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为提升新能源车电池的安全性 厂商都做了什么?

根据国家市场监督管理总局的数据,2018年国内至少发生40起涉及新能源汽车的火灾事故,今年4月起,又接二连三发生电动汽车起火冒烟事故,动力电池安全性是一个敏感的话题,又是一个不能回避的话题。

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其实哪怕没有这么多自燃事件,电池安全也一直是电动汽车高压安全和功能安全最重要的一部分。

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比如这几年高压安全成为欧洲消防员必备培训的科目,因为电池热失控气体燃烧的特殊性:氢气本身燃烧的时候火焰是无色的,无法观察下很有可能直接走入火焰中。另外电池自燃的时候自带氧化剂和还原剂,所以对于电池包的灭火往往只是覆盖封存防止蔓延。

另外也正是因为锂电池的不稳定,电池包控制系统BMS也成为整车上和刹车相关的ESP重要性平齐的关键安全系统。在电动汽车上,BMS往往和ESP一样需要达到功能安全认证的最高等级ASIL D。

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有很多原因都可能会导致电池热失控,有纯硬件的因素:碰撞,内部外部短路,或者个别电池单体的热失控而导致的整体电池包连锁反应。也有可能是软件控制导致的,比如电池过充,电压电流过高,或者主动冷却系统失效。

这也是为什么从硬件角度来说,电池单体的选型,电池包的结构和材料,具体在车身上的布置,以及冷却系统的设计都会对电池安全造成影响。

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就像Tesla的电池包平摊放置在中央地板上,一般追尾的时候相对于放置于后备厢的电池包可以有效避免冲击,但是却更容易因为底盘刮蹭而受损。

而在软件控制层面上,为了避免过充,SOC(state of charge)计算是否准确,根据SOC而设定的充电和防电电流和电压限值是否合适,以及对电池包具体温度的监控是否有效等等都会影响到电池安全。

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最近的一起蔚来自燃事故初步分析的原因就是因为插入充电枪之后反复复充导致的,而复充逻辑本身则完全是控制软件部分的设计。

正是因为高压电池的不稳定性和各种频发的自燃事件,这两年各大主机厂都在从硬件和软件两方面下手改进电池包,尤其是安全相关的设计。

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目前在市场上已经有大量厂商开始使用软包电池。尼桑的Leaf和通用的Volt电池包所使用的都是软包电池单体。在欧洲大部分欧洲厂商也开始使用软包电池,包括奥迪的e-tron和捷豹I-PACE。

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Tesla在2019年花2亿美元买下做超级电容和电池的公司——Maxwell,他们所展示的最新技术就是在10Ah软包电池上应用的干电极涂层,相对于以往的湿电极涂层可以大幅降低电池在防电电流下的内阻容量损失,能量密度也可以超过300Wh/kg,未来计划达到500Wh/kg,远高于目前Tesla 250Wh/kg左右的能量密度。而Tesla本身最为看重的就是电池的能量密度和单位成本,未来很难排除Tesla转为使用Maxwell软包的可能。

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在国内,宁德时代去年开始供应量产三元软包锂电池,而亿纬锂能子公司亿纬集能收到现代起亚软包电池订单,未来六年订单需求将达13.48GWh。恒大最近除了控股国能汽车,收购了英国的Protean轮毂电机公司,还以10.6亿人民币收购电池公司卡耐新能源。

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在国内的自主车企中,卡耐新能源首先一批开始供货软包电池的是前途体系下的三电系统核心业务模块——华特电动,并且被用在去年上市的前途K50车型上。

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华特电动在2013年就确定三元锂材料软包电芯技术路线,主要原因也正是因为从长期来看软包未来能量密度提升和成本降低的潜力最大,布置灵活有益于电池“标准箱“的策略。同时在安全方面,单体提升容量减少数量后,整体系统可靠性和安全性相对众多的圆柱电池更高。

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2020年前后不少这两年新上市的电动汽车都进入耐久性和可靠性的关键考验期,可以预见的是会有越来越多的电池相关问题浮现出来。

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除了新的电池单体选型,关于电池安全目前主机厂和供应商还在冷却系统、单体热绝缘系统上改进设计,一方面避免热失效,另一方面也在尽量将可能出现的热失效控制在小范围内。

其他改进还体现在BMS电池控制系统的软件和控制策略上,不少厂商开始追求BMS最高功能安全ASIL D认证,并添加各类冗余设计,以进一步提升安全。

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