新能源汽车电池安全有哪些被忽略的细节？
最近发生的两件事情，成为了汽车圈的热点。 第一件事是，洪灾，很多电动车车主晒电动车在水淹到前挡风玻璃的情况下仍然能够行驶； 第二件事是，某品牌的电动车在实验室完成碰撞试验后，静置48小时后自燃了。 这两件事之所以都成为了汽车行业的热点新闻，就是因为一方面让广大人民见识到了电动车相比燃油车的涉水安全性，另一方面又让人觉得电动车的电池安全仍然还需努力。 确实，对于新能源汽车来说，电池的安全几乎是它唯一的命门了。 电动车最大的不稳定因素来自于电池，现在电动车上使用的电池大多为锂离子电池。为什么锂离子电池看上去人畜无害，却是这么的危险？这一切要从锂元素说起。 活跃的锂元素 在元素周期表上，锂的位置在左上方。锂元素的这种特性也使他在上世纪三四十年代开始用在了电池里，锂电池开路电压高，工作温度范围宽，放电平衡，成为了很有前途的动力电池。 同时，锂元素的活泼化学特性，使得“锂”电池就是个大爷，在使用过程对“安全”的要求很高。虽然用作能源驱动汽车，锂电池比其他的的电池更合适，但是锂电池一旦发生事故，后果也比其他种类电池严重：第一是因为锂电池能量密度高，一旦失效，释放的热量也高；第二是因为锂电池中还会使用可燃的电解质，一旦接触空气会产生更多热量。 大部分情况下，锂电池的失效比较温和，仅仅是失去充放电的能力；但是极端情况下锂电池会发生“Thermal runaway”，也叫热失控，一旦热失控发生就会引起着火事故，我们见到的严重的电动车起火燃烧事故几乎都是热失控，这也是电池安全要坚决避免出现的。 热失控 如下图来自美国SAE的一篇分析，讲到锂电池的失效也有很多原因，但主要是三部分：外部机械冲击、内部电流电压过大和温度过高。 言而总之，锂离子电池只能在合适的边界条件下工作，比如合适的电池温度（20℃左右），合适的电压电流等，超过这个舒适范围，电池效率和安全性会大降；同时电池如果受到热源，电或机械的外部伤害，就会进一步导致热失控发生。 a) 机械冲击 电池遭受外界的机械冲击如碰撞会引起电芯损坏，从而导致外部短路发生，引起电池失效。市面上因为碰撞引起着火事故的很多。 b) 内部短路 内部短路，比如集电极之间，正极和负极等。充电姿势不对或者过充，金属化合物污染，枝晶体生长，单个电芯失效等都有可能导致内部短路，同样的，内部短路也会导致大量的热量释放，造成热失控。 c) 温度过高 温度太高，会导致电解质蒸发，电芯内部压力过高；内部过高的压力会导致泄露的发生，造成可燃事故。 当电池电量过满且电池温度过高时，发生热失控的可能更大，很多电动车在充电的时候自燃很可能就是这个原因。此时电池正极会氧化电解质，这个氧化过程是放热的，会导致温度升高，温度升高又进一步促进电极之间的反应。最终的后果就是，电芯内部短路。 如下图，虚线是电芯外部温度，实线是电芯温度。当电芯外围温度达到150度后，电芯就会发生剧烈的热反应；当温度达到175-185之后，电芯内部隔离层失效，内部短路发生，这时就一发不可收拾了，电芯内部存储的电会以热量的方式释放出来，造成热失控。 因此，综上的信息我们可以看出，要解决电池安全问题可以从三个方面来着手： 1， 电芯层面。既然三元锂电池太活跃，那就使用相对没那么活跃的磷酸铁锂或者铅酸蓄电池。 2， 电池包层面。电池包害怕机械撞击引起短路，那就加强电池pack的设计，加大机械保护。 3， 系统层面。电池需要在合适的边界条件下工作（合适温度和电池容量），那使用电池管理系统BMS对电芯充放电进行安全防护。 电芯层面不多说了，使用不同种类材料的电芯有利有弊。下面以大众ID.6为例来阐述我们在电池包和系统层面应如何做好电池安全性的。 大众ID.6的MEB电池包电量分别为63.2kWh、83.4kWh，对应的续航里程分别为436km、588km，内部电芯由宁德时代提供的NCM811三元锂电池。 为了避免电池包受到机械损伤，MEB电池包设计为多层结构方式来防冲击，防水和阻燃。 如上图所示，是ID.6的MEB电池包，最上面是上盖，下一层是电芯模组，第三层是智能水冷系统，第四层是电池包下壳体。整个系统密封性良好，即使涉水行驶，由于其良好的密封性，也不会造成高压电泄露而短路。 电池包下壳体使用铝合金型材横梁，纵梁焊接。由于汽车有时候通过不平整的路面容易剐蹭到底盘，造成电池包损伤，因此电池包下壳体底部护板也使用了高强度铝冲压件，来减少底部磕碰带来的影响。 电池包上壳体涂有蜡涂层，密封圈和密封胶三层保护层，防水盒耐腐蚀测试都高于国家标准，上下壳体之间使用了冲铆盒FDS自功螺栓连接技术，可以最大强度减少边框的形变，固定强度也有保证。 同时，ID.6的MEB电池包还提供了防爆阀和平衡阀等被动安全系统，内部的爆炸保险丝能够在检测到碰撞和短路情况下，2ms内作出反应，保证极端情况电池包的安全。 除了结构上的设计，电池包保证安全最重要的手段之二为测试验证。 