寧德時(shí)代、比亞迪等企業(yè)的電池安全策略

時(shí)至夏季，新能源汽車又進(jìn)入起火高發(fā)期。一樁樁起火事件頻繁出現(xiàn)在媒體上、微信群里。

必須承認(rèn)，這些起火事故，很多都與動(dòng)力電池安全問題相關(guān)。而動(dòng)力電池安全問題不解決，新能源汽車就很難大規(guī)模普及。

6月18日，中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦了“2020年動(dòng)力電池安全分析與技術(shù)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)會(huì)議”，邀請(qǐng)行業(yè)人士共同探討動(dòng)力電池安全技術(shù)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步。
會(huì)議的參加者，包括近期因針刺測(cè)試而激烈辯論的比亞迪和寧德時(shí)代，還有一些在動(dòng)力電池安全上頗有探索的企業(yè)。《電動(dòng)汽車觀察家》整理了寧德時(shí)代、比亞迪、華霆?jiǎng)恿Α⒂盍侩姵卦谔嵘姵匕踩矫娴乃悸泛团e措，為行業(yè)人士提供參考。

1、寧德時(shí)代：四途徑提升電池安全性

寧德時(shí)代三元電池和磷酸鐵鋰雙線并舉。磷酸鐵鋰電池主要應(yīng)用商用車和儲(chǔ)能系統(tǒng)；乘用車方面則是三元和磷酸鐵鋰并舉。

寧德時(shí)代采取這個(gè)策略，主要是綜合考慮產(chǎn)品的具體用途和風(fēng)險(xiǎn)程度。 寧德時(shí)代高級(jí)工程師陳小波解釋道，因?yàn)榧冸妱?dòng)大巴因?yàn)閹щ娏看?，人員密集，短時(shí)間疏散難度大，因此采用磷酸鐵鋰路線較為穩(wěn)妥。乘用車實(shí)際應(yīng)用中帶電量相對(duì)較小、載人少，人員疏散相對(duì)容易。而且產(chǎn)品成熟度更高，防護(hù)更好，因此可以采用三元電池路線。

陳小波認(rèn)為，三元電池，一是可以滿足用戶對(duì)里程的需求；二是可以推動(dòng)電池技術(shù)進(jìn)步。“我們不能在磷酸鐵鋰技術(shù)路線上止步不前。”

此次研討會(huì)上，寧德時(shí)代著重強(qiáng)調(diào)了電池全生命周期的安全。

陳小波認(rèn)為，動(dòng)力電池安全是系統(tǒng)工程，對(duì)電池的安全防護(hù)應(yīng)該是全生命周期的。電池從開發(fā)設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造，到售后服務(wù)再到回收再生，都存在安全風(fēng)險(xiǎn)，要想辦法規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)。
陳小波將提升電池安全歸為四個(gè)路徑。

一是產(chǎn)品設(shè)計(jì)層面，提高安全閾值。電池包從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，就要做到防水、防火、防撞、防高壓漏電，同時(shí)做到高可靠性。

二是，注重制造過程的質(zhì)量與安全管控。在電芯生產(chǎn)層面，寧德時(shí)代有超過2600個(gè)品質(zhì)與安全控制因子。

三是，注重動(dòng)力電池全生命周期的安全性。陳小波認(rèn)為，電池全生命周期安全的防控重點(diǎn)各有特點(diǎn)：例如早期階段，需要注意軟硬件故障，以及工藝、生產(chǎn)層面的問題；中期階段需要關(guān)注偶然性失效問題，例如電芯的膨脹、低壓連接件的老化、低壓線束老化等。

