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电池是如何失控的?

2019-07-02 浏览次数:1,735 次 财经车天下

新能源车起火是产品质量问题,而非路线问题。唯有提高电池制作工艺、加强全生命周期监管,未雨绸缪,方能消除安全隐患。

6月27日,针对蔚来汽车召回事件,蔚来(NYSE:NIO)的电池模组供应商宁德时代(300750.SZ)发布声明称,此次召回的电池包箱体和宁德时代供应的模组结构产生干涉,在某些极端条件下可能出现低压采样线束短路风险,存在安全隐患。该批次模组采用定制化设计,该设计仅使用于此次召回的4803辆ES8产品。

此前蔚来在召回公告中则称,事故车辆使用的模组内的电压采样线束存在由于个别走向不当而被模组上盖板挤压的可能性。在极端情况下,被挤压的电压采样线束表皮绝缘材料可能发生磨损,从而造成短路,存在安全隐患。

此次蔚来召回事件是中国电动车发展史的一个插曲。

在中国,已有200万位新能源汽车消费者愿意尝试这一新的能源形式下的交通工具,但他们迟迟得不到权威部门的着火事件调查结果,频频爆出的自燃事件势必会动摇他们的采购和示范信心。

截至发稿前,尚未有国家权威部门就2018年至今一系列新能源车起火事件发布调查结果来安定民心。

如果不能明确原因,就无法解决安全问题。对于全球新能源汽车第一消费大国——中国来说,将是一场信心灾难:比如大部分车辆停车时都会自觉远离电动车;比如不少外企在做日常会议前的safety sharing时建议员工远离正在充电的电动车。

2019年5月,中国新能源汽车产销分别完成11.2万辆和10.4万辆,同比分别增长16.9%和1.8%。相较于2018年百分之几十的同比增长来说,今年中国新能源车产销增速放缓。

但作为全球新能源汽车应用的急先锋,中国仍在提速推广进程。

2018年11月,中国汽车工程学会发布《汽车产业中长期发展规划八大重点工程实施方案》:计划到2025年,新能源汽车年销700万台,保有量达2000万台,燃料电池汽车推广5万台,混合动力车型市场占比达到20%。

不仅是中国,由于节能减排政策的政策压力,全球范围内新能源汽车已经大势所趋。

罗兰贝格预测:至2020年,全球当年新售车辆中约有15%为新能源汽车;至2030年,新能源汽车销量将超过传统燃油汽车,占当年销量的57%,达5900万辆/年。

要想在这个保守估计不下于10万亿元产值规模的市场上达到上述预测销量,从系统上消除消费者的恐慌是前提。

严把质量关

正如中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高所指出的那样,新能源汽车起火是产品质量问题,不是技术路线问题。

电动车起火大部分原因在于电池起火,电池起火的原因主要在于电池热失控。

所谓的热失控,是指动力电池在工作的时候会发热,当电池温度过高或充电电压过高时,电池内部会产生连锁的化学反应,导致电池内压和温度急剧上升,引发电池热失控并最终导致燃烧。

电池热失控的原因有各种各样的,有可能是电池包本身温度不均匀,有局部区域温度高、外短路、内短路等等原因引发着火。

动力电池科技公司远景AESC中国研发负责人林玉春在接受《财经》记者采访时表示,隔膜设计是影响电池内短路发生的重要因素之一。如果隔膜设计余量不够或者设计方向不对,会影响隔膜的机械延展性与柔韧性,导致充电过程出现萎缩,继而正负极相互接触,造成短路。

同时,在生产工艺中把控不严,电芯混入金属颗粒,这些杂质在充放电过程中会导致电极表面差异反应,不断积累后会刺破隔膜,从而导致短路。

一旦有一颗电芯出现问题,如短路、断路等,将影响电池组内其他电芯,从而造成内部出现严重问题,最终导致安全问题。

特斯拉这种用串联电路的电动车尤为危险。软银中国投资的台湾固态电池生产企业辉能科技股份有限公司行销经理许容祯告诉《财经》记者,特斯拉拥有4416颗锂电池,只要一个环节做的不好,就会发生连锁反应。

BMS技术需提高

除电池厂和充电企业努力外,整车厂其实需要承担的责任并不轻。因为电池管理系统(Battery Management System,下称BMS)是电动汽车整体架构中的重要要素,而这些目前都由整车厂来负责设计。

