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新能源汽车起火背后的调整与反思

2019-08-09 浏览次数:1,345 次 汽车纵横杂志社

自去年特别是今年上半年以来,近60 起(不完全统计)新能源汽车起火事故引发业内外广泛关注。

这些是否会严重影响消费者的购买信心?记者在近期对多名准车主的走访或电话网络调查中得到了有些出乎意料的反应。“是吗?这车还能自已着了呢?”少部分消费者对此一脸懵圈。更多则将其看做偶然的极端事件,“不至于摊到我头上”,“燃油车公交车也有起火的,难道还不开车坐车了吗?”仅有少部分表示“再看看情况”,“着过火的(品牌)就不买了”或者“会小心使用的”。记者与几家新能源汽车经销商的聊天中得到了类似的反应,“没有太影响卖车,很多人来了并不问起火的事,他们更多关心性价比甚至是以后的残值。”一名来自南方某省会城市的特斯拉体验店的工作人员甚至表示:如果国内消费者如此在意这件事,特斯拉恐怕根本进不来。由此对产业而言有一个好消息,还有一个坏消息。好消息是虽然近年来国内汽车消费者的安全意识在不断提升,但仍与欧美等国有不少的差距。加上在态度上对新事物的包容性更高,这就给产业和企业的改进、完善留下了余地。坏消息则是时间已经不多了,如不及时解决,对新产业新事物的伤害是不可想像的。

新能源汽车作为国家的战略性新兴产业,在从中央到地方政策的大力支持下历经数年高速发展,作为车辆“心脏”的动力电池的能量密度更是一年一个台阶快速迭代,向“高”挺进。起火事件的频发加上补贴政策的逐步退出,将为当前节奏不符合规律的“高能之路”按下休止键,并加速推动下一代动力电池的研发应用。从新能源汽车到动力电池行业正重新审视当前的技术路线,例如曾经几乎完全退出纯电动乘用车领域的磷酸铁锂电池,其低成本、更安全的优点正被重新评估,搭载电池更少的插电式及增程式车型的市场份额正逐步上升,诸如此类的变化或将改写现有的市场竞争格局,未来的产品将更加多元化。另外值得注意的是,2019年补贴政策对动力电池能量密度没有再提出新的更高要求。

对整个产业而言,这一波着火事件充分暴露出相关企业从设计到生产制造乃至后期监控的诸多缺陷,包括在产品策略及战略定力方面的各种问题。政府监管和产业政策制定也遭到拷问和考验。追根溯源、对症改进固然是积极的应对之道,但更大的意义在于促使各方深入反思:如何为新兴产业设置合理的评价标准体系?如何促进其健康快速发展?

本期我们聚焦新能源汽车特别是动力电池的安全问题,通过汇总近期的相关事件及企业人士、行业专家的观点,试图为以下问题寻找答案:新能源汽车起火的原因有哪些?近两年又因何成为事故的高发期?这将给产业带来哪些影响?行业应对思路与技术手段有哪些?这场事涉安全的灵魂拷问将给新兴产业的发展带来哪些教训与启示?

频发的电动汽车起火事件向全产业链敲响警钟,促使各方重新思考:如何实现对新能源汽车特别是动力电池更安全的防护?还有哪些没有引起足够重视的地方?当前是否走得太快太急?还能不能继续不断提升动力电池能量密度?哪种电池技术路线或车型产品路线更安全、更符合市场需求?种种调整和反思,伴随着补贴政策即将退出、双积分管理办法的不断深化落地等大势,将开启新能源汽车产业的又一个变局。针对新能源汽车特别是动力电池安全问题,全国政协副主席、中国科协主席万钢给出了系统的解决思路:“一是加强科技支撑,深入开展关于动力电池安全的基础性研究,研发保障动力电池安全的最佳系统方案;二是要提升产品的质量,从动力电池的设计、生产制造、系统集成、整车匹配等各个环节,提高产品的一致性、可靠性。三是完善安全标准,不断加严对动力电池和整车的安全要求,以及相关体系标准的规范;四是加强安全监管,进一步完善新能源汽车的召回、三包等制度,加强监管平台的能力建设,完善事前、事中、事后统筹兼顾的监管体系;五是加强科学普及,组织专题研究和对话活动进行解疑释惑,提高公众的认知度、可接受度。”
如何完善系统安全?

