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新能源汽车着火事故警示录:做真正意义的车用级电池

在今年的炎炎夏日,不仅仅是天气热,新能源汽车也热。而且热的让人担心,接二连三的燃烧事故见诸于报道。尽管这样,很多人仍然相信Tesla 的公关思维,燃油车也会燃烧啊,吃瓜群众正在被洗脑。

人命关天的事,没有小事,再次印证了汽车工程高安全需求

作为国家层面、工程技术人员需要清醒认识或从麻痹、懵懂中警醒:其危害性、或客户担忧,会严重制约新能源的健康发展。所以,近期也看到了工业和信息化部装备工业发展中心的213号文件:“关于开展新能源客车安全隐患专项排查工作的通知”,也是应急采取的必要措施,非常及时。

政策的出手,权威从士的不断出声,从另一个角度也反映出,决策者对以往技术导向的再思考,这是好事。这不是谁的错,技术进步就是这样,在迂回中认知和前进,亡羊补牢,为时不晚。

纵观锂电池发展历史,只有认真面对和解决,才能给新能源发展注入新的活力

首先严格意义上讲,锂电池有别于现在广泛应用的锂离子电池。我们来重温锂电池发展历史:“上个世纪80年代,加拿大 moil energy 公司,首次向市场推出采用金属锂作为负极的Li/MnO2 二次电池。这款电池让其称霸全球市场,辉煌一时。但是非常不幸的是在1989年发生了连续的爆炸事故。导致大面积召回,该公司从此一蹶不振。”

“后被日本的NEC公司收购。NEC公司投入巨资、人力、物力对上万块电池进行了分析,最终找到了导致电池起火爆炸的元凶---锂枝晶。 所以锂作为负极材料,淡出了我们的视野。 直到1991年,索尼公司推出首款商用锂离子电池,LiCO2作为正极,石墨作为负极。从此开启锂离子电池二次走向应用的辉煌时代。”

通过这段文字描述,可看出锂电池的共性问题,析理同样是作为其化学特性存在的。这也是为什么静置的车辆、充电过程的车辆,很有可能是因为析理造成内短路、过充导致内短路等原因而发生着火事故。但是,析理也是可以通过技术手段避免其发生或控制在安全范围之内的。

丰田对电池事故最到位的总结:过充、外短路、碰撞、内短路

1、 对于过充:系统层面,采用双检测系统,对电芯、模组电压进行检测。

2、 对于外短路:系统层面,关断系统、主回路保险丝。

3、 电芯层面:达到一定温度时,能自动切断电流,通过材料、结构、电极来实现。

4、 碰撞防护:通过车身、电池包结构强度来实现。

5、 电芯内短路:系统层面是毫无应对方案的。电芯层面,通过材料、隔膜等防内短路措施(HRL:Heat resistant layer )

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图1:过充、短路导致热失控

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图2:析锂产生的枝晶,可以刺破隔膜

丰田把电芯“内短路”故障排在最后,个人主观分析:对于松下这样历史悠久的公司,工艺高超的控制能力,已不是难题,结合新的隔膜技术、内隔热技术等是可以很好解决内短路的。但是,对于我们国内电池生产资源,我觉得,解决好内短路技术问题,仍然是当务之急。

电芯的品质、一致性、稳定性,仍然是着火事故直接原因之一

从松下的一些文字中,对其制造工艺的先进性有一些了解:松下的全自动无人干预生产、严格的来料检验、洁净生产环节,完整的测试能力,远远高于同行业标准。

从成本的角度,管理的角度,都是需要大力气的投入。在早期,国内有些有远见的企业,雇佣日本的管理人员,管理车间;返聘日本的老专家做好5S工作,完整和系统的做FMEA等,其实,都是朝着这方面努力,严格意义讲,这不是高难的技术问题,而是做好精益生产的手段和措施。

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图3:丰田的测试和车间

电芯生产工艺非常复杂,任何一个环节的缺陷和不完整都会造成后端应用事故。系统层面,在一个包体内,如果选用圆柱电池,四、五千颗电芯已是正常的状态,任何一颗电芯短路,都是不可想象的灾难。

