動力電池系統(tǒng)構(gòu)成及所面臨安全風(fēng)險 - 全文

　　近年來，隨著電動汽車的快速發(fā)展，如何解決電動汽車所帶來的安全問題，又成為汽車行業(yè)的新的話題和難點。由于人們對新事物的認知有個過程，初期難免抱有懷疑和不信任的態(tài)度，所以任何一次有關(guān)電動汽車的安全事故，都會導(dǎo)致公眾對電動汽車安全性的疑慮進一步加深，阻礙電動汽車的發(fā)展和普及。

　　其實，傳統(tǒng)的燃油車由于碰撞或自燃所導(dǎo)致的車輛起火事故，每年在全球都會發(fā)生很多起，造成嚴(yán)重人員傷亡的也為數(shù)不少，并不會造成公眾的廣泛關(guān)注和質(zhì)疑。公眾之所以對電動汽車的安全事故這么敏感，除了電動車發(fā)生事故時，通常會伴有火、聲、光、煙霧等“特殊效果”，很重要的原因是出于對高能量載體“電池”的恐懼。手機電池起火爆炸，炸傷甚至炸死人的事情尚且有之，更何況那么巨大的電動汽車動力電池呢？

　　電動汽車（包括混合動力汽車）與傳統(tǒng)的燃油車有很多相同之處，又有一些不同之處。其運行工況、使用環(huán)境、車身結(jié)構(gòu)、內(nèi)外造型等基本沒有什么差異，最大的差別在于驅(qū)動方式和能量的來源。因為引入了電力驅(qū)動，所以就存在諸如“電擊”和“短路”之類的風(fēng)險，因為有高能量載體的存在，就存在能量瞬間釋放（顯然不是我們期望的）所造成的起火和爆炸風(fēng)險。因為化學(xué)電池本身的穩(wěn)定性問題，又會帶來許多超出人們“傳統(tǒng)”認知的風(fēng)險。

　　新生事物總是脆弱的，要經(jīng)受各種懷疑，更何況是與人身安全息息相關(guān)的車輛呢？愿意拿自己的生命做賭注，去嘗試和接受不可靠不安全產(chǎn)品的人，我想畢竟是少數(shù)吧。所以，不管是國家層面的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，還是企業(yè)層面的產(chǎn)品和技術(shù)研發(fā)，都必須做到以人為本，切實的解決產(chǎn)品的風(fēng)險和隱患，消除民眾的疑慮，從而推動新能源汽車的發(fā)展。我們，沒有任何理由拿不成熟不可靠的產(chǎn)品，來忽悠公眾和消費者，為企業(yè)或個人的私利服務(wù)。下文將從動力電池的各項參數(shù)詳細解析動力電池的安全要素。

　　一、動力電池系統(tǒng)的構(gòu)成

　　作為電動汽車的動力來源，或動力來源之一，動力電池系統(tǒng)通常由電芯（Cell）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、冷卻系統(tǒng)（Coolingsystem）、線束（Harness）、外殼（Housing）、結(jié)構(gòu)件（mechanicalparts）等相關(guān)組建構(gòu)成，如下圖所示：

　　可以看出，動力電池系統(tǒng)的構(gòu)成還是相當(dāng)復(fù)雜的，既有電芯這類化學(xué)物體，也有復(fù)雜的電子電氣系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，還有傳統(tǒng)的各類機械部件，涉及到的專業(yè)種類非常的多，加上惡劣的運行環(huán)境，所面臨的安全風(fēng)險也很廣泛。

　　二、動力電池系統(tǒng)所面臨的安全風(fēng)險

　　動力電池系統(tǒng)所面臨的安全風(fēng)險，主要與其內(nèi)部部件的特性和外部的使用和運行環(huán)境相關(guān)，構(gòu)成了產(chǎn)品安全設(shè)計的主要挑戰(zhàn)。

　　1）電芯會不會起火爆炸？

　　動力電池系統(tǒng)所采用的電芯，其能量密度非常高，以磷酸鐵鋰電芯為例，能量密度可達120Wh/kg，換算成焦耳，1千克的磷酸鐵鋰電芯含有 120×3600焦耳=0.43MJ。那么TNT炸藥釋放的能量有多少呢？1克TNT炸藥可釋放4184焦耳的能量，換算下來，1千克的磷酸鐵鋰電芯蘊含的能量相當(dāng)于103克的TNT炸藥。