最后，加強(qiáng)售后維護(hù)、安全預(yù)警與產(chǎn)品的報(bào)廢處理。陳小波建議，跟進(jìn)年檢制度，對(duì)電池包被磕碰、密封不良等情況進(jìn)行維護(hù)。陳小波還認(rèn)為，要善于利用大數(shù)據(jù)，基于后臺(tái)大數(shù)據(jù)分析，對(duì)有安全預(yù)警的電池進(jìn)行及時(shí)更換。此外，對(duì)超過服役期的電池，也要制定相關(guān)的報(bào)廢處理辦法。

陳小波反復(fù)提到電池的可靠性問題，尤其振動(dòng)后的防水問題，以及高壓連接件的可靠性問題。他認(rèn)為，這些都是在真實(shí)應(yīng)用過程中經(jīng)常會(huì)遇到的問題，值得重視。

當(dāng)然，陳小波認(rèn)為動(dòng)力電池發(fā)展也存在一些挑戰(zhàn)。

一是輕量化與安全之間的平衡。電池安全需要高強(qiáng)度防碰撞設(shè)計(jì)，以及防火、耐熱材料，同時(shí)滿足又輕又安全，需要開發(fā)更新型的材料。

二是有毒、可燃性煙氣與封閉空間的問題。電芯發(fā)生熱失控，會(huì)產(chǎn)生大量毒害煙氣。需要政策或規(guī)范明確，例如規(guī)定在一定時(shí)間內(nèi)防止煙氣進(jìn)入乘客艙。針對(duì)煙氣，需要開展氣體轟燃和毒性研究，以及制定有針對(duì)性的消防、緊急處理、人員疏散等措施。

2、比亞迪：打造七維四層安全矩陣

與寧德時(shí)代不同，比亞迪在思考安全問題時(shí)，采用的是對(duì)電池和失效模式進(jìn)行拆解的方式。

比亞迪考慮安全問題時(shí)，將電池分為四個(gè)層次，單體電芯、模組、電池包、系統(tǒng)；失效模式分為七個(gè)維度，連接可靠、高壓安全、機(jī)械安全、過充、外部過流、內(nèi)部短路和危險(xiǎn)氣體。

比亞迪弗迪電池安全技術(shù)部副經(jīng)理林文生認(rèn)為，大家一談到電池安全時(shí)，經(jīng)常說電池過充、內(nèi)短路或者高壓出問題，但這些都是零散的點(diǎn)。在思考電池安全時(shí)，要做到不漏過任何一個(gè)環(huán)節(jié)，需要對(duì)電池安全進(jìn)行系統(tǒng)化思考。

對(duì)于這些失效模式，比亞迪首先會(huì)分析這些失效模式能不能完全屏蔽掉；對(duì)于不能完全屏蔽掉的，必須要做到預(yù)警；即使完全失效，也要做到風(fēng)險(xiǎn)可控。

林文生介紹了比亞迪針對(duì)這些失效模式思考以及措施。 連接可靠性方面，失效形式主要是松動(dòng)或者局部斷裂，后果就是動(dòng)力中斷，或者局部發(fā)熱、拉弧甚至起火。要避免這一問題就要考慮連接設(shè)計(jì)，例如用全自動(dòng)焊接取代螺紋連接，保證連接的可靠性。

如果是不可能避免，下一步的設(shè)計(jì)就是監(jiān)測(cè)預(yù)警，例如進(jìn)行溫度和電壓監(jiān)測(cè)。

高壓安全方面，失效模式主要為漏電和高壓擊穿。對(duì)此，比亞迪從源頭上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先是高壓分段，維修的時(shí)候，可以通過一個(gè)主動(dòng)裝置將高壓降下來。防水層面，比亞迪采用IP67的防水等級(jí)，對(duì)進(jìn)水導(dǎo)致的漏電問題進(jìn)行屏蔽。

另一個(gè)重要的是絕緣設(shè)計(jì)，要考慮例如爬電距離、電氣間隙、單體外殼絕緣、銅排／動(dòng)力線絕緣設(shè)計(jì)以及線束絕緣設(shè)計(jì)等。除此之外，還要考慮如果發(fā)生其他危險(xiǎn)，對(duì)原有的絕緣設(shè)計(jì)造成次生的安全問題，也需要考慮。當(dāng)然還需要預(yù)警和監(jiān)測(cè)功能。

