新能源汽车整车三元锂电池PACK热失控不起火试验成功的意义
- 张小贤_
- 0浏览 · 2020-08-11 11:04
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很多人对新能源汽车最核心的 “电池”及其相关技术仍然知之甚少，今天借着赛力斯SF5整车三元锂电PACK不起火试验成功的契机，跟大家一起对电动车电池进行一个深入剖析。目前市面上主流的电池可以分为三大类：一种是NCM三元锂电池（代表生产厂商“宁德时代”），另一种是NCA三元锂电池（代表生产厂商“松下”），最后一种是磷酸铁锂电池（代表生产厂商“比亚迪”）。其实，NCM和NCA三元锂电池可以归为一类，市面上大部分车型都基本搭载这种电池。三元锂电池有一个显著的特点就是：电池能量密度高。因此最直观的效果就是拥有更长的续航表现，但同时遇高温相对不稳定。
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一、新能源车自燃频发，电池安全引重视
随着新能源市场的快速崛起，电动车自燃事件时有发生，2019年5月份，一个月内，国内外先后发生3起特斯拉自燃事故，2起ES8自燃事故，同期还有新上市的吉利星越PHEV车型也发生了一起自燃事故，这使得新能源汽车自燃成为了人们关注的焦点，也引发了不少新能源车主的恐慌。新能源汽车自燃原因大致可分为两大点：电路和电池，如果是混动车型当然还有可能是油路引起的；新能源汽车最特殊的自燃源就是电池，电池安全性也是社会最关注的。
作为新能源汽车三大核心零部件之一，动力电池不仅占据整车40%左右的成本，其性能也直接决定了整车的安全性和续航里程。
那么，新能源汽车动力电池存在哪些安全隐患，又如何来防范？动力电池事故原因有哪些？从国家市场监督管理总局缺陷产品管理中心公布的汽车召回信息来看，2018-2019年中国新能源汽车召回事件共有20起，涉及到13家企业，总共16.5万辆新能源汽车。如果仔细分析一下召回的原因，包括制动助力真空泵、安全气囊、半轴、动力电池、电机电控等。其中动力电池的召回为6%左右，电机电控、动力总成、动力传动系统占4%左右。虽然动力电池召回量并不大，但考虑到动力电池事故往往带来较大影响，因此有必要分析一下其原因。从过去两年内有记录的4次动力电池召回来看，召回原因分别是：电池偶发质量问题，导致可能发生热失控；电芯一致性不佳，长时间、高电量存放时有漏液和短路风险引发热失控；模组内电压采样线束走样不当，可能被挤压，极端情况导致绝缘层磨损从而引起热失控；电池包电气部件生产波动，可能局部过热引发热失控。这几起召回事件的一个共同点是：动力电池有发生热失控的风险。热失控的最大隐患在于，可能会引起车辆起火。
有关统计数据显示，2011-2019年，全球新能源汽车起火事件有127起，涉及38家品牌48种车型，分布于全球40座城市，其中中国发生153起，欧洲29起，北美38起。从这些事故车辆的类型来看，纯电动车型的占比最大，达70%以上，混动车型占17%。而车辆起火时的状态分别是：行驶中（41%）、停放中（29%）；充电中（19%）。具体到电池类型的话，三元锂电池（61%）、磷酸铁锂电池（22%）；圆柱电池（44%）、方形电池（23%）、软包电池（6%）。通常热失控最直接的原因是短路。短路会让电池内部形成一个高电流回路，其直接结果是电池包迅速过热，然后起火爆炸。还有一部分是外部火烧或者是过充引起的热失控。具体来说碰撞、部件故障、结构设计等问题是引起事故的主要诱因。
作为新能源汽车三大核心零部件之一，动力电池不仅占据整车40%左右的成本，其性能也直接决定了整车的安全性和续航里程。
那么，新能源汽车动力电池存在哪些安全隐患，又如何来防范？动力电池事故原因有哪些？从国家市场监督管理总局缺陷产品管理中心公布的汽车召回信息来看，2018-2019年中国新能源汽车召回事件共有20起，涉及到13家企业，总共16.5万辆新能源汽车。如果仔细分析一下召回的原因，包括制动助力真空泵、安全气囊、半轴、动力电池、电机电控等。其中动力电池的召回为6%左右，电机电控、动力总成、动力传动系统占4%左右。虽然动力电池召回量并不大，但考虑到动力电池事故往往带来较大影响，因此有必要分析一下其原因。从过去两年内有记录的4次动力电池召回来看，召回原因分别是：电池偶发质量问题，导致可能发生热失控；电芯一致性不佳，长时间、高电量存放时有漏液和短路风险引发热失控；模组内电压采样线束走样不当，可能被挤压，极端情况导致绝缘层磨损从而引起热失控；电池包电气部件生产波动，可能局部过热引发热失控。这几起召回事件的一个共同点是：动力电池有发生热失控的风险。热失控的最大隐患在于，可能会引起车辆起火。
