


一輛純電動汽車,其使用的電芯通常重達幾百公斤,以100公斤電芯計算,總能量就相當于10公斤TNT炸藥。換著是誰,心里都會發毛,這東西會不會不穩定,會不會起火,甚至爆炸啊?


2)會不會出現電擊事故?


為了提升整車的驅動效率,動力鋰電池的直流輸出電壓通常都在100V以上,有時高達400V以上,有一定電氣常識的人都了解,直流電壓超過60V,就是危險電壓。


每年,因為電器、電線、電力設備等漏電所造成的電擊事故,都會發生很多,也經常見諸媒體。我小的時候就被裸露的220V電線電擊過,那種滋味永生難忘。那么,人們也有理由疑慮,電動汽車里面的高壓帶電部件,會不會漏電,并進而造成電擊事故?


3)能不能經受各種惡劣的環境?


車輛的運行和使用環境非常復雜,既要經受高溫高濕的考驗,也有高原高寒的折磨,有平坦的鋪裝里面,也有崎嶇不平的非鋪裝路面,既有極其干燥的地區,也有要經常涉水的地方。


車輛在行駛過程中,要經歷高低溫的循環考驗,要經歷沿海的腐蝕性氣候,要經歷暴雨洗禮和大水浸泡,要經受各種沖擊、振動、跌落、甚至碰撞和翻滾。那么,在這些客觀的環境面前,動力鋰電池系統能夠經受考驗,不出現嚴重的安全風險嗎?


4)能不能經受各種濫用?


當產品銷量足夠大的時候,產品的使用,總有超過規定極限的情況或一些意外的情況,這是不可防止的。以手機為例,當充電保護失效的時候,手機電池可能因為過充而起火或爆炸。假如手機電池被尖利的金屬穿刺,也有可能發生爆炸。


那么,電動汽車的動力鋰電池系統能夠經受類似的濫用考驗,不造成安全事故嗎?這些濫用的情況,既有人為造成的,也有客觀環境造成的。


5)電池管理系統失效了怎么辦?


動力鋰電池系統有一套復雜的管理和控制系統,時刻采集整個動力鋰電池包的各種運行參數,進行計算、診斷、通信和開關控制。系統越智能化,當其發生故障時,后果也就越嚴重。


舉個例子,假如動力鋰電池包內部的某個電芯過熱,熱管理系統失效,電芯存在熱失控的風險,而這個時候的溫度傳感器壞了怎么辦?軟件程序不能正常判斷并下發切斷指令怎么辦?又或者本該執行斷開動作的開關,不能正常的斷開怎么辦?風險是否會蔓延,并造成嚴重的安全事故?


三、動力鋰電池安全設計的目標


動力鋰電池系統的安全設計,基本上圍繞以上提到的內部組件構成和可能發生的安全風險展開,確定合理的目標和框架,指導具體的產品開發工作。


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