“锂离子电池的安全首先是设计出来的,其次是制造出来的。”天津力神电池股份有限公司常务执行副总裁王念举如是表示。

因此,在生产一款动力电池之前就应充分考虑好多个问题:包括电池模块的可组装性、可调整性、回收性及方便拆解性设计,电池组(系统)的可安装性、可维护性、可调整性及回收拆解设计等。

目前行业内从整车企业到电池企业,针对安全问题设计了多种防护体系,例如东风汽车对电池系统的安全保护主要从功能安全、热安全、高压安全、电气安全、机械安全、滥用安全等几个方面出发。比亚迪汽车则摆出了包括连接、高压、碰撞、内部短路、外部短路、过充、危险气体在内的七维四层安全矩阵。

由此可以看出,至少在提高动力电池的安全性方面,业内的常规思路是主要从三个层级改进设计:单体电芯、模组设计和电池包的结构设计。在单体电芯方面,可以通过在电解液中加入添加剂降低其易燃性、提高隔膜的耐温性、或者提高正级材料的稳定性等来改进。在模组设计方面,可以通过加强温控设计、BMS充电管理或者改变单体连接的方式等提高整体的安全性能。

“在电动汽车安全中,虽然电池是最重要的一环,但是电动汽车安全不仅仅依靠电池,它是一个包括整车安全在内的系统问题。”这也是以东风汽车公司技术中心新能源动力总成部黄敏为代表的不少业内人士的共识。

因此整个电池系统的安全也需要上升到整个车辆层面解决,例如可以为电池包设计安放在散热条件良好的位置,改进充电方法,减少由于充电不当造成析锂。

但现实情况中电动汽车起火远比目前业内发现的情况要复杂,大多数看似严密的安保体系无法百分之百确保“不起火”,因此针对动力电池模块的安全性设计还要考虑到一旦发生该怎么办。

“首先是应当通过良好的设计不发生事故,可以通过合理布局、良好的冷却系统和可靠的结构设计实现。”在2019首届中国国际电动汽车安全技术创新大会上,中国汽车动力电池创新联盟副秘书长、中国电动汽车充电基础设施充电联盟副秘书长王子冬建议:“如果没有实现,事故发生了,最好能实现提前预警,给人以反应时间;在这种情形下,需要广泛布置安装传感器,尽可能覆盖到每一个故障点,全面监测电压和温度,最好能监测到每一颗电芯的内阻。当事故已经发生时,设计的目标应当变成阻止事故的过快蔓延,做到这一点可以通过电芯和模组设置保险丝,模组和模组之间设置防火墙,设计强度冗余以应对事故发生后的快速蔓延。”

到目前为止,全世界对电动汽车安全问题都没有研究透彻,在国内标准还没有正式实施之前,由中国汽车工业协会、中国汽车动力电池产业创新联盟、中国电动汽车充电基础设施促进联盟联合组织行业编制的《电动汽车安全指南》(以下简称《指南》)在今年年初正式发布,意在以参考性和指导性为原则对行业进行指导。《指南》内容覆盖了人身安全、车辆使用安全、售后安全、维护安全、动力电池系统安全、充电安全、充电设施、售后服务过程、回收再利用的储运、拆解、重整的安全,以及监控数据等环节的安全。希望能借此提高全行业对电动汽车安全性的认知,提高安全性设计、制造水平,提高电动汽车合理使用和维护、以及安全性管控水平,探索安全的、系统性的解决方案和意外发生时的应急处理手段。与此同时,也希望《指南》能为电动汽车行业相关标准的制定和修订提供依据,为开展安全性研究项目提供方向。

如何完善监管与标准体系?

