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《电车知识学堂》 新能源车如何保证电池安全性

  • 原创
  • 2020-06-10 09:05
  • 来源:电车资源
摘要:随着手机、数码产品、电动汽车的普及,锂离子电池在人们生活当中扮演着越来越重要的角色。低能量密度、循环寿命有限等使用问题常常被人们诟病,但是与这些问题相比,电池安全问题却是人们关注的焦点。

【电车资源 技术文章】随着手机、数码产品、电动汽车的普及,锂离子电池在人们生活当中扮演着越来越重要的角色。低能量密度、循环寿命有限等使用问题常常被人们诟病,但是与这些问题相比,电池安全问题却是人们关注的焦点。

《电车知识学堂》 新能源车如何保证电池安全性

近期接二连三的新能源车起火事故视频让消费者非常紧张,新能源车主担心自己的车容易起火,其它车主也害怕新能源车起火而不敢将自己的车停在旁边,那么到底新能源汽车的电池安不安全? 现阶段采用不同形式动力电池的新能源车都是如何保证电池的安全性的?

● 常见的三元锂电池形式

目前新能源乘用车主要采用三元锂电池,而传统的磷酸铁锂电池主要是商用车以及一些低端的微型车(比亚迪最新的磷酸铁锂刀片电池暂不讨论)。

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将上述表格解读一下:

1、硬壳电芯(方形电芯)的最大优势是安全,毕竟铝合金/不锈钢壳子本身硬,而且厚度大,甚至连针刺试验的钢针都无法刺穿,但是硬壳电池的整包能量密度普遍不高,太多重量被用来保护电芯本身。这是大部分主流新能源车企的选择。

2、软包电芯的本体大家都见过,不少数码产品的电池就是它,软包电芯重量较轻,单体电芯一致性非常好,问题是加上温控系统之后的轻量化优势不多了。目前主要有通用、爱驰、前途等车企选择使用。

3、圆柱电芯的运用最广泛,而且散热好,能量密度较高。除此之外圆柱电芯的供应商特别多,中日美韩都有成熟的圆柱电芯生产企业,而使用圆柱电芯最出名的车企就是特斯拉。

● 锂离子电池的安全性

锂离子电池主要产生的安全性问题就是燃烧甚至爆炸,出现这些问题的根源在于电池内部的热失控。

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一般电池的最佳工作温度范围在25℃左右,即使车辆在静置状态,电池也不会完全断电,电池管理系统会根据情况自动调整动力电池的输出功率。当电池包发生不可控的外力撞击或者内部短路时,电芯本身会不断发热,若无法及时将热量控制在合理温度,便会导致由内到外的燃烧。由于锂电池本身自带氧化剂,所以使用干粉或泡沫灭火器隔绝氧气的传统方法对其完全没用,只能用大量的水降温等它自己熄灭。

热失控的源头可以分为三大类:

1、电芯受外力挤压;

2、电芯内部短路;

3、电池管理系统(BMS)失控。

想让电芯不受外力挤压比较容易解决,只要在车体以及电池包的外层设计出有效的防护结构,在车辆发生碰撞的时候就能抗下所有冲击或者在一定程度上缓解冲击,就能很好地避免出现电芯受到外力的挤压。

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动力电池普遍安装在乘员舱的正下方,汽车原本的结构就能够对前、后方的冲击起到有效的缓冲防护,一些车型甚至还额外进行了加固。例如奔驰的首款纯电动车型EQC就在车头设计了由多条钢管组成的安全笼结构。

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而当面对来自侧向的冲击时,除了依靠车辆的B柱以及车身框架作为缓冲之外,电池包外壳的两侧还会额外设计有类似防撞梁的吸能结构,能够抵御对电池包本体的冲击。但光应付外部的冲击还不够,内部也需要有框架来进行固定,即使冲击已经传到内部,也能保证电芯有足够的“生存空间”。

以蔚来70kWh的电池包为例,采用尺寸规格为PHEV2,容量50Ah的VDA方形电芯,4P96S电芯排列方式,即96颗电芯为一个模组,4个模组组成蔚来电池包,共计384颗方形电芯,每个电池模组内置有3个电芯温度传感器。