機(jī)械安全方面，比亞迪再細(xì)分分為結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)和電／熱安全設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)方面，比亞迪考慮整車對(duì)電池包的防護(hù)，對(duì)電池包進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)，采用高強(qiáng)度的鋁合金托盤、蜂窩結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)邊框，考慮單體耐變形能力。

電／熱安全設(shè)計(jì)方面。比亞迪考慮，當(dāng)電池被機(jī)械擠壓后，也會(huì)造成出很多次生問題，例如，擠壓后電芯發(fā)生短路怎么辦？有沒有一個(gè)斷開裝置？能不能自動(dòng)熔斷？有沒有防爆閥相關(guān)設(shè)計(jì)？這些都是在設(shè)計(jì)之初需要考慮周全的。

模塊方面還要考慮隔熱和絕緣設(shè)計(jì)。電池包層面則是傳感器方面的設(shè)計(jì)，例如傳感器斷電，能不能觸發(fā)觸發(fā)起斷開高壓？以及隔火隔熱的設(shè)計(jì)。

還要考慮過充問題。林文生認(rèn)為，電池過充的風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)相對(duì)較小，因?yàn)橛?a target="_blank">電池管理系統(tǒng)分級(jí)保護(hù)?！皢坞娦具^充從設(shè)計(jì)上沒有辦法屏蔽，主要看其過充的閾值在哪里，這是由電池材料決定的。”
外部過流方面，主要依靠匹配設(shè)計(jì)來規(guī)避。例如每個(gè)負(fù)載單獨(dú)配置保險(xiǎn)絲，高壓負(fù)載與保險(xiǎn)絲匹配等等。

內(nèi)部短路方面，包含的范圍比較廣。比亞迪這里主要指析鋰和異物兩類，他們認(rèn)為從設(shè)計(jì)上很難屏蔽，只能對(duì)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行控制。因?yàn)殡y以避免，風(fēng)險(xiǎn)防控更要做到位，需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)劃分，最終達(dá)到可控的目的。

最后是危險(xiǎn)氣體。林文生表示，電池包里危險(xiǎn)氣體的來源非常多，例如電解液，其本身就是可燃的，分解后產(chǎn)生的一氧化碳和甲烷乙烷都是可以燃燒的。主要措施就是防爆閥與CID（電流切斷裝置）匹配、安裝氣體探測(cè)裝置、氣體泄放裝置、低壓下屬方拉弧設(shè)計(jì)以及線束耐高溫設(shè)計(jì)等。

3、華霆?jiǎng)恿Γ横槍?duì)電芯失效模式進(jìn)行防控

作為一家電池系統(tǒng)集成商，對(duì)電芯品質(zhì)無可著手，華霆?jiǎng)恿Ω鼮殛P(guān)注的是電芯失效之后的防控。華霆?jiǎng)恿Υ舜翁接懙氖菆A柱電芯在非濫用情況下的熱失控控制問題。

他們的思路是將電芯的失效模式都找出來，并針對(duì)每一個(gè)失效模式進(jìn)行防護(hù)。用華霆?jiǎng)恿夹g(shù)有限公司董事長(zhǎng)周鵬的話說，“如果每個(gè)失效模式都是一道傷疤的話，我們就找到一個(gè)膏藥將其蓋住，就是做一些包覆?！?/p>

華霆?jiǎng)恿Φ摹胺涓C電池”模組

具體來說，就是將電芯的失效模式進(jìn)行量化，電芯在熱失控的情況下產(chǎn)生多少焓（編者：可初略理解為總熱能）。通過仿真方式，計(jì)算出模組內(nèi)部溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分布，并根據(jù)這些分布特點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)。
電池系統(tǒng)層面，則需要做到精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。事故發(fā)生后，熱管理系統(tǒng)可以做一些動(dòng)作來降低熱失控傳播的概率。

此外，華霆?jiǎng)恿€考慮車輛靜置的問題。車輛下電后，電池管理系統(tǒng)還應(yīng)具備熱失控主動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。“需要電池管理系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互，而且電流不能太大，否則車內(nèi)12V鉛酸電池很難支撐?！?

