前不久特斯拉在地库发作自燃的新闻引起极大颤动,而之后蔚来ES8、比亚迪e5也相继爆出自燃事端,使电动车的展开蒙上暗影。电动车或者说锂电池真的那么不安全吗?

抛开概率谈安全都是耍流氓,电动车究竟是新生事物,统计数据尚不满足,一些个案并不可以彻底代表整个电动车集体的安全性。因而这篇讲堂仅仅为咱们科普一下锂电池或许存在的安全危险以及为了防备这些危险,车企、职业、国家都做了哪些尽力。

☆和汽油相同,锂电池本身是易燃品

三元锂电池的粘结剂、导电剂、电极活性物质的燃点较低,操作不其时极易被点燃,发作热失控后热解气体的爆破极限规模比常见烃类气体还要大,而且单节锂电池热失控的气体开释量就能到达爆破下限,然后发作剧烈的焚烧爆破。

三元锂电池热失控之后热量开释快,1分钟内就可开释锂电池内部70%的能量,火焰温度高或是迅猛,且电池单体构成的火焰会从正极喷发然后导致周围电池失控发作连锁反响,致使火灾发作后敏捷进入强烈焚烧阶段。高达800℃以上的火焰(惯例汽油车约为400℃)极易点燃轿车内饰或其他零部件,且电池平铺在车辆底盘,散布广、影响也就大。

锂电池电解液大多是碳酸二乙酯、乙醚、碳酸丙烯酯等沸点较低的可燃有机溶剂,高温下易挥发构成多种甲苯、苯乙烯、一氧化碳、氟化氢等有毒有害气体。

特斯拉的电池包便是由7000多节圆柱电芯串并联组合而成

三元锂电池的焚烧救活困难,锂电池热失控时一般伴有很多白烟、温度高、能见度低且有很多腐蚀性气体发作,使消防人员展开救活作业发作困难。而且由于电池内部组分供给了可燃物和氧化剂,干粉、泡沫等惯例救活剂根本不可以平息电池着火。很多的水尽管可以冷却电池系统起到必定的救活效果,但在电池壳体发作损坏的状况下,电池内生动的金属铝遇水焚烧,反而或许加大火势甚至引起爆破。在文献研讨中有说到可选用亚纳米级固相微粒和惰性气体混合物的气溶胶作为救活剂。但……这并不惯例。

所以咱们看到,特斯拉在地下车库内着火之后,只能等候车辆彻底烧完,而没办法施以有用的救活手法,而且还需求封闭车库,防止人员榜首时刻进入构成中毒。

☆易燃不代表危险,汽油也易燃,失控才是

上边频频提起的一个词是热失控,这是锂电池发作自燃、危险的首要原因。热失控是指电池运用过程中发作的热量无法散出,温度反常升高反而导致电池内部反响愈加剧烈,放出更多的热,两相促进终究导致焚烧或爆破。

比方这张图:某NCM电池负极(资料为钛酸锂)的温度与放热曲线。正常的锂电池在运用过程中BMS应该将电池温度操控在合理规模内。但假如电动车的热办理规划欠好,可以看到,跟着电池温度的上升,电池内部自行发作了多个放热峰值,80摄氏度左右SEI膜开端溶解,发作很多的热,随后温度继续上升135℃左右间隔开端溶解,正负极短路,温度急剧上升到200℃左右,正负极资料与电解液开端反响,放热量极大电池爆燃。

锂电池的作业原理

在温度到达必定的阈值之前,过高的温度尽管会导致电池的损坏,但并不是彻底丧命的,假如电池安全机制规划杰出,还有时机限制温度,但到了某个阈值,构成了链式反响,那爆燃就不可防止了。(各个温度节点随锂电池资料工艺不同会有差异,比方三元锂电池的热失控温度在190℃左右,而磷酸铁锂的热失控温度在230℃左右)

因而,磷酸铁锂电池相对会比三元锂电池愈加安全,而另一边,尽管都是易燃易爆品,但汽油的潜在危险程度在经过了轿车百多年来的展开,也现已降的比仍是新生事物的锂电池更低,这一点不可否认。

☆是什么导致了热失控

可是,失控并不是那么容易发作的。为什么会发作热失控?有电池的内因(自发的),也有外因。什么叫内因,那便是你正常运用,不磕不碰不犯错,电池内部自己不可思议短路自燃了。只要是可以经过国家规范查验的产品,这个概率是其实是很低的。

内因受资料和工艺影响。磷酸铁锂就比三元锂安全,由于它的热失控温度更高(三元190℃,磷酸铁锂230℃),出问题的概率也就低。但现在来看,比起资料构成的差异,工艺的影响更大,比方电池制作过程中隔阂外表吸附有导电的金属粉末、电池各部件尺度不能准确匹配、电极片边际不平坦、电解液散布不均匀、正极资料纯度不行等等都有或许构成电池内部短路,导致不可逆的温升起火。

外因和过错的运用有关,包括过充、外短路、高温、超压和外力冲击等。过充电会导致正极过度脱锂而负极过度嵌入,发作锂枝晶,对正负极构成不可逆的损坏并继续升温。

锂电池的压力也可以分为内压和外压,内压来自于电解液的热膨胀、锂枝晶构成、气体改变等;外压来自于环境压力、机械磕碰带来的揉捏、压力改变等,不管外压仍是内压,超越必定极限,电池内部强度较低的隔阂、粘结剂就会发作变形、导致锂电池内部短路作业反常,引发事端。