BMS是处于动力电池系统的核心位置,是电池保护和管理的核心部件。BMS不仅要保证电池安全可靠地使用,更要控制电池组的充放电,并在整车控制器上报动力电池系统的基本参数和故障信息,可谓是电池、整车控制器和驾驶者之间的桥梁。

一家大型锂电厂中层对《财经》记者表示,热管理系统在BMS中较为重要。热管理系统的基本工作原理是通过冷却或者加热的方式使电池包的温度维持在一定的温度范围从而保证电芯的性能发挥及寿命。

热管理系统主要分为三类:加热系统,风冷系统和水冷系统,不同的设计方案的工作原理不同,但都存在引发电池包热失控的可能性。

首先,对于水冷系统,它是通过液体对流交换,带走热量降低电芯温度的一种热管理方式,但是水冷板通常位于电池包的底部,安置于车辆的底盘,车辆长期运行过程中对水冷板的异常撞击,底部刮蹭,或者水冷设计结构长期可靠性失效,可能使其发生冷却液泄漏,进而导致电池包绝缘失效引起整车热失控。

第二,风冷系统,它是以空气为为介质,利用热对流降低电芯温度的一种热管理方式,但风冷设计会提高电池系统的密封设计难度,车辆长期运行过程密封结构失效,使其存在阴雨天行驶进水从而绝缘失效导致热失控的风险。

最后,对于主要应用在寒冷地区的电动汽车会使用加热系统,其原理是利用加热膜来对电池包加热,使其维持在合理的工作温度范围内,保证电芯性能发挥。加热膜的发热功率设计或者装配方案设计不合理,又或者其长期可靠性失效,也可能会导致电池包绝缘失效,进而引发热失控事件。

上述锂电厂中层表示,热管理这些问题目前已经有技术解决方案,并且能否有效解决这些问题是体现各厂家技术先进性的一个指标。

高能量密度下的风险

为了解决电动车续航里程问题,提高动力电池能量比是发展的必由之路。要想提高能量比,就要调整锂电池相关材料配比。

目前乘用车的动力电池大部分采用三元体系,即正极材料使用镍钴锰酸锂或者镍钴铝酸锂的锂电池。我国三元动力电池采用的镍钴锰酸锂。

根据镍钴锰三元素的不同配比,又分为111型、532型、622型和811型。随着镍的比例不断提高,动力电池的能量比也会增加,这也就意味着汽车的续航里程将相应增加。

对于锂电池来说,安全、寿命、成本、能量密度这四者处于一种动态平衡的状态。如果能量密度提高,那么其他三者必然会出现一些问题。

深圳市比克电池有限公司企管中心副总裁李凤梅在接受《财经》记者采访时表示,镍比例越高,整个正极材料的热稳定性就越差。遇到高温、外力冲击等情况,高镍电池会存在安全隐患。高镍电池充电时产气会导致电池鼓胀也是一大问题。

同时,811型电池一旦出现热失控问题,后果也较为严重。以往磷酸铁锂电池热失控,仅会出现冒烟情况;532型三元锂电池热失控会出现燃烧情况。一旦811型三元电池热失控,很可能会出现爆燃。

追求高能量密度是发展的必然,但欧阳明高提醒《财经》记者,电动汽车高比能量动力电池的发展,安全永远是第一位的。

电池是如何失控的?

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系统预警机制需建立

对于电动车安全来说,这不是一两家企业,或者一两个环节企业所需做的事。这是上至监管层,下至全产业链各个企业必须牢牢紧绷的弦。

多起安全事件引起了工信部的注意。5月10日,工信部副部长辛国斌在相关会议上指出,安全是事关新能源汽车产业持续健康发展的第一要务。近期,新能源汽车安全事故呈现多发态势,全行业必须高度重视,采取有效措施,消除安全隐患,加快建立全面的安全保障体系,提升新能源汽车安全水平。

优先一点就是产品要过关。在以往的事故中,电动车产品或多或少存在问题。如电池产品测试验证不足,车辆使用过程中可靠性恶化,充电安全管理技术水平低下等。

李宏庆建议,在人身安全方面,漏电保护和绝缘检测等功能和标准要求,国标和欧标美标还有差距,建议适当提升标准,包括设备生产制造和检验检测标准等

与此同时,《电动汽车安全要求》、《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》、《电动客车安全要求》3项强制性国家标准在今年年初进入征求意见阶段。

