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中汽中心王芳:电动汽车带来的安全挑战

   次浏览   汽车之家   2020-05-26

  近几年我一直从事电动汽车和动力电池的测试、评价和标准化的工作,在做全球的法规和国内的标准时候,大家都会遵循这样的思路,那就是为什么包含这些测试,因为每一项测试,必然是在现实生活中发生的或者有大概率发生的形态我们才要做出考评和要求。所以对于已经发生的电动汽车事故进行分析,确定到底是什么形态,又是什么原因导致非常重要。

  我们统计了一下2011年2月到2019年5月事故,从网上或者我们参与的数据调查里面捕捉到相对可靠的信息数据,我们把事故产生的原因分了五大类。第一类是充电或者过充电,统计分析显示,近几年过充电几乎是不怎么发生。相比之下,充电的末期或者充电刚结束的一段时间内更容易出现相关的问题。第二类是碰撞、托底等等机械外力的原因导致的事故。第三类是热失控或者热扩展,需要说明的是,热失控有广义的热失控,也有狭义的热失控,从广义上说,所有的电动汽车事故,包括刚才提到的充电过充电、碰撞托底等等,到最终的事故表现形式都是热失控,狭义的热失控,就是指这一类不存在任何外力的情况下,首先从电池本身的部位突然发生的热失控,第四类是泡水,第五为为其他,比如说传统的车也会发生的一些自燃等。

  在这样的情况下我们需要首先考虑整车安全面临着什么样的挑战,实际上电动汽车的安全可能大家知道跟高压的动力电池系统有最直接的关系,我们在做标准法规的时候也是把它分成这样几大类,类似刚才的事故形态分类,第一个是充电安全,第二个是碰撞安全,第三是高压电安全,第四是电池本身的安全,最后一个是紧急救援安全。

  大家知道其实现在电动汽车的事故率是低于传统燃油汽车的,但是它是新生事物,所以每一起事故都会引起大家非常多的关注。对于我们这些从业人员来讲,不管比例有多低,只要发生一起都会引起我们极高的关注,我们需要深入分析,并想尽一切办法,努力提升技术水平,希望通过各种措施提升电池的安全系数,降低危险的可能性。从这种意义上来说,电动汽车的安全是全生命周期范围内的,包括研发、生产、使用和回收环节。

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  我刚刚提到的过充电事故比较早,2015年发生事故,车是2012年的,当时很多的技术尤其是BMS的故障诊断和功能安全技术还处于起步阶段,但是实际上过充电会涉及到很多环节,比如说通讯的地方,比如说充电机跟电动汽车对它的监管,再比如说充电的监控中心和车辆的运营监控中心,所以过充电安全是一个系统工程,各个环节都要起作用。当然最重要的是电池的管理系统。其实这两年随着电池管理系统技术的大幅提升,过充电事故出现的概率基本上比较小,实际上在充电末期或者充电结束的那段时间,出现事故的概率反而远高于过充电。

  另外一个就是快充,尤其是频繁快充,也有可能加剧电动汽车事故风险。大家看这是我们做的一个很简单的实验,电池在不同倍率充电的情况下,它不同部位的温升是不一样的,而且差异是非常明显的,即使能够快充,但是在这种大规模的充电情况下,它的发热量有可能聚集,对于电池的损害程度和它可能发生事故的某一点的缺陷累计速度是非常不一样的,这个也是需要我们关心的,也是我们需要努力解决的一个充电安全挑战。

  第二点是碰撞,对于电动汽车碰撞我们现在有正碰、侧碰、后碰,对于新鲜样品测试,我们更多关心的是在这个过程中电池的状态和人员的保护,这个都是考虑当时一瞬间的状态。而现在可能更需要我们关注的是日常生活中多次轻微的碰撞导致的缺陷叠加,以及这个过程中绝缘耐压和绝缘等级的变化。大家看,当一个新鲜的电池做IP等级的时候,电池放那没有任何的反应,也就是说它完全可以涉水,但是当他在路上行驶了很长时间以后,有可能经过若干次振动、涉水等情况,就有可能缺陷累计到一定程度,当再次涉水时,甚至正常使用时,就有可能直接起火或者爆炸,所以在使用过程中可靠性带来的潜在安全性是我们更应该关注的电动汽车对于安全和技术的挑战。