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图4:着火电芯状态

做真正意义的车用级电池,这是保证车辆安全的底线

国内电芯企业,决大部分都是短时间成长起来的,和松下这样的老牌企业是无法相比的。同时,汽车工程对安全的要求,对于没有行业经验的企业,是无法理解的。所以,在很短的时间追上世界先进水平,确实不是一件易事。但是,市场不等人,你必须做的更好,才能生存。这个脱节问题,逐渐显露出来,整车企业,为了安全、长远发展考虑,提高其可控性,纷纷和有实力的电芯厂捆绑联合。电芯供应市场,造成一种有趣的现象,供不应求和门庭罗雀。所以,统计数字使用全国年生产供应多少GWh,使用了多少GWh是不靠谱的。电芯生产过剩同样是存在的。

技术角度,针对车用级需求,也有明确的要求:在国标中,GBT 31485-2015 电动汽车用动力蓄电池安全要求及实验方法,对电池单体承受过充能力有明确的要求,如果上限电压是4.2V, 哪么,实验测试电压应该是6.3V。

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图5:GBT 31485-2015

从电化学角度,“过充”也是一个厂家产品能力和技术实力,如同快充能力,也是能设计出来的。

恶性价格竟争,电芯以次充好

在设计过程中,经常用1Wh多少钱作为市场潜在的成本标准。更有甚者,小于1元/Wh的电芯也能上车,成本的不合理性背后,可能就是牺牲的品质。其实,每辆车对功率的需求的不同,对容量要求、对温度需求的差异等,这些指标,恰恰是和电池成本直接挂钩的。另一方面,数量可以稀释成本,也是公认的,松下18650的出价171美金,出货量都是Gwh。我们国内的企业不论从质、量都是不可企及的,相提并论或作为目标显然是不合理。包括政策层面,对成本目标的降低或拉动,都是有待商榷的。

同时,一些PACK制造商,不排除以次充好。例如,使用不到一万公里的系统,压差已经是0.5V了,奇怪的是,车辆照样跑跑,确实奇葩;或者依靠强大的售后团队来救火作为解决问题的灵丹妙药,也早已是公开的秘密。市场的混乱,盲目的听从价格,令人担忧。

BMS不是万能的,在电芯内短路面前,也是束手无策

在一篇文章中看到对事故的分析中,“从监测数据看,电池包内部温度在20秒内,从34℃上升至113℃”。从BMS 角度,面对热失控的状态,也是无能为力的。最好的结果,也只有及时、准确诊断和告警了,给乘客的逃生赢得时间,已是相当优秀的BMS了。

实现电池的多元应用;三元材料电池难过针刺实验是现实

不同的电池用在不同的地方。这才是市场和技术的本色。在选用何种材料的电池时,能量密度不能作为首选因素,这一点,也被更多的有识之士认可。随着补贴的退坡,各个厂家逐渐会从“无奈”中解放。能量密度的“拔苗助长”,技术的非循序渐进,是严重不合理的。不能一味的想着“弯道超车”。市场需要的是安全的产品。还是市场说了算的。

电池的多元化发展,应该会成为一种趋势。根据实际需求,对续驶里程、使用的环境、风险评估,选择合适的电芯和系统电量。这就不难理解,为什么丰田的Mirai,仍然在用镍氢电池。个人观点,在BMS 达不到较高水平的时候,LFP仍然是大巴车的首选。尽管LFP同样会燃烧,但是,从冒烟到爆燃的时间,LFP是有明显优势的。起码能给乘客的逃生争取5~10分钟的时间。

如同当年,我一直主张,钛酸锂电池做为燃料电池车辆辅助和储能电池一样,安全永远是第一位的。

正视差距:你的产品做了隔热、隔火设计吗?

当专注于热设计的温差、均温的时候,却忽略了相反的一面风险,哪就是“引火上身”。我们都亲眼目睹了充电时,着火的一辆车引燃旁边无辜车辆的景象,其实,电芯模组之间故障时,同样也是这个道理。系统、

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