其中最为引人注意的是,相关强制性国家标准中首次提出逃生时间概念。根据规定,电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前5分钟,应提供一个热事件报警信号(服务于整车热事件报警,提醒乘员疏散)。

一旦有了报警信号,车内人员就有了足够的逃生时间,从而可以将人身安全风险降到最低。

发生危险报警只是最无奈的一种选择,如何将危险扼杀于襁褓之中才是上上之策。在复杂的工况下日积月累地使用,电动车电池难免会出现问题,如何主动监测电动车安全急需提上议事日程。

目前电动汽车与燃油车所用的检测体系相同,在全球范围内缺乏针对电动汽车的全生命周期检测。这就使得电动汽车是长时间使用后,如出现一些微小的问题不能被及时发现。千里之堤毁于蚁穴,日积月累之后,总有一天会爆发出安全问题。

有多家锂电厂中层呼吁,应建立新能源汽车标准化检测制度,要求新能源汽车进行专业地标准化检测。

不同于燃油车,新能源汽车年检应针对高压电气、动力电池等特点建立相适应的安全检查制度。新能源年检制度的建立可保证新能源汽车的使用安全,一定程度上避免安全事故的发生。

当前市场已有很多车辆超过设计寿命要求继续在使用,使用到后期会存在安全风险,因此建议针对运行时间或行驶里程超过产品设计要求的车辆制定强制报废标准。

此外,因整车厂对电池的特性理解不深,也并未对后台监控数据进行有效的分析,导致很多故障原本可以通过对历史数据分析以实现提前预警,因此建议整车厂将数据共享给有能量的电池企业来实现预警,以降低市场风险。

在以上措施之外,日产汽车认为无论车辆采用何种驱动系统,任何在道路上行驶的车辆都需要进行恰当的保养与维护,这非常重要。

按时维修保养、定期报废或更换电池等方式,会彻底消除车辆老化带来的安全隐患。

林玉春表示,应该开发一些标准的主动检测手段。例如对电芯进行主动式的脉冲电流或者电压测试,通过编制一些算法来检测SOS(State of Safety, 蓄电池安全状态)、SOC(State of Charge,蓄电池容量)和SOH(State of Health,健康度、性能状态)。

然而检测制度建立并非易事,这不仅涉及到锂电厂、整车厂、充电企业等多个环节,还需要多部门协调,如国家质量监督检验检疫总局、公安部、工信部等多部委。参与者过多,导致事中管理尤为困难。

也有新能源汽车企业高管向《财经》记者表示,不要过度监管,不是多加一道国家检测,就万事大吉了。还是要通过市场手段来解决问题。

一家大型锂电厂高管表示,目前最为可行的办法就是与保险公司合作,共同建立相关标准。

平安产险副总经理朱友刚告诉《财经》记者,目前《机动车综合商业保险条款(2014版)》已经基本能覆盖电动车的现有风险,只是个别条款可能不适用。

“随着下一步电动车保有量的不断增加和风险的逐步暴露,肯定需要为其开发专门的保险产品。平安产险会在车电分离保险、电池自燃保险、电池容量保障保险等多方面进行产品创新。”朱友刚说。

如果能对电动车进行专门的检测,并将数据提供给保险公司,对于保险公司在辅助判定车辆故障、控制道德风险、提升理赔时效等方面,都有着巨大的帮助。

除了检测外,大数据共享也是另一个好方法。在车辆使用过程中,整车企业掌握了大量的电池安全数据,然而这些数据并没有共享给上游企业。

目前电池厂、整车企业、充电企业都是各自为战,相互掌握着关键数据。特来电表示,国家部委和权威协会的支持协助会促进三方更快的打通。目前特来电已经与多家电池企业和整车厂签署了战略合作协议,打通了相关的充电安全数据。

但是,这仅仅是少数企业的行为。上述新能源企业高管表示,车企会与电池企业进行团队数据探讨,但没有形成一个平台来定期交换数据。因为这些数据涉及商业机密和隐私。

可见,打通车辆、充电设施、电池之间的数据渠道尤为关键。但是如无国家部委或权威协会的介入,三方之间的篱笆将永远无法完全打破。

市场的问题当然需要市场来解决。但面对系统性问题来说,如何打破各方利益壁垒,形成全行业的标准化机制,这就需要政府与市场主体共同协调。

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