电池包内配有电池管理系统,企业有通过大数据联网的监控平台,但在发生电动汽车起火的事故中,这些装配都没有起到应有的预警预防作用。

BMS作为电池与用户之间的纽带,主要功能就是提高电池的利用率,进行数据采集、监控、警报,防止电池出现过度充电和过度放电。然而在目前统计到的不少事故中,电池系统中的BMS处于失灵状态。

“通过对很多问题的分析,我们发现保障电池系统安全性的核心是研发先进的电池管理系统(BMS)。”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曾经明确指出,目前,在电池管理系统方面,国内产品的功能不足、精度不够,尤其是安全功能不全,因此需要加大电池管理系统的研发力度。

由于在充电情况下发生电池热失控的概率较高,国家新能源汽车创新工程项目专家组组长、中国汽车工程学会顾问王秉刚认为,随着电动汽车应用的时间越来越长,问题越来越多,要加强监控防范。充(换)电过程是火灾易发期,要特别加强安全防护。

据了解,青岛特来电公司已完成对相关技术的研发,这一技术建立在大数据基础上,与充电站联网,在充电过程中可以实现对电池的检测,因为充电过程中电流比较大,可以获取很多数据,然后将这部分数据与大数据统计的规律做比较,可以发现有些电池偏离常规,可能有潜在的问题。据了解,2018年这一系统已经预警和防范了7起可能发生火灾事故。

然而,如何使用、用好这些大数据也有待解决。“我看到我们有很多监控数据,但出事企业或地方为什么没有提前报警的?这么多数据谁去管、谁去用?数据没有人用要数据干什么?”王子冬对此发出了一系列追问,他认为,监而不管是导致很多事故苗头没有被及时制止的重要原因。事实上,很多企业和监管部门并不十分清楚怎么使用、如何用好海量的大数据。

强化监管不仅需要技术手段,更要有完善的标准规范。据了解,国内按照国家机动车安全技术检验标准对电动汽车进行检验,但是在现有技术检验模式下,不拆解则检验部门难以对电动汽车电池、电机、电控等特殊要求进行有效检验,无法及时发现实际问题。
“为了更好处理和分析电动汽车事故,最好有电动汽车黑匣子。”欧阳明高建议,“同时,尽快推出电动汽车安全年检规范。”

目前国内与电动汽车安全相关的标准正在不断完善中,据了解,近期,GB《电动汽车用动力蓄电池安全要求》报批稿即将发布,涉及动力电池强制执行测试项目一共有22项,并新增了热扩散试验。新国标中的所有测试将成为强制性要求,并特别提出了乘员舱发生危险之前5min必须报警、提醒乘员逃生的要求。

在完善标准之外,王秉刚还建议,针对企业,“要改进准入管理,淘汰技术落后的产品与企业,加强事后监管。如果企业的汽车产品总出事故,要有退出机制。”

技术路线之争与根本解决之道

如何更好地解决电池安全性问题?一场由来已久的电池技术路线之争再度被摆上台面。

“磷酸铁锂和三元锂电池一直在争,争成本、争安全和能量密度。”王子冬表示,通常意义上磷酸铁锂的优点是安全性高、寿命长,但是能量密度、低温性能、一致性等方面不如三元锂。早期国内的新能源汽车市场一直是磷酸铁锂的天下,到2016年前后,三元电池的优势和在乘用车市场的占有表现开始越来越突出,逐渐成为纯电动乘用车领域的主流选择。但目前一些车企在部分车型上选择的是磷酸铁锂电池。例如江淮的iEV7L和iEVA50、iEV6E等、腾势500以及北汽新能源的部分车型。

王子冬认为,业内外对磷酸铁锂和三元锂电池的认识存在一些误区:三元铁锂的这些优点通常是基于电池单体而言,对车用动力电池,主要看的是电池系统的整体表现。比如二者的系统能量密度相距连10%都不到,是否还有必要冒安全性上的风险?而且磷酸铁锂电池系统的低温性能等表现也并不差。

“判断两种电池谁好谁不好,并不能单看能量密度,不是说某一个指标好这种电池就表现更突出。二者各有各的优缺点,关键还是看产品应用在哪。”王子冬表示,随着电池比能量和比功率提高,发生安全事故的危险也增大,这是有一定关联度的,所以我们要选择平衡和优化。