MEB电池包安全测试项目大概有338个（国际标准仅仅要求285项），主要是在比较极端的条件下测试电池是否有短路自燃，漏电，甚至热失控表现。这338个安全测试中涵盖了日常可能遇到的碰撞，火烧，热扩散，高低温存放，温度冲击，盐雾测试等极端测试，以及涉水，耐久，高温，电气，机械冲击等五大类滥用测试。 比如全国范围内充放电测试，为了保证MEB电池包能否兼容全国不同场景充电设施，以及不同设施是否会引起自燃等。MEB电池包在全国挑选了一些典型城市，针对不同厂家的充电设备都进行了循环充放电测试，保证电池包对充电设施有足够的冗余性。 跌落试验中，电池包以60G的加速度弹射出去，相当于70km/h的猛烈撞击，远高于高价标准的28G标准，在这个试验中，MEB电池包能承受自身重量60倍的冲击力而不会损坏。 在MEB电池包寿命测试方面，在电池模组寿命测试中循环500次（相当于跑25万公里左右）后，容量实测SOC为97%，高于国际标准要求的90%。甚至可以保证在45℃下循环充放电800次或者-10℃下循环充放电400次，电池寿命剩余80%以上。 电池管理系统BMS依靠电池上的传感器，获取电池的电压，电流等信息，然后经过中央大脑BMS的思考与决策，依靠执行器做出一系列反应。可以说，没有BMS系统的电池包等于没有灵魂，BMS让电池包的充电，放电变得有序而安全。 上面提到了，电芯很脆弱，只能在合适的温度，电压电流条件下工作，那BMS系统的核心职责就是确保这个“合适的工作环境”。 精准控温 大众ID.6电池管理系统配备了智能液冷循环系统来保证电芯工作在合适的温度下。液冷循环系统位于电池底板内，采用了流道并联的设计，在底板与电池之间由高导热系数导热胶，可以让电池包内所有电芯温度差小于3℃，避免一些电芯温度高，一些温度低引起的安全事故，保证工作稳定。 ID.6的电池BMS系统可以控制电芯工作温度区间维持在15℃-30℃之间，但是电池包外界的温度可以在-30℃到55℃之间，这意味着无论ID.6是在-30℃的漠河和50℃的吐鲁番行驶，电芯温度总是控制在15℃-30℃之间。 过度充放电同样会引起安全问题，而预防过度充放电的核心在于精确知道电池电量SOC。 精准SOC计算 燃油车的油箱加了多少油使用一个简单的浮子传感器就能知道，因为油看得见摸得着。但是电池里面有多少电，尤其是准确的知道还有多少电却很难，电，虚无缥缈的存在，需要依靠优良的算法才能知道。 准确的知道电池SOC很重要。电动车的电池不同于手机，手机电量算不准不会对用户安全有影响，但是电动车电池电量算不准会给驾驶员带来很多麻烦，比如明明充满了却告知没充满，导致过充发生。而电池SOC的测算又受环境温度影响，在寒冷的冬天，SOC变化太大就是一个例子。 现在都说软件定义汽车，这句话在电池系统也是一个道理。ID.6的BMS系统基于先进的遗传算法和自学习算法对单体电芯的电压电流，温度，均衡状态进行监测，实现电池内部状态（电容量SOC等）的精确估算。他能根据不同路况调节电耗，基于用户驾驶习惯以及车载电器使用情况来计算电量，从而提供过充和过放保护。 下图为自媒体汽车实验室对市面上几款电动车续航的实测，其中大众ID.4x的电池包理论续航和实测续航十分贴近，ID系列使用的电池管理系统均来自统一平台。 ID.6的电池包里有上百块电芯，而电池包这个东西又是典型的“木桶效应”，只要有一块电芯失效或者性能不均衡，整个电池包安全性就大打折扣，单个电芯失效会快速恶化其他电芯工作环境。因此ID.6的BMS系统为了对这百来块电芯都了如指掌，在软件上提高了AD采样的精度和速度，做到快且准的了解每一个电芯的状态。 同时BMS系统为了避免“木桶效应”的出现，对电池的均衡管理也是下足了功夫。电池包里百来个电芯总有差异，时间久了有一些电芯质量好，放电多，有一些质量差，放电快，那么BMS系统就让质量好的电芯也提高放电速度，大家一起发力，电池包才能活得更久。 BMS电池管理系统的核心就是软件和算法，不断改进的软件算法让电池更安全。 结语 为了提高电动车的使用安全性，我们可以从多个层面来对电池包的安全进行防护。 电芯层面。属于电化学材料学的范畴，可以不断发掘研究活性较低的电芯材料，以及阻燃的电解溶液来促进电池安全。 在电池包层面。大众ID.6的做法是把MEB电池包设计成四层结构，优化了机械设计，电池包就像穿了防护服一样，防撞防水，保护里面的电芯不受损伤。同时针对电池包进行了338项安全测试，确保在极端情况下电池包能够不损坏，不自燃。 在系统层面。则是电池管理系统BMS发光发热了，它通过循环冷却系统和软件算法确保电芯一直工作在合适的边界环境下，同时精准测算电芯SOC避免过度充放电给电池造成损伤。 为了避免木桶效应 ，让每一块电池都均衡发展，尽可能的延长电池包寿命，ID.6的BMS系统也是用到了多种算法来确保所有电芯放电均衡，确保电池包安全和寿命长。 