外力的冲击、振荡、下跌、揉捏、穿刺等行为也会导致电池隔阂决裂并致使短路,关于电池组,外力也或许导致操控芯片及器材的损坏,从而引发剧烈焚烧甚至爆破事端。相关于磷酸铁锂电池,三元锂电池在面临针刺和外部高温实验时温升更大,毒性气体开释量也更大,热失控温度低,潜在危险也更高。

但有什么办法呢?电动车想要跑得远,能量密度就得高,三元锂电池才可以符合要求,至于安全,就得看车企BMS、电池封装等的水平了。

☆不只要电池强,电堆/电控更要强

电池作为一个危险品是确认的现实,车企的作业便是将这种危险降到最低。怎么做?一防备,二避险。动力电池的运用安满是一个系统工程,在不能确保电池热失控彻底不发作的状况下,要经过BMS、TMS、熔断维护、热障、结构集成等,在成组规划中设置多重的安全确保。

含集成电池操控单元的电池系统典型结构

过充放是导致锂电池发作热失控的重要原因之一。因而,电池办理系统BMS就需求防止电池过充放。这并不简略,由于出产共同性问题,每颗电池单体的特性必定存在差异,或许有的电池现已充满了,而另一部分则还需求充电,此刻,BMS就需求榜首,估测电池的荷电状况(SOC),确保电池的电量一直在合理的状况,第二,动态监测,实时监测电池组中电池单体的端电压、充放电电流等, 防止呈现过充和过放现象。第三,为每个电池单体均衡充电,确保电池组内部单体的共同性。还需求考虑锂电池在运用过程中老化状况的不共同性,预算电池的SOH(State of Health电池健康状况),7000多节电池单体,操控的难度可想而知。

这是过充放的防备,当锂电池由于其他原因(磕碰、变形、环境温度过高等等)发作潜在危险时,操控器应可以及时经过各种办法(逼迫空气对流法、液冷法、相变资料法等)操控电池温度。当电池发作明火时,激活电堆内部的救活程序。而被迫的电池包装规划则需求安排下降险情的延伸速度,经过不同电池模组之间的间隔以及外部短路的管控,下降电池发作爆燃的速度,让人有满足的时刻逃生。

特斯拉爆燃时,16个模组中也只要接近车头的4个模组被焚毁,其他模组并没有起火焚烧(图片来历@爱小车)

锂电池单体本身也应设有安全保证,比方最简略的热敏电阻开关(保险丝),当电池温度反常上升,它的阻值随之上升,当温度过高时,会自动中止供电;还有恰当的隔阂规划,当温度上升到必定程度时,提早熔断,阻挠锂离子经过,中止放电反响;针对电池产气,设置安全阀(气体通孔),防止电池内压过度升高等等。

如此构成多层级的安全防护,从自动和被迫多方面,电芯、电池模组、BMS、线束、外壳、系统规划等等都结合在一起完结电动车的安全规划。

☆国家规范又扮演了怎样的人物

现在我国施行的电动车蓄电池安全规范为GB/T 31485-2015《电动轿车用动力蓄电池安全要求及实验办法》(针对蓄电池单体与模组)和GB/T 31467.3-2015《电动轿车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分:安全性要求与测验办法》(针对包括多个模组的电池包和整车蓄电池系统),但这两个暂行规范即将被《电动轿车用动力蓄电池安全要求》替代。新规范主张自2020年7月1日起开端施行。

电池的测验项目首要如表格所示:

电池模块揉捏起火现象

电池模块针刺起火现象

针刺实验

新国标首要的争议点在于取消了或许是最难的针刺实验。该实验要求运用耐高温钢针从垂直于蓄电池极板的方向,从蓄电池几许中心贯穿,钢针停留在蓄电池中1小时,此过程中电池应不爆破不起火,而模块针刺实验则运用略粗的钢针,至少贯穿三个单体电池,相同调查1小时,电池模块应不起火不爆破。针刺实验会导致电池内部短路、气密性损失、经过难度极高。因而在2016年12月30日国家四部委发布的《新能源轿车推行补助计划及产品技能要求》中规则针刺实验暂不履行。

外部火烧示意图

而且在新国标的起草过程中,起草组以为针刺实验与实践失效形式不相符,作为国际规范的IEC62660-2 和IEC62660-3规范中也没有选用针刺实验来点评电池安全性。现在,针刺测验参数怎么调整都很难彻底仿制实践运用的失效条件。因而在新国标中取消了针刺实验。不过,在实践运用场合,必定存在异物刺入电池内部导致短路的或许,SAEJ2464 和UL2580 等规范中也明确提出了针刺要求。从这些方面来说,国家规范要求是下降了的。

比亚迪的起火事情中,电池组也被维护的好好地,彻底没有焚烧痕迹,特斯拉也将大部分电池模组保全了下来,车企关于电池安全注重程度无疑是极高的

但据个人与厂商交流中了解到,针刺实验尽管并非强制规范,但大部分厂商依然继续进行。因而也不用过分忧虑,究竟,从电芯出产厂家、到车企、到职业、到国家,都在尽力推进电动车变得愈加安全。

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本文作者为踢车帮 陆思灏

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