　　一輛純電動汽車，其使用的電芯通常重達幾百公斤，以100公斤電芯計算，總能量就相當(dāng)于10公斤TNT炸藥。換著是誰，心里都會發(fā)毛，這東西會不會不穩(wěn)定，會不會起火，甚至爆炸啊？

　　2）會不會產(chǎn)生電擊事故？

　　為了提升整車的驅(qū)動效率，動力電池的直流輸出電壓通常都在100V以上，有時高達400V以上，有一定電氣常識的人都知道，直流電壓超過60V，就是危險電壓。

　　每年，因為電器、電線、電力設(shè)備等漏電所造成的電擊事故，都會發(fā)生很多，也經(jīng)常見諸媒體。我小的時候就被裸露的220V電線電擊過，那種滋味永生難忘。那么，人們也有理由疑慮，電動汽車?yán)锩娴?a href="http://ttokpm.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓帶電部件，會不會漏電，并進而造成電擊事故？

　　3）能不能經(jīng)受各種惡劣的環(huán)境？

　　車輛的運行和使用環(huán)境非常復(fù)雜，既要經(jīng)受高溫高濕的考驗，也有高原高寒的折磨，有平坦的鋪裝里面，也有崎嶇不平的非鋪裝路面，既有極其干燥的地區(qū)，也有需要經(jīng)常涉水的地方。

　　車輛在行駛過程中，要經(jīng)歷高低溫的循環(huán)考驗，要經(jīng)歷沿海的腐蝕性氣候，要經(jīng)歷暴雨洗禮和大水浸泡，要經(jīng)受各種沖擊、振動、跌落、甚至碰撞和翻滾。那么，在這些客觀的環(huán)境面前，動力電池系統(tǒng)能夠經(jīng)受考驗，不產(chǎn)生嚴(yán)重的安全風(fēng)險嗎？

　　4）能不能經(jīng)受各種濫用？

　　當(dāng)產(chǎn)品銷量足夠大的時候，產(chǎn)品的使用，總有超過規(guī)定極限的情況或一些意外的情況，這是不可避免的。以手機為例，當(dāng)充電保護失效的時候，手機電池可能因為過充而起火或爆炸。如果手機電池被尖利的金屬穿刺，也有可能發(fā)生爆炸。

　　那么，電動汽車的動力電池系統(tǒng)能夠經(jīng)受類似的濫用考驗，不造成安全事故嗎？這些濫用的情況，既有人為造成的，也有客觀環(huán)境造成的。

　　5）電池管理系統(tǒng)失效了怎么辦？

　　動力電池系統(tǒng)有一套復(fù)雜的管理和控制系統(tǒng)，時刻采集整個動力電池包的各種運行參數(shù)，進行計算、診斷、通信和開關(guān)控制。系統(tǒng)越智能化，當(dāng)其發(fā)生故障時，后果也就越嚴(yán)重。

　　舉個例子，如果動力電池包內(nèi)部的某個電芯過熱，熱管理系統(tǒng)失效，電芯存在熱失控的風(fēng)險，而這個時候的溫度傳感器壞了怎么辦？軟件程序不能正常判斷并下發(fā)切斷指令怎么辦？又或者本該執(zhí)行斷開動作的開關(guān)，不能正常的斷開怎么辦？風(fēng)險是否會蔓延，并造成嚴(yán)重的安全事故？

　　三、動力電池安全設(shè)計的目標(biāo)

　　動力電池系統(tǒng)的安全設(shè)計，基本上圍繞以上提到的內(nèi)部組件構(gòu)成和可能發(fā)生的安全風(fēng)險展開，確定合理的目標(biāo)和框架，指導(dǎo)具體的產(chǎn)品開發(fā)工作。

　　1）化學(xué)安全

　　電芯發(fā)生熱失控，可能會產(chǎn)生電解液泄漏、起火和燃燒等現(xiàn)象，但其破壞力是遠遠不能與炸藥相比的。炸藥爆炸時，能量在極短的時間內(nèi)釋放出來，所以威力巨大，而電芯的熱失控，其能量的釋放是一個漸進的過程，加上電動汽車的電池包是由很多個電芯串并聯(lián)組成的，通常僅有1個或幾個電芯發(fā)生故障，有足夠的預(yù)警和處置時間。

　　針對電芯而言，如何確保各種運行條件和使用情況下的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，確保不產(chǎn)生安全風(fēng)險，這是必須要考慮和解決的問題。需要考慮的情況包括：