有关统计数据显示，2011-2019年，全球新能源汽车起火事件有127起，涉及38家品牌48种车型，分布于全球40座城市，其中中国发生153起，欧洲29起，北美38起。从这些事故车辆的类型来看，纯电动车型的占比最大，达70%以上，混动车型占17%。而车辆起火时的状态分别是：行驶中（41%）、停放中（29%）；充电中（19%）。具体到电池类型的话，三元锂电池（61%）、磷酸铁锂电池（22%）；圆柱电池（44%）、方形电池（23%）、软包电池（6%）。通常热失控最直接的原因是短路。短路会让电池内部形成一个高电流回路，其直接结果是电池包迅速过热，然后起火爆炸。还有一部分是外部火烧或者是过充引起的热失控。具体来说碰撞、部件故障、结构设计等问题是引起事故的主要诱因。
二、新能源电池测试标准
围绕电动汽车产业，国家曾出台过一系列检测标准，动力电池明年必须通过的21个测试,分为单电池和电池包/系统。单电池有6个安全测试，电池包有15个安全测试。
单体电池安全试验，要求：无火灾、无爆炸。
1、过放电：在1小时内将电池的额定容量电流放电，放电1.5小时后，观察蓄电池。
2、过充电，以1/3额定充电电流的恒定电流，将电池充电至充电终止电压的1.1倍或115%，持续1小时，观察电池。
3、外部短路，将单个蓄电池的正负极与外部导线连接10分钟，然后观察蓄电池。
4、加热锂离子电池，将电池放入温度箱中，以5℃/min的速度升温至130℃，保持30分钟。镍氢电池，以5℃/min的速度升温至85℃，保持30分钟。
5、温度循环，将电池放入负40℃至85℃的温度箱中8小时，循环5次。
6、将半径为75mm，朝垂直于电池朝正负极的半圆柱以小于2mm/s的朝向下挤压，当电池电压为零时，或变形达到15%，或挤压力达到100kN，或挤压力达到1000倍于电池重量，挤压停止并保持10分钟。
电池包安全测试共有15项：振动、机械冲击、模拟碰撞、挤压、湿热循环、浸没、热稳定性（外部火灾、热扩散、乘员保护、热失控波及必须在乘员舱前5分钟发出警报信号）、温度冲击、盐雾、高海拔，过温保护、过流保护、外部短路保护、过充电保护、过放电保护。
1、安全永远是汽车最重要的考量。和燃油车一样，电动车整车和零部件在设计和制造环节都经历了严谨的测试和验证，电池也不例外
2、动力电池的21项国家标准，针对电芯、模组、电池包，项项如特技表演，异常严苛
3、车厂和电池厂商对电池测试的要求比国标更高
电池安全设计
首先，除了日常的安全使用外，动力电池设计还考虑了碰撞、着火、防水、极端温度等情况，以应对突发情况的发生。
举例，方形电池制造基本流程，每阶段都经历设计、测试、验证方面的安全考量举几个常见的极端情况的例子:
碰撞：在发生碰撞或拖底时，电池受到外力挤压能及时排出内部产生的气体和压力，为此，方形电芯设计了防爆阀。同时，铝制或钢制的电池底壳也在设计时专门留有一定的溃缩量，碰撞时通过内、外部共同疏导，在极端情况时保护车辆和电池的安全
防水：有些人担心电动车遇到大雨或驶过积水路段担心电池不防水？其实动力电池和很多手机一样，防水设计最高可达IP68的级别。（这两个数字代表了防水、防尘最高的级别，相当于能在1米深的水中放置24个小时，所以大家总能看到某些厂商“把动力电池泡在水里”的演示）
极端温度：有些人担心电动车电池像燃油车一样在冬天抛锚、夏天开锅（不太可能）。电池里有个专门负责调度的单元，叫电池管理系统BMS（Battery Management System），在工作时会和热管理系统一起调节电池温度，热了散热，冷了加温，确保工作温度
以上，都是车厂从电池设计角度考虑安全的例子，这样的例子其实还有很多很多。
除了这些，车厂还不断通过计算机辅助设计、模拟仿真等技术，强化、提升电池安全。
各大车厂竭尽所能、未雨绸缪反复测试电池在未来将遇到的安全隐患，国标仅仅是一个基本的标准，顶级厂商的测试更加严苛、复杂。
单体电池安全试验，要求：无火灾、无爆炸。
1、过放电：在1小时内将电池的额定容量电流放电，放电1.5小时后，观察蓄电池。
2、过充电，以1/3额定充电电流的恒定电流，将电池充电至充电终止电压的1.1倍或115%，持续1小时，观察电池。
3、外部短路，将单个蓄电池的正负极与外部导线连接10分钟，然后观察蓄电池。
4、加热锂离子电池，将电池放入温度箱中，以5℃/min的速度升温至130℃，保持30分钟。镍氢电池，以5℃/min的速度升温至85℃，保持30分钟。
5、温度循环，将电池放入负40℃至85℃的温度箱中8小时，循环5次。
6、将半径为75mm，朝垂直于电池朝正负极的半圆柱以小于2mm/s的朝向下挤压，当电池电压为零时，或变形达到15%，或挤压力达到100kN，或挤压力达到1000倍于电池重量，挤压停止并保持10分钟。
电池包安全测试共有15项：振动、机械冲击、模拟碰撞、挤压、湿热循环、浸没、热稳定性（外部火灾、热扩散、乘员保护、热失控波及必须在乘员舱前5分钟发出警报信号）、温度冲击、盐雾、高海拔，过温保护、过流保护、外部短路保护、过充电保护、过放电保护。