但要彻底解决电池安全问题,近期可以通过一些技术来保障安全,从长远看,要实现绝对安全就需要前瞻性的科学研究。业内专家普遍认为,加速对固态电池的研究,开发下一代的固态电解质,有望从根本上解决电解液燃烧的问题。

“电解质是影响锂离子电池安全的主要因素之一,目前正在向固态化方向发展,但还达不到全固态,我们研制出新型仿生蚁穴结构的新型离子凝胶电解质,在锂金属表面形成保护层,可有效抑制锂枝晶生长。电池材料在仿生方面的研究有利于电池本身的绿色化。”北京理工大学教授、中国工程院院士吴锋认为,动力电池正迈向固态化时代,现在看好硫化合物和聚合物的结合,但总体上还需要一步一步来,从准固态向固态发展。

欧阳明高分析指出,基于对各国动力电池技术路线的比较,短期是液态电解液的锂离子电池,下一步将会向固态电池方向发展。而综合考虑电池成本和动力电池的发展方向,我们建议我国也应该走类似的路径,即短期是液态电解质,发展高镍三元正极和硅炭负极,通过电池管理系统和热蔓延的抑制来防止安全事故发生,这类电池能够满足电动汽车500公里续驶里程的要求。中长期,从液态电解质逐步过渡到全固态电池,估计在2030年左右全固态电池将会得到产业化应用。

高比能量之路能否持续?

按照国家原定的产业化目标,2020年电池单体能量密度应达到350瓦时/公斤,系统260瓦时/公斤,循环寿命2000次。但鉴于当前的安全形势,是否要按照之前的节奏继续向高比能量电池挺进?

“关键是把握高比能量与安全性之间的平衡点。”欧阳明高认为,锂离子动力电池高比能是全世界范围的发展方向和趋势,不能因为安全问题就彻底放弃提升电池的能量密度。比如高镍三元锂离子动力电池的本征安全问题,其机理是正极会释放氧,完全可以通过界面的修饰来延缓正极释氧,提高稳定性。

但当前的节奏对企业而言无疑压力与风险都很大。

“下一代的锂离子电池,要做到300瓦时每公斤,加硅还是可以的,但是350以上肯定不行。”王念举表示,力神在这方面投入了很多研发力量,但也存在很多的不确定性,“能量密度可以达到350瓦/时每公斤以上,但是量产肯定是在2025年之后,因为要充分考虑到锂离子电池温度、倍率特性,包括能量密度、寿命等,特别是安全,如果没有安全保证,一切归零。”

“电池组是一种含高能物质的部件,危险性是其本质,随着比能量和比功率的提高,发生事故的危险性也增大。”王子冬表示,要实现能够产业化的车用动力电池的性能提高,不仅在正负极材料性能上需要有大幅度改进,同时在许多方面都需要有比较大的突破,才有可能实现动力电池真正意义上的提高。从单体电池到模块再到系统集成,中间环节比较多,电池之间的连接件、模块之间的连接电缆、箱体、固定架、支撑板、导热结构等都会增加很多重量,需要在系统能量密度、可靠性及安全性方面做优化。

因此,就当前这一阶段而言,欧明高也认为,“(目标)是偏高的,从安全角度考虑,我认为不宜强行推行。”此外,对电动汽车的补贴政策要符合技术发展的规律,对能量密度的提升不宜过快、不宜更改过频。
增程式能否成为更好的解决方案?

从车型角度看,在动力电池技术还没有颠覆性突破的情况下,要解决安全问题最好是用成熟安全的电池、少装电池。增程式车型正成为不少业内专家及企业眼中解决安全与里程矛盾的更好选择。技术资料显示,增程式电动车的动力只由电动机提供,发动机的存在就是为了给电动机供电,更像是一个发电机,而这也是与插电式混动最大的区别。