周鵬認(rèn)為，通過這一整套系統(tǒng)，可以有效的保證整個(gè)系統(tǒng)熱失控或者是熱蔓延的概率大幅降低。

4、宇量電池：用好熱失控后的煙氣

蘇州宇量電池有限公司董事長(zhǎng)毛煥宇也參加了會(huì)議。他主要探討，電芯熱失控之后到明火燒起來能否有5分鐘，或更長(zhǎng)時(shí)間來逃生。 在毛煥宇看來，電芯發(fā)生熱失控之后產(chǎn)生煙氣值得重視。目前電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的煙氣都是可燃的，只要有靜電或者火花，就會(huì)發(fā)生火災(zāi)。

“一般單顆18650電芯發(fā)生熱失控，如果電芯內(nèi)容物沖出受阻就會(huì)產(chǎn)生邊裂，將導(dǎo)致更多電芯熱失控產(chǎn)生大量煙氣?！?

但是如果煙氣不可燃的話，其存在也有好處。 毛煥宇解釋道，煙氣可以帶走90％以上的熱量，大大降低熱失控電芯本身的溫度，阻止熱失控也較為容易。電芯熱失控之后，大約40％的總質(zhì)量已經(jīng)噴射到煙氣里面去了，帶走了反應(yīng)物、產(chǎn)物以及熱量?！皣姵鑫锸撬械碾娊庖骸⒏裟?、粘結(jié)劑、部分石墨和鋁箔，只有一部分正極材料、銅箔及殼體留下來了?！?

毛煥宇認(rèn)為，不可燃的煙氣相對(duì)于火焰更容易逃生，而且臨近的物體、車輛、建筑物都不會(huì)被引燃。

宇量電池為此研發(fā)了一種化合物，具有隔熱、吸熱和滅火三大特點(diǎn)。該化合物可以有效改變氣體成分，將可燃的煙氣變?yōu)椴豢扇?，這樣就能給成員更多的逃生時(shí)間。

毛煥宇也透露，這種化合物的成本非常低，也極易獲取。

可以看到，寧德時(shí)代強(qiáng)調(diào)電池全生命周期的防護(hù)和監(jiān)控，針對(duì)各個(gè)時(shí)期可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行防護(hù)；比亞迪則是分層次對(duì)電池?zé)崾Э氐脑驓w類進(jìn)行分析防護(hù)；華霆?jiǎng)恿t是將電芯的失效模式進(jìn)行分析，針對(duì)每種模式在系統(tǒng)層面“打補(bǔ)丁”進(jìn)行防控；宇量電池則著重探討電芯熱失控后如何最大程度減少傷害，為乘員贏得逃跑的黃金“5分鐘”。

不同企業(yè)在提升電池安全方面各有特色，而且聽上去效果都很好。這些安全技術(shù)、策略，能否真正落實(shí)呢？

從中國新能源汽車過去十年的表現(xiàn)看，既存在“無知”的問題——對(duì)動(dòng)力電池及電動(dòng)汽車的安全研究不夠，防范方法缺失；又存在“知而不行”的問題，有的存僥幸心理，有的是從成本考慮，生產(chǎn)品控標(biāo)準(zhǔn)不嚴(yán)，安全防護(hù)“減配”。所以，中國才有這么多起火事件。

現(xiàn)在來看，中國動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)界似乎解決了“無知”的問題，那現(xiàn)在我們期待的，就是大家的行動(dòng)了。