1、安全永远是汽车最重要的考量。和燃油车一样，电动车整车和零部件在设计和制造环节都经历了严谨的测试和验证，电池也不例外
2、动力电池的21项国家标准，针对电芯、模组、电池包，项项如特技表演，异常严苛
3、车厂和电池厂商对电池测试的要求比国标更高
电池安全设计
首先，除了日常的安全使用外，动力电池设计还考虑了碰撞、着火、防水、极端温度等情况，以应对突发情况的发生。
举例，方形电池制造基本流程，每阶段都经历设计、测试、验证方面的安全考量举几个常见的极端情况的例子:
碰撞：在发生碰撞或拖底时，电池受到外力挤压能及时排出内部产生的气体和压力，为此，方形电芯设计了防爆阀。同时，铝制或钢制的电池底壳也在设计时专门留有一定的溃缩量，碰撞时通过内、外部共同疏导，在极端情况时保护车辆和电池的安全
防水：有些人担心电动车遇到大雨或驶过积水路段担心电池不防水？其实动力电池和很多手机一样，防水设计最高可达IP68的级别。（这两个数字代表了防水、防尘最高的级别，相当于能在1米深的水中放置24个小时，所以大家总能看到某些厂商“把动力电池泡在水里”的演示）
极端温度：有些人担心电动车电池像燃油车一样在冬天抛锚、夏天开锅（不太可能）。电池里有个专门负责调度的单元，叫电池管理系统BMS（Battery Management System），在工作时会和热管理系统一起调节电池温度，热了散热，冷了加温，确保工作温度
以上，都是车厂从电池设计角度考虑安全的例子，这样的例子其实还有很多很多。
除了这些，车厂还不断通过计算机辅助设计、模拟仿真等技术，强化、提升电池安全。
各大车厂竭尽所能、未雨绸缪反复测试电池在未来将遇到的安全隐患，国标仅仅是一个基本的标准，顶级厂商的测试更加严苛、复杂。
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三、比亚迪推出刀片电池
今年3月底，比亚迪推出了全新技术的刀片电池，具有更高的安全性，比亚迪集团董事长兼总裁***表示，刀片电池将永远不存在“自燃”的痛点。“刀片电池”通过结构创新，在成组时可以跳过“模组”，大幅提高了体积利用率，最终达成在同样的空间内装入更多电芯的设计目标。相较传统电池包，“刀片电池”的体积利用率提升了50%以上，也就是说续航里程可提升50%以上，达到了高能量密度三元锂电池的同等水平。
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四、赛力斯SF5整车级三元锂电池包热失控试验成功
7月27日，金康动力三电工程中心PACK部在两江工厂室外试验场开展了整车级电池包热失控试验。试验通过1000W加热片强制加热电池包内部电芯，触发热失控，随后金康动力研发的电池包热安全五级防护系统成功阻断热失控扩散，试验及监测时间持续约6小时，全过程未出现明火、爆炸现象，试验取得了圆满成功。
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目前现有技术水平很难从电芯层面保证不发生热失控，金康动力PACK团队通过分析电池包热失控后电芯起火的原因，开发了电池包热失控防护技术，通过阻断单电芯热失控后进一步热扩散，从而达到电池包热失控不起火目的。团队经过七个月的努力，解决方案一次又一次迭代，问题点克服一个又一个，开展零部件级、电池包级试验100多次，最终成功开发出电池包热安全五级防护系统，包含监控、预警、排气、隔热、降温，五级措施环环相扣，实现三元锂电池热失控扩展模组内切断、不起火。
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试验的成功填补了行业内电池包热失控防护技术的空白，成为业内首家开展整车级热失控试验的企业，进一步提高了金康动力产品竞争力，铸造了超高安全的赛力斯SF5!
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据悉，赛力斯SF5运动高性能版已于近日在成都车展上市，由“重庆标杆、中国领先、世界一流”的重庆金康两江智能工厂进行生产制造，该工厂生产线引进大量全球顶级装备开发商和系统集成商，以工业4.0为制造标准，保障赛力斯SF5制造品质标准。赛力斯SF5在三电安全防护层面，拥有独特的电池包双重保护设计，既做到了电池包总量小，也同步减少了电池故障概率，同时具有TOP级车身结构、潜艇级电池防护、40余项主被动安全和全球500万公里品质验证，为用户的安全出行提供全方位保障。
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综上，从设计、选材、验证、测试、生产到装配、使用、循环利用，电池的一生都经历着各种安全考验。电池安全是电动车安全的重要指标，只有通过最高标准设计、测试、制造的电池，才称得上安全。
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