　　額定范圍內(nèi)的正常工況；

　　長距離運輸和長時間存儲；

　　極端情況，如針對電芯的過充、過放、擠壓、穿刺、火燒等；

　　在各種情況下，都要為電芯的安全性確定合理的設(shè)計目標(biāo)，貫穿到電芯的開發(fā)過程中。

　　針對動力電池系統(tǒng)的其他組件而言，化學(xué)安全還涉及到電解液或冷卻液泄漏所導(dǎo)致的化學(xué)腐蝕（有可能造成內(nèi)部短路）、鹽霧腐蝕、阻燃、和有害氣體排放等。

　　2）電氣安全

　　針對動力電池包內(nèi)部的電子電氣系統(tǒng)而言，電氣安全是首要考慮的因素，各種與“電”有關(guān)的安全風(fēng)險，都必須考慮到。

　　3）功能安全

　　功能安全是針對電池管理系統(tǒng)（BMS）而言的，要確保電池管理系統(tǒng)在任何一個隨機故障、系統(tǒng)故障或共因失效下，都不會導(dǎo)致安全系統(tǒng)的故障，從而引起人員的傷亡、環(huán)境的破壞、設(shè)備財產(chǎn)的損失；也就是BMS的安全保護功能無論在正常情況下或者有特定故障存在的情況下都應(yīng)確保正常發(fā)揮作用。

　　上面舉過1個例子，如果溫度檢測功能失效，那么是否有機制可以確保動力電池系統(tǒng)不會發(fā)生過熱或熱失控風(fēng)險，這就是功能安全要解決的問題。

　　為了確保BMS達到一定功能安全等級，必須以電氣/電子/可編程電子為基礎(chǔ)，結(jié)合系統(tǒng)中的其他技術(shù)，充分考慮系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，對影響安全功能發(fā)揮作用的危害進行有效識別，從而制定合理的安全目標(biāo)，將安全目標(biāo)進行層層分解后，得到安全需求，落實/分配到系統(tǒng)中的每個組件。

　　與功能安全有關(guān)的內(nèi)容，不在此處詳述，汽車行業(yè)有針對功能安全的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO26262，并已得到各大國外車企的實施和應(yīng)用。國內(nèi)針對功能安全的國標(biāo)《道路車輛功能安全》，也正在積極的制定中，預(yù)計2016年會正式頒布，本人也參與了該標(biāo)準(zhǔn)的研討和制定工作。

　　四、重要參考標(biāo)準(zhǔn)

　　以下給出一些與動力電池系統(tǒng)相關(guān)的國際和國內(nèi)安全標(biāo)準(zhǔn)，供大家參考，這些標(biāo)準(zhǔn)并非全部，僅做拋磚引玉，希望大家一起學(xué)習(xí)，共同進步，攜手推動電動汽車的發(fā)展和普及，做有責(zé)任感的社會公民。

　　五、安全性之于汽車

　　由于汽車產(chǎn)品的特性，如載人、高速運行、運行環(huán)境復(fù)雜等，安全性是整車及零部件設(shè)計的基本要素，在設(shè)計工作當(dāng)中具有舉足輕重的地位。在一些歐美的車企，與整車安全方面相關(guān)的指標(biāo)，通常是不允許妥協(xié)和折中的。就中國的汽車行業(yè)而言，隨著人民生活水平的提高，消費者越來越趨向理智，國家的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的也在不斷完善，汽車產(chǎn)品的安全性能正逐步提升，不斷縮小與國外的差距。

　　汽車的安全性設(shè)計，主要是為了避免車輛事故的發(fā)生，或者是在事故發(fā)生時 /發(fā)生后，盡可能的降低人員和財產(chǎn)損失，保障乘客和行人的相對安全。汽車的安全性設(shè)計，也經(jīng)歷了從最初的被動安全設(shè)計到主動安全設(shè)計不斷演變的過程。眾所周知的安全帶、安全氣囊就是典型的被動安全裝置，車輛內(nèi)部類似的被動安全設(shè)計還有高強度車身、安全玻璃、安全頭枕、潰縮式方向盤、防鞭打座椅、防撞鋼梁、軟性內(nèi)飾、潰縮吸能等。

