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電動車自燃頻發知乎大V深度解讀車企如何保證電池安全

來源: 鳳凰網 時間:2019年05月22日 14:51 瀏覽量:10395

【EV視界報道】4月21日上海特斯拉自燃事件,引起的關注是超乎尋常的。次日,一輛蔚來ES8也發生了現象相似的自燃事件,也起到了推波助瀾的作用。

截至今日,淡定的特斯拉依然沒有發布事故報告。在對此事故進行了初步分析后[1],有4家主流媒體(包括官媒、權威財經媒體、權威證券媒體)聯系我征詢事故原因的觀點。雖然記者們的提問并沒有誘導性,但我還是能感受到他們對于電動汽車的嚴重憂慮,甚至是質疑。

為什么這次事故的影響力如此之大? 可能有兩方面原因:

·頭部企業事故,引發對技術成熟性的憂慮:國內電動汽車自燃事故并不鮮見,僅2018年就有數十起(如下圖),但大家普遍認為事故原因是電芯廠/主機廠技術水平落后導致的。而這次事件不同,特斯拉是全球電動汽車的領頭羊,蔚來人稱“中國特斯拉”,兩個“優等生”都出問題了,那還有誰可以幸免?

·靜置自燃,而非碰撞/充電自燃:大部分電動汽車起火/自燃事件,通常具有顯著的外部因素,例如碰撞、不規范充電、不規范維修[2]。外部因素可以察覺(碰撞后抓緊逃離現場、事故車加強檢測)或避免(采用正確的充電方法),而靜置自燃看起來像是毫無征兆、無法預防的,這種未知性會強化用戶的憂慮、恐懼心理。

2018年國內電動汽車自燃事故不完全統計

面對官媒記者的提問,我當然不敢瞎講,保守地回復他們以下三點:

·電動汽車的自燃事故率不一定就比燃油車高。關于這一點,馬斯克在twitter上也曾抱怨過:燃油車自燃事故也不少,只不過沒人關注罷了。當然,如果要系統評估電動汽車與燃油車的自燃風險,還要考慮后果嚴重程度、預防與撲救難度等多個維度,在權威的研究報告出爐之前,我們還是不要輕易下結論。

·是否完全靜置自燃尚無定論,需等待事故調研報告。個人認為,“碰撞/不規范充電后,經過一段時間靜置自燃”與“完全靜置自燃”這二者之間還是要做區分,因為前者可以通過更先進的診斷手段來預防,而后者則棘手得多。根據蔚來官方報告,蔚來ES8自燃屬于前者;特斯拉自燃事件的當事車主也提到,事故前進行過一次超充,推測可能是主要原因。

·“電動汽車優等生都自燃了”這個說法不嚴謹。除特斯拉、蔚來之外,還有一個低調的優等生從未出現過自燃重大事故,那就是日產聆風(Nissan Leaf),它是比特斯拉更早、累計銷量更高的電動汽車,歷時9年銷售43萬輛,從未出現過自燃重大事故。

盤點2010-2018年電動汽車自燃事件

為了減少數據源方面的差異,從鋰電池專家

@朱玉龍

那里獲得兩份數據:2010-2018年歐洲與北美電動汽車起火事件統計[3][4]:

·歐洲共28起自燃事故,其中:19起由碰撞、外部火源、錯誤操作導致的;5起確信或很可能與電池無關,而是由機械故障、電氣故障或其他系統故障導致的;4起信息不足難以判斷;確信為電池內短路而自燃的數量是:0 (注:此項統計僅為報道的事件,不包括未報道的事件;此外,信息不足難以判斷的事件,個人推測屬于內短路誘發的可能性較大)

·北美共39起自燃事故,其中:26起由碰撞、外部火源、錯誤操作導致的(20起碰撞、3起充電、2起縱火、1起不規范維修);9起確信或很可能與電池無關;4起信息不足難以判斷;確信為電池內短路而自燃的數量是:0

·特斯拉:美國39起事故中,@朱玉龍溯源了23起,其中15起是特斯拉Model S或Model X,比例高達65%;歐洲28起事故中,@朱玉龍溯源了17起,其中7起是特斯拉Model S,占比41%。(未溯源的美國16起與歐洲6起應該都不是特斯拉,否則肯定會上新聞的,這使得特斯拉事故占比偏高。難怪馬斯克幽怨,畢竟人怕出名豬怕壯?。。?/p>

·日產聆風:歐洲0起,占比0%;美國2起,占比16.7%。這兩起是怎么回事呢?一起是充電樁起火引燃、另一起是山火引燃,均為外部因素,與電池無關。也就是說,在公開報道的自燃事故中,日產聆風可以自信地說:歷時9年銷售43萬輛,零自燃重大事故。

盡管特斯拉勢頭迅猛,日產聆風還是以43萬輛的成績暫居電動汽車歷史銷量第一。而且,考慮到日產聆風交付時間較早,若以“所有車輛總行駛時間/里程”來計算的話,聆風應該遠高于特斯拉。在這種情況下還能實現零自燃重大事故,可謂是硬成績!

保障電池安全的兩種思路

特斯拉與日產聆風在自燃事故數量上的巨大反差,背后是兩者不同的安全思路[5]:

·防止電芯熱失控發生:在電芯層面盡可能降低單體電芯熱失控的風險。

·電芯熱失控發生后,防止熱失控蔓延: 若單體電芯熱失控不可避免,則在PACK層面盡可能地阻止熱失控蔓延到其他電芯(Cell)、模組(Module)、甚至整個電池包(Pack)。

注:兩種思路均可行,主要看技術水平高低,沒有技術路線熟高熟低之分

從下面特斯拉電池組的圖中可以清晰地看到,它在電芯熱失控發生后,防止熱失控蔓延采取的措施:

·電芯隔離:電芯間的液冷管路,除了散熱降溫作用外,也能起到電芯間減緩熱傳遞的作用。

·模組隔離:特斯拉通過箱體的框架梁把模組分成獨立的艙室,防止單個模組熱失控蔓延到相鄰模組。上海特斯拉自燃是燒了3個模組,其它沒燒。當然,如果不及時噴水降溫的話,很可能隨著時間推移其他的也會燒掉:框架梁擋得住火焰但擋不住傳熱??!