  接下来讲述一下消防安全,电动汽车跟传统车不一样的地方因为它不同型号的电池燃烧的差异性非常大,它还容易二次着火,这个就会让消防和救援非常困难。现在我有在牵头一个测试的国家项目,里面有一个专题就是不同情况下,汽车起火以后火灾的等级以及救援的措施,以及在空间和时间上,毒气和烟有可能的排放状态,希望从电动汽车的全生命周期安全的考评能够做这样的一些支撑。

  第三,说一下电池安全,除了刚才已经提到的充电过充电以及机械外力等以外,由于时间关系,这部分只简单说一下电池的热安全。我们来看看现有的电池技术条件下,我们面临什么样的挑战。首先看到的电池材料的体系带来的变化和挑战,从2015年到2018年这是我们看到的电池材料的体系变化,从LFP到三元,从333,到532,再到811,随着电池里面镍的含量的变化,电池发生热失控的可能性,产生的热量以及析氧量,都会是我们技术改善的挑战点。

  第二个挑战是电池容量,为了满足消费者对于长续航里程的需求,除了本身体系能量密度提升以外,大家就会追求把电池做的越大越好。这种情况下,大家就会感受到,当膜变薄,电极变厚以后,电池所承受的压力有多大,这种情况下我们就又面临着正负级材料的修饰、隔膜涂敷、电解液改性等技术的挑战。

  第三个挑战是电芯能量密度的变化,大家看我们实验室这几年测试结果的变化,可以看到,能量密度这几年的快速提升。我们也抽取了2016、2017、2018年市面上典型的12款国内外的产品进行了产热功率和能量密度关系的分析,大家看曲线,我们就可以想到,这又是我们面临的如何在能量密度提升的状态下,更好地改善其安全稳定性的挑战。

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  我们从业人员能做的工作就是什么?我们的挑战就是希望能够把发生安全事故的可能性无限地降低,趋近于零。但是趋近于零不等于零,现在的国家标准里面有一个热扩散的测试,热扩散的原则是什么?我们认为一个电池发生热失控的可能性永远存在,那存在的情况下我们就得允许它存在,但是存在以后一般一个点发生失控以后,我们要求车必须有一个警示的信号,在整个车或者电池系统热失控之前,能够给车上人员足够的逃生时间。这是目前一个热点话题,大家都在想办法去尽力提升它的热扩散阻断能力,现在有些企业他们有给我们展示一些成果,对于一些产品他们已经完全能够实现阻断,当单个截面热失控甚至着了以后,他可以让整个系统不着火,我们在外面是看不到这个火的,这是我们最希望看到的结果。

  对于整个电池系统来说,它的安全来说是一个系统工程,从材料的层面我们希望能够用到最安全的材料;对于电芯,我们需要知道它的安全性在哪个等级,它是相对安全的,不是绝对安全的,我们需要知道它相对安全的范围在哪里,同时我们要借助一个优质的BMS系统,把电芯用在相对安全的范围内,这样才能得到一个比较好的电池系统,这是我们每一个层级都要面临的技术提升挑战。

  最后做一个简单的小结,对于电动汽车来说,安全是根本,是一票否决的要求。电动汽车安全是一个系统工程,从电池材料到电池系统、再到整车,都应该有相应的安全要求和安全设计,都要有基本的要求。

  第二,要重视产品制造过程中质量控制水平的提升,也就是说产品的一致性和质量,这是非常重要的。比如说大家前几年听的比较多的,电池能量密度做到多少,你的车续航里程是多少,这个是一个单一的指标,那个时候大家最直观的感受就希望这个指标高,但实际上到了现在,我们有350万辆规模的情况下我们聚焦的不应该单单是某一个指标,而要考虑产品的品质能不能经得住市场的考验。现在我们正处于从政策引导到市场竞争的关键转变阶段,我们的企业是否能够存活,是否能够在市场中又核心竞争力,唯一的法宝,我想就是产品的品质。

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