　　隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，如何主動介入安全控制，避免安全事故的發(fā)生，降低安全風(fēng)險，已經(jīng)成為汽車產(chǎn)品設(shè)計的一大主要方向，相關(guān)的主動安全技術(shù)有ABS（制動防抱死系統(tǒng)）、EBD（電子制動力分配）、TPMS（胎壓監(jiān)控）、ESP（車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）、ASR（驅(qū)動防滑裝置）、TRC（牽引力控制系統(tǒng)）、LDWS（車道偏離預(yù)警系統(tǒng)）、HDC（陡坡緩降系統(tǒng)）、FCWS（前碰撞預(yù)警系統(tǒng)）、HUD（抬頭顯示）、 LNVS（夜視系統(tǒng)）、AFS（自適合轉(zhuǎn)向大燈）等。這些主動和被動安全技術(shù)，確保汽車產(chǎn)品在快速發(fā)展的同時，仍然具有足夠的安全性，為乘客及行人的生命安全保駕護航。

　　各個國家和地區(qū)，在相關(guān)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、和檢測方面，也在不斷努力完善，以應(yīng)對越來越復(fù)雜的產(chǎn)品和市場環(huán)境。如美國從 1967年實施FMVSS（聯(lián)邦汽車安全標(biāo)準(zhǔn)），經(jīng)過不斷修改和完善，內(nèi)容越來越嚴(yán)格，涵蓋主動安全、被動安全、防止火災(zāi)、及其他各項要求超過60項。 IIHS（美國公路安全保險協(xié)會），是世界上最權(quán)威也是標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)格的第三方安全測機構(gòu)，每年都會進行許多在美國銷售車輛的碰撞測試，其測試結(jié)果直接與車輛保險費率掛鉤。IIHS一般只選擇某車型的最低配置進行測試，測試結(jié)果更具有公正性和權(quán)威性，確保不同廠家的車型都在一個起跑線進行測試。

　　歐盟的ECE汽車技術(shù)法規(guī)，自1958年制定以來，經(jīng)不斷修改和補充，至今已形成128項的完善體系，其中涉及機動車及其部件安全的法規(guī)達92項。E- NCAP（歐洲新車安全評鑒協(xié)會）是目前汽車行業(yè)最具權(quán)威的安全測試機構(gòu)，創(chuàng)始于1997年，由歐洲五個國家的政府倡導(dǎo)而生。凡在歐洲銷售之新車，均需將銷售之車型提供送至E-NCAP認證中心進行安全認證測試，通過E-NCAP專業(yè)且嚴(yán)格的安全評鑒。E-NCAP官網(wǎng)會公布汽車制造商在歐洲預(yù)售車型的測試結(jié)果，以此作為歐洲消費者購車選擇上的參考依據(jù)。

　　我國的汽車安全法規(guī)體系起步較晚，主要參照歐洲的法規(guī)體系，形成了以ECE/EC法規(guī)為基礎(chǔ)的汽車強制性國家標(biāo)準(zhǔn)體系。目前已制定強制性汽車安全標(biāo)準(zhǔn)76項，推薦性汽車安全標(biāo)準(zhǔn)126項。中國汽車技術(shù)研究中心在參照IIHS、J- NCAP、E-NCAP的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國的汽車標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、道路交通實際情況和車型特征，并進行廣泛的國內(nèi)外技術(shù)交流和實際試驗確定了C-NCAP的試驗和評分規(guī)則。C-NCAP（中國新車評價規(guī)程）是將在市場上購買的新車型進行碰撞安全性能測試，評價結(jié)果按星級劃分并公開發(fā)布。姑且不論C-NCAP的標(biāo)準(zhǔn)是否嚴(yán)格，測試章程是否完善，測試結(jié)果是否公正，客觀上C-NCAP測試還是推動了國內(nèi)各車企重視汽車產(chǎn)品的安全性，促進企業(yè)按照更高的安全標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)和生產(chǎn)，從而有效減少道路交通事故的傷害及損失。

　　六、近年來影響較大的電動汽車起火事故

　　傳統(tǒng)的燃油車，經(jīng)過100多年的發(fā)展，有了豐富的積累和沉淀，仍然談不上多么的安全。因為舊的問題解決了，新的問題又會出來，產(chǎn)品功能越來越豐富，技術(shù)復(fù)雜度越來越高，運行環(huán)境越來越復(fù)雜，也意味著產(chǎn)品的安全性風(fēng)險也隨之增多，所以“矛”和“盾”是一對孿生兄弟，永遠相伴而行。

　　近年來，隨著電動汽車的快速發(fā)展，如何解決電動汽車所帶來的安全問題，又成為汽車行業(yè)的新的話題和難點。由于人們對新事物的認知有個過程，初期難免抱有懷疑和不信任的態(tài)度，所以任何一次有關(guān)電動汽車的安全事故，都會導(dǎo)致公眾對電動汽車安全性的疑慮進一步加深，阻礙電動汽車的發(fā)展和普及。