中国工程院院士杨裕生一直在不同场合宣讲增程式车型的适用性。他认为,电动汽车要卖得出去,不论高速或者低速,必须减少电池的用量,提高安全性,降低车价,而不是多装电池,片面追求长纯电动里程,或者拼命提高比能量,增加危险性。考虑到目前许多插电式混动汽车实际上并不节能减排,有违国家发展新能源汽车的初衷,当前的纯电动汽车应以微、小型为突破口,长里程的大、中型电动汽车更适合发展增程式。

这种路线设计的原因在于,微、小型电动车内搭载的电池较少,安全性也相对较高,可适应城市、乡镇等不同地区交通的普遍需求。同时,微、小型电动车还兼具价格低、易推广等优势。据他介绍,国内的增程式电动车已经发展至第三代,其发动机发电可以绕过电池直接驱动电动机,避免充放电过程中的能量损耗,并进一步减少电池组的用量,预计节油率可大于60%。

一直以来,增程式技术虽然是国家《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》中认可的新能源技术路线,但地位及分类归属却并不明朗。按照《规划》原文的提法:以纯电驱动为新能源汽车发展的主要战略取向,重点发展纯电动汽车、插电式(含增程式)混合动力汽车和燃料电池汽车,增程式车型应当归入插电式混动汽车中,但在去年发改委发布的《汽车产业投资管理规定》中,“增程式电动汽车”被划入纯电动车投资项目。

近两年来,增程式车型正赢得业内更多的关注。万钢就多次在不同场合强调,“增程式的混合动力发动机和燃料电池发动机是我们研发的重点,鼓励业内研发高效率增程式机电混合系统,推动插电式向增程式方向发展,在带动产能转换的同时,使排放降到更低,有效支持产业的转型升级。”

由此可见,广受关注的安全问题或将进一步对纯电动汽车在国内市场的绝对优势产生一定的冲击,促使新能源汽车市场产品更加多样化。

后记:起火事件给新兴产业健康发展的几点启示

对新能源汽车乃至整个新兴产业而言,这些起火事件更大的意义在于促使整个行业乃至社会上升到更高的层面反思:如何为新兴产业设置合理的评价标准体系?如何更好地扶植新兴产业,产业、市场、企业、政府等该如何定位?什么才是好的产业政策?

首先,无论是企业还是政府,在为一种新产品设置标准体系时的不可过分突出其中一个指标。对新能源汽车而言,长续航、快充等市场终端的需求最终将压力传导至电池能量密度这一个指标上。而补贴政策奖励和产业技术进步的最显眼的“尺子”也是能量密度。事实上,“能量密度”本身是一种很好的评价标准,因为它有量化的性质,多和少一目了然。而安全这一最基本标准是默认的前提,且无法用一个数字来表达。但问题在于能量密度也有其难以承受之重:很难衡量一款动力电池产品的真正的市场应用水平,其与安全性的矛盾之处也没有引起足够的重视。

其次,特别是对企业而言,当技术与流程发生冲突时,宁可先保流程准确无误地执行到底。据了解,这也是丰田汽车著名的研发原则之一。对汽车这种大批量生产的大宗复杂消费品而言,量产意味着在整个制造流程里进行功能、性能、成本、安全性等等各个指标之间的妥协。新能源汽车虽然是新事物,但也应尊重、借鉴汽车生产、制造、验证等各个环节的质量控制经验。在这一波起火事件中,不少业内专家直指近两年动力电池能量密度提升过快,新产品未得到充分验证便装车投向市场。对于“车规级”产品和标准是如何产生的,不少从3C电池转做车用动力电池的企业、新造车企业的理解或许不够透彻。这也正是造车的重要壁垒所在。在很大意义上,对流程的遵守意味着对科学规律的尊重。

再次,从产业政策的层面看,以上种种问题的根源一是由于对新技术和新兴产业的认知能力有限,二是由此带来的激励机制的扭曲,没有达到政府想要的结果。也是当前整个产业政策面临的突出难题,在新能源汽车产业的投射。

专家指出,产业政策对于推动新兴产业发展的作用主要在于加强新兴产业的行业规范,特别是平衡创新与风险,并做好监管。而一个好的产业政策,应当顺应市场、不能限制竞争、谨慎干预以及要有退出机制和事后评估。

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