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液冷恒温系统对纯电动车来说非常重要,蔚来将铝制液冷板铺于模组下,在模组与液冷板之间加入一层导热垫,并在液冷板与壳体底部之间再铺设有隔热和绝缘材料,进一步确保电池整系统的恒温和安全。工作时, 电芯的温度传递到模组与冷板接触的底部,再通过导热垫传给液冷板,液冷板外壁再把热量传导到冷却液,而在电池温度过低时也可以反向给电池加热。

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通用旗下别克VELITE6使用的则是软包电池,内部的一片片软包电芯如同扑克牌一样竖直排列在一起。两个软包电芯、一片冷却片,再加上一个模组框架和一片隔热泡棉组成一个完整的“MINI堆垛单元”,而一个电池模块总成由26个“MINI堆垛单元”组成。此外,也可以通过线圈加热冷却液,使电池升温,即使在极端寒冷环境下,也能确保电池处于最适宜的工作温度。

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虽然软包电芯的电池一致性相比硬壳要稍差,但可以通过良好的电池热管理系统来解决。而说到这里就不得不提特斯拉了,由数千颗21700锂电池组成的电池包拥有超高的能量密度,散热能力也更强,但过多的单体电池导致一致性非常不理想,这对电池热管理系统是一个不小的挑战,不过这正是特斯拉的强项。

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在特斯拉的电池包内,所有圆柱形电池都被灌注水乙二醇的导热铝管所环绕,铝管外还有一层橘黄色的绝缘胶带,更大的散热面积加上强大的电池热管理系统让特斯拉在实际用车中很少因为电池过热出现问题。

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过度充电是使用锂电池包方法不当行为中危害最高的一种。由于过量的锂嵌入,锂枝晶会在阳极表面生长,有刺穿SEI膜的风险。其次锂的过度脱嵌也会导致阴极结构因发热和氧释放而崩溃(NCA阴极的氧释放),并加速电解质的分解,产生大量气体。由于内部压力的增加,排气阀打开,电池开始排气。电芯中的活性物质一旦与空气接触,就会发生剧烈反应,放出大量的热,从而引发锂电池的燃烧起火。

所以好的电池热管理系统同样会设置好最高以及最低电池SOC,并实时监测每个电芯以及模组的电量、温度等,避免过充过放,从源头抑制热失控。一些搭载高容量电池的中高端车型也会选择将部分电量隐藏,例如奥迪e-tron搭载的电池包容量为95kWh,但为了保证充电效率和电池寿命,在正常情况下的可用容量只有83.6kWh。

● 我国电动汽车首批强制性标准

即使已经做了如此多的努力,但事实证明我们还是不能100%确保纯电动车不会发生起火事故,但通过电池内部的阻燃材料以及电池热管理系统发出的预警,我们可以尽量将电池从升温到最终燃烧的时间延长。

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在5月12日,国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会批准发布了《电动汽车安全要求》《电动客车安全要求》和《电动汽车用动力蓄电池安全要求》三项标准,计划于2021年1月1日起开始实施。

其中《电动汽车用动力蓄电池安全要求》在优化电池单体、模组安全要求的同时,重点强化了电池系统热安全、机械安全、电气安全以及功能安全要求,试验项目涵盖系统热扩散、外部火烧、机械冲击、模拟碰撞、湿热循环、振动泡水、外部短路、过温过充等。特别是增加了电池系统热扩散试验,要求电池单体发生热失控后,电池系统在5分钟内不起火不爆炸,为乘员预留足够的逃生时间。

● 写在最后

在最近两年的国家补贴政策上已经不把能量密度但此次针对新能源汽车安全性的一系列相关规定的出台,无疑给存在乱象许久的中国新能源行业发展树立了一个重要的标准。在新能源车快速发展的前些年,确实有不少厂家过分追求续航、充电速度等指标而在电池安全性上有所取舍。在标准正式实施后,或许有不少新能源车型的续航里程、动力电池形式以及能量密度等关键参数会受到影响,但这也是为了在性能和安全之间取得平衡而做出的合理改变,长远来看,最终受益的仍是广大普通消费者。

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