動(dòng)力電池系統構成及所面臨安全風(fēng)險

近年來(lái)，隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展，如何解決電動(dòng)汽車(chē)所帶來(lái)的安全問(wèn)題，又成為汽車(chē)行業(yè)的新的話(huà)題和難點(diǎn)。由于人們對新事物的認知有個(gè)過(guò)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(dòng)汽車(chē)的安全事故，都會(huì )導致公眾對電動(dòng)汽車(chē)安全性的疑慮進(jìn)一步加深，阻礙電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展和普及。

其實(shí)，傳統的燃油車(chē)由于碰撞或自燃所導致的車(chē)輛起火事故，每年在全球都會(huì )發(fā)生很多起，造成嚴重人員傷亡的也為數不少，并不會(huì )造成公眾的廣泛關(guān)注和質(zhì)疑。公眾之所以對電動(dòng)汽車(chē)的安全事故這么敏感，除了電動(dòng)車(chē)發(fā)生事故時(shí)，通常會(huì )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(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池呢?

電動(dòng)汽車(chē)(包括混合動(dòng)力汽車(chē))與傳統的燃油車(chē)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(chē)身結構、內外造型等基本沒(méi)有什么差異，最大的差別在于驅動(dòng)方式和能量的來(lái)源。因為引入了電力驅動(dòng)，所以就存在諸如“電擊”和“短路”之類(lèi)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)電池本身的穩定性問(wèn)題，又會(huì )帶來(lái)許多超出人們“傳統”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(chē)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，我想畢竟是少數吧。所以，不管是國家層面的法規和標準，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(shí)的解決產(chǎn)品的風(fēng)險和隱患，消除民眾的疑慮，從而推動(dòng)新能源汽車(chē)的發(fā)展。我們，沒(méi)有任何理由拿不成熟不可靠的產(chǎn)品，來(lái)忽悠公眾和消費者，為企業(yè)或個(gè)人的私利服務(wù)。下文將從動(dòng)力電池的各項參數詳細解析動(dòng)力電池的安全要素。

一、動(dòng)力電池系統的構成

作為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，或動(dòng)力來(lái)源之一，動(dòng)力電池系統通常由電芯(Cell)、電池管理系統(BMS)、冷卻系統(Coolingsystem)、線(xiàn)束(Harness)、外殼(Housing)、結構件(mechanicalparts)等相關(guān)組建構成，如下圖所示：

可以看出，動(dòng)力電池系統的構成還是相當復雜的，既有電芯這類(lèi)化學(xué)物體，也有復雜的電子電氣系統和熱管理系統，還有傳統的各類(lèi)機械部件，涉及到的專(zhuān)業(yè)種類(lèi)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(dòng)力電池系統所面臨的安全風(fēng)險

動(dòng)力電池系統所面臨的安全風(fēng)險，主要與其內部部件的特性和外部的使用和運行環(huán)境相關(guān)，構成了產(chǎn)品安全設計的主要挑戰。

1)電芯會(huì )不會(huì )起火爆炸?

動(dòng)力電池系統所采用的電芯，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(lái)，1千克的磷酸鐵鋰電芯蘊含的能量相當于103克的TNT炸藥。

一輛純電動(dòng)汽車(chē)，其使用的電芯通常重達幾百公斤，以100公斤電芯計算，總能量就相當于10公斤TNT炸藥。換著(zhù)是誰(shuí)，心里都會(huì )發(fā)毛，這東西會(huì )不會(huì )不穩定，會(huì )不會(huì )起火，甚至爆炸啊?

2)會(huì )不會(huì )產(chǎn)生電擊事故?

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

每年，因為電器、電線(xiàn)、電力設備等漏電所造成的電擊事故，都會(huì )發(fā)生很多，也經(jīng)常見(jiàn)諸媒體。我小的時(shí)候就被裸露的220V電線(xiàn)電擊過(guò)，那種滋味永生難忘。那么，人們也有理由疑慮，電動(dòng)汽車(chē)里面的高壓帶電部件，會(huì )不會(huì )漏電，并進(jìn)而造成電擊事故?

3)能不能經(jīng)受各種惡劣的環(huán)境?

車(chē)輛的運行和使用環(huán)境非常復雜，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，也有需要經(jīng)常涉水的地方。

車(chē)輛在行駛過(guò)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(dòng)、跌落、甚至碰撞和翻滾。那么，在這些客觀(guān)的環(huán)境面前，動(dòng)力電池系統能夠經(jīng)受考驗，不產(chǎn)生嚴重的安全風(fēng)險嗎?

4)能不能經(jīng)受各種濫用?

當產(chǎn)品銷(xiāo)量足夠大的時(shí)候，產(chǎn)品的使用，總有超過(guò)規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，當充電保護失效的時(shí)候，手機電池可能因為過(guò)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(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池系統能夠經(jīng)受類(lèi)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(guān)環(huán)境造成的。

5)電池管理系統失效了怎么辦?

動(dòng)力電池系統有一套復雜的管理和控制系統，時(shí)刻采集整個(gè)動(dòng)力電池包的各種運行參數，進(jìn)行計算、診斷、通信和開(kāi)關(guān)控制。系統越智能化，當其發(fā)生故障時(shí)，后果也就越嚴重。

舉個(gè)例子，如果動(dòng)力電池包內部的某個(gè)電芯過(guò)熱，熱管理系統失效，電芯存在熱失控的風(fēng)險，而這個(gè)時(shí)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?又或者本該執行斷開(kāi)動(dòng)作的開(kāi)關(guān)，不能正常的斷開(kāi)怎么辦?風(fēng)險是否會(huì )蔓延，并造成嚴重的安全事故?

三、動(dòng)力電池安全設計的目標

動(dòng)力電池系統的安全設計，基本上圍繞以上提到的內部組件構成和可能發(fā)生的安全風(fēng)險展開(kāi)，確定合理的目標和框架，指導具體的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。

1)化學(xué)安全

電芯發(fā)生熱失控，可能會(huì )產(chǎn)生電解液泄漏、起火和燃燒等現象，但其破壞力是遠遠不能與炸藥相比的。炸藥爆炸時(shí)，能量在極短的時(shí)間內釋放出來(lái)，所以威力巨大，而電芯的熱失控，其能量的釋放是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，加上電動(dòng)汽車(chē)的電池包是由很多個(gè)電芯串并聯(lián)組成的，通常僅有1個(gè)或幾個(gè)電芯發(fā)生故障，有足夠的預警和處置時(shí)間。