·云母板:電池組上方和下方都有一塊耐高溫高絕緣性的云母板,降低因短路引發電弧引燃高溫可燃氣的風險。

圖片來源:電子發燒友

日產聆風在防止熱失控蔓延方面的措施就少很多。如下圖最新一代的日產聆風電池模組,電芯與電芯之間直接用膠水粘起來,連散熱管路都沒有,更不用說隔離措施。與特斯拉比起來,這簡直是“心大”:如果特斯拉也采用這種布局,估計半小時就燒完了。

圖片來源:朱龍玉汽車電子設計公眾號LEAF電池模組演變

日產聆風敢于進行這樣的PACK設計,并不意味著它不重視安全,否則的話,9年43萬輛0事故的成績怎么實現經? 恰恰相反,日產聆風之所以敢在PACK設計如此心大,關鍵就在于它在電芯安全設計與制造上有十足的底氣!

如何提高電芯的安全性?

如圖所示,鋰離子電池的電芯由負極、正極、隔膜、電解液組成。提高電芯安全性,也就是從這4個方面下功夫。大牛博士馮旭寧,曾在他的博士論文[6]中概括過主要思路:

·正極材料:對正極材料進行摻雜和包覆[7],或金屬原子替代的方式[8]來以提高正極材料的熱穩定性。

·負極材料:對負極材料進行包覆[9],或通過電解液添加劑提高負極SEI膜的穩定性[10]。以及采用新型負極,如鈦酸鋰(Li4Ti5O12, LTO)負極[11],合金負極[12]等材料提高負極的安全性能。

·電解液:對于電解液采用阻燃添加劑,將液體電解質換成固體聚合物電解質,采用離子液體,電解質鹽的替代等方式提高電解液熱安全特性,也可以通過在電解液中采用過充?;ぬ砑蛹晾刺岣叩緋乜構淶哪芰?。

·隔膜:采用高安全性隔膜,通過陶瓷包覆等手段,降低隔膜熱收縮率、提高隔膜崩潰溫度[13].

在2018年之前,日產聆風的電池來自于旗下AESC公司(Automotive Energy Supply Corporation)。在電芯設計層面,AESC通過增強正極材料的熱穩定性、在電解質中添加使使得電極表面更不容易發熱的特殊添加劑、增加隔膜的耐熱性等多種措施,降低電芯的熱失控風險。

以上這些都是電化學方面的信息,非常抽象,不容易理解,所以還是講點形象的吧。下面這個動圖就描述了AESC在隔膜上提高安全性的方法:采用PP-PE-PP 三層復合材料的隔膜,PE更早熔化阻斷電流[14]。

采用了一系列的電芯安全設計后,AESC電芯可以更好地應對溫度沖擊,甚至是針刺試驗。針刺試驗是非??量痰厥匝?,可以很好地反映電芯的安全水平??悸塹醬蟛糠值縲徑紀ü渙?,最后國標GB/T 31485-2015[15]都沒加入針刺試驗內容。

一個Youtube上流傳很廣的試驗視頻可以直觀地說明AESC電芯在溫度沖擊與針刺試驗下的表現[16]。當然,視頻中并非最新的NCM811電池,在能量密度更高的NCM811電池上,AESC需要考慮更多的安全設計問題。

視頻鏈接:https://weibo.com/6414205745/HrUNcz3CO?type=comment

相對于其他電芯廠,AESC還有兩個特點:

·電芯廠與主機廠緊密合作:AESC與日產緊密合作十年,積累了大量數據與行業知識。如果沒有與日產的特殊關系,普通電芯廠不可能拿到如此深入的數據。

·制造經驗與質量管理:例如,在電芯制造層面,每一塊電芯就具備超過2千個數據采集點。這樣可以有效地降低電芯的不一致性、盡可能降低電芯安全風險。

AESC花落中國

在《群雄逐鹿or一統天下?鋰電行業趨勢淺見》[17]中曾提到,經過艱苦卓絕的競爭,中國的鋰電池產業終于趕超日韓,揚眉吐氣了。而今天從安全的角度分析之后,日本又殺出個勁敵AESC,不禁又生出一些憂慮。

實際上這個憂慮是多余的,因為日產AESC已經在2019年正式出售給中國的遠景集團,改名為遠景AESC,成為一家地地道道的中國企業了。遠景AESC在股權上與主機廠切割之后(日產汽車還持有20%的股份),但也有利于拓展更多主機廠客戶,將技術優勢發揮出來,有望成為中國鋰電產業格局中的一匹黑馬。

特別值得一提的是,遠景AESC的電芯不僅可以供給主機廠,還能通過物聯網及大數據技術更有效地切入儲能業務,實現電池能量+功率價值,同時將電動汽車產業與其他新能源產業結合起來,實現多贏局面。關于電動汽車與新能源如何互動,參見我之前寫的一篇科普文章《電動汽車入網技術(V2G)是什么,目前有什么研究或者是應用》[18]。

注:原文載自知乎@張抗抗《特斯拉VS 日產聆風防止電池自燃的兩種思路》


文章標簽: 電動車自燃 責任編輯:郝靚思

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