新能源汽车着火事故警示录:做真正意义的车用级电池

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2018-09-15 08:00
[ 亿欧导读 ] 对于新能源汽车的发展,安全永远是第一位的。任何政策、标准、法规、设计、制造环节,都不能脱离这个原则和底线。电芯作为电池系统安全主体和基础,更需要向国外先进技术看齐。
锂电池;动力电池;新能源汽车,新能源汽车,电池,安全 图片来自“racshop.co.uk”

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   )

图1:过充、短路导致热失控

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。

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。 

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。 

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、模组、电芯的隔热、隔火设计,就是为了避免、延缓事故的燃烧状态。目前,一般从系统层面,做了隔离措施,比如Tesla 的上盖板所做的隔火、隔热设计;目前最多设计措施还有模组之间的隔热设计;电芯的隔火国内产品很少,也只有Tesla 电芯之间使用云母片的隔火设计。 

正视差距:你的温感布置是基于仿真和多轮测试的结果吗?

如果不是一对一采集,势必会出现数值偏差和时间延迟问题。如何与电芯真实温度状态匹配?我想不是拍脑门能解决的问题。记得Leaf 的四个温感布置,当时还疑惑箱体内左、右两侧为什么没有对称布置?其实,背后大量的实验工作,已经证明,这四个点在具体的空间、各种工况,是最具代表性的位置。

正视差距:你的BMS对电芯的参数模型了解多少?

很多情况,BMS对电芯参数的了解或电芯提供给BMS的数据是非常有限的,甚至是少的可怜的。除了上、下限电压、SOC对应电压状态,SOP功率状态边界都没有。更别说参数模型了。因为,电池厂家也没有完整的测试。这种粗狂的控制,带来的后果是严重的。BMS和电池的脱节已经不是新鲜问题了。

正视差距:从企业、社会角度,我们的客户培训了吗?

记得在看一个着火事故的录像时,我发现一个现象:当车辆底部冒烟时,第一时间,乘客并没有迅速下车;或者下车了,在车旁边来回踱步,是哪样的茫然和不知所措。更有甚者,好奇的人们在围观。

他们没有意识到危险,可能就在下一秒。电池的爆燃,会伤及他们。我在前期的一篇文章中,列举过美国消防协会的培训:

“如果我的车着火了怎么办?NFPA(美国消防协会) 建议司机遵循以下三个步骤:

a)  停止。

b)  如果可能的话,靠边。

c)  关掉汽车。出去。

d)  在离车辆100英尺远,同时注意交通安全。

e)  拨打119求助。

f)  不要自己去灭火。”

PACK能力非电芯企业强项;PACK厂电芯品质失控,让整车厂困惑和心痛

通过仅十年新能源汽车发展的实践,,电池是新能源核心部件,已毋庸置疑。但是,作为整车的配套零件的电池系统,并没有像传统零件配套哪么简单。特别是电芯厂家,缺乏整车企业配套经验,即使这么多年的努力,仍然还是短板。这就是汽车技术的多年积累的原因。非短时间能培养起来的。

所以,整车厂捆绑和发展自己的pack厂,培育自己的BMS软硬件设计能力,再联合有实力,品质优良的电芯制造企业,将会成为一种新发展趋势。同时,加强对电池系统的掌控,也是在谋求更长远的发展。比如上汽集团的模式,值得学习。

电芯品质缺陷隐患、可以在充电过程中放大,充电只是“诱因”

我非常赞同王子冬专家这句话:“大部分着火是在充电过程中,或者刚刚结束充电后。保障动力电池充电安全性是件很麻烦的事,这里面有很多影响因素,有连接的问题,充电方式的问题,制造过程中是否有瑕疵的问题。在充电过程中会将许多隐患放大,导致事故,这点特别重要。”所以,电芯品质问题,在充电环节放大了隐患,充电只是一个诱因,而非主因。我们需要透过现象看本质。

圆柱电芯的上千颗应用,前题是有强大的BMS做支撑

其实,我们国内圆柱电芯的突然放大量应用,与Tesla的应用效应有非常大的关系。包括现在对21700电芯的推崇,我不反对,对任何先进技术的跟随和创新,但是,也需要站在国内实际情况看问题。不能盲目跟风。我们的BMS管理几千颗电芯的能力,还做不到Tesla的管理水平;热系统做到温差2℃还很困难。尤其是针对三元圆柱电芯,我们的技术驾驭能力还很有限。所以,我倒是建议,从稳定角度,BMS弱的情况下,还是多用方形或着软包电芯为上策。

锂离子电池的安全问题是可以解决的

leaf 在全球销量,2017年已超20万台,7年间没有听说一起严重燃烧事故; 同样是在路上跑的车辆,同样也有碰撞, Tesla 在短短5年时间,产量近10万台,已发生多起燃烧事故。我们抛开不同电芯正极材料的路线,其工程应用可是一致的。例如,Leaf的系统集成技术:电池箱体结构设计先进,抵御碰撞能力、密封设计都是一流的,就连一枚继电器放置的位置,都是非常有讲究的。技术的炉火纯青,大道至简,用在这里再贴切不过了。

更担心的风险,并不是着火事故,而是来自认识的羁绊、夜郎自大

一颗电芯的成果进步,是无法代表一个电池系统的水准高度,电池系统才是“应用主体”:工艺一致性、控制技术、热技术、结构技术、系统安全技术等,同样需要齐头并进。借用国家863电动车重大专项动力电池测试中心主任王子冬一句话:“通过项目的评价,学会对动力电池进行综合评价的方法,对项目做出科学的判断,特别要重视动力电池产品向国外学习,我们不能夜郎自大。”

小结

对于新能源汽车的发展,安全永远是第一位的。任何政策、标准、法规、设计、制造环节,都不能脱离这个原则和底线。电芯作为电池系统安全主体和基础,更需要向国外先进技术看齐,做车用级电池,充分实验。车辆工程面前,生命面前,电池没有等级之分。需要踏实务实,做好现在的工程,排除上路车辆的风险。


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