電動車“火”了,高能量密度與高續航背後,安全技術體系已成短板

最近電動車自燃事件頻頻佔領網絡頭條,先有特斯拉,後有蔚來,打響了中美造車新勢力的對決。接下來還有本土傳統車企比亞迪跳出來搶鏡,接二連三的電動車自燃事件,的確讓不少準備入手的消費者對其安全性感到擔憂,不得不保持暫時的觀望。甚至有網友調侃:蔚來一直被譽為“中國的特斯拉”,連自燃也是這麼一致。

電動車“火”了,高能量密度與高續航背後,安全技術體系已成短板

回顧兩起自燃事件,這臺特斯拉Model S起火前一小時,車主才將車輛停放到車庫內,並未充電。而蔚來ES8則交車不足一年,在維修中發生自燃,實在是令人震驚。國外、國內兩大頂尖的電動汽車品牌相繼出現自燃事故,確實讓消費者對電動汽車的安全性感到無比擔憂。那麼,電動汽車為什麼會著火?到底靠譜不靠譜,安全不安全?

眾所周知,燃油汽車以石油產品作為能源,通過在發動機中燃燒釋放出能量來產生動力,並由變速器實現驅動控制;而電動汽車採用蓄電池作為能源,由電動機來驅動並配以調速器進行速度控制。兩者的最大區別在於動力系統和能源供應系統,最主要的改動是將燃油汽車的內燃機、油箱用蓄電池、電動機及相關設備來代替。對於消費者來說,汽車在滿足日常需求的同時,還需要具備足夠的安全性。燃油汽車擁有很久的發展歷史了,在安全上已經比較穩定,但也時有發生自燃情況。而電動汽車則剛起步不久,很多方面還在不斷改進,發生自燃起火等事故顯然更受人關注。但是從目前的發生概率來看,電動車自燃的現象並不比燃油車多。

電動車“火”了,高能量密度與高續航背後,安全技術體系已成短板

電池是核心,溫控是關鍵

大家都知道,電動汽車的核心是蓄電池。得益於鋰電池技術的快速發展,近年來電動汽車技術發展迅速。通常情況下,一輛電動汽車的動力電池是由數千個單體鋰電池組成。鋰是世界上最活潑的金屬,排在元素週期表的第三位,位列金屬類第一位。鋰電池本身擁有體積小容量密度高的特性。同時鋰電池的化學特性活潑,鋰金屬極易與空氣中的氧氣發生激烈的氧化反應,從而產生燃燒和爆炸。

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在目前世界範圍內,電動汽車的電池主要分為兩種材質,分別是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。磷酸鐵鋰電池能量密度相對來說比較低,電池穩定性相對來說比較高,在溫度達到700度以上的時候才會分解燃燒,但其體積較大,製作成本較高,產品一致性較差,很多車企業並未採用該電池。而三元鋰電池中含有鈷元素,因此電池的活性非常高,電池的能量密度較大,熱穩定性也比較差,當單體電池發生熱失控後,溫度超過200度,電池中的電解液或者碳層吸收氧氣就會產生燃燒併發生爆炸。

煙霧、火災甚至爆炸,都是最常見的鋰電池事故特徵,而這些事故的根源大都源於電池熱量的“失控”。電池組中單體電池的電芯熱失控後,瞬間可將溫度升溫的幾百度,隨著電池組溫度升高,其他電池迅速達到燃點,紛紛產生電池失控甚至起火或者爆炸。為了防止空氣進入電池內部,汽車電池製造商一般會用多層外殼或塑膜來封閉電池,使得鋰不會與氧氣接觸。同時採取空氣冷卻或液體冷卻的形式來控制電池工作時的溫度。但如果防護層老化受損或者因碰撞事故遭到破壞,那麼電池一樣會故障乃至起火。

目前,電動汽車基本上都配備了BMS(電池管理系統),BMS系統通過不同的傳感器反饋信號來獲知電池的狀態。因此,一旦電芯、BMS、傳感器,三個環節配合不好,自燃就有可能發生。此外,BMS系統一般都要管理數千個電池,採集每塊電池的電壓、電流、溫度的一系列的參數,在技術運用上還不完善,在電池不斷地充放電的過程中,電池參數“瞬息萬變”,加大了電池管理難度。正如前面所說,BMS系統一旦出現故障,極有可能發生過度充電或放電等異常情況,動力電池發生自燃也是在所難免。2017年一輛眾泰雲100就在充電時發生自燃,就是因為充電過度導致的。

電動車“火”了,高能量密度與高續航背後,安全技術體系已成短板

電動汽車的核心是電池,其電芯質量也是不可忽視的因素。每一個電芯,都有不同的“體質”,如內阻、自放電率、衰減率、極化等參數。但是電池的“體質”和人一樣,會隨使用時間、使用環境,出現變化。質量好的電芯,“體質”差異相對小,要做到這一點,選用材料一致性要好,生產過程自動化水平要高,品質標準要高,由此成本也高。反之,質量差的電芯,成本低,個體差異大,就有很大的安全隱患。比如在充電過程中,個別電芯發生過熱著火。不僅如此,材料、隔膜、粘結劑、結構、封口、生產工藝、生產過程控制等影響因素,都會造車起火事故發生。

碰撞、涉水等因素易引發元件故障,導致自燃

車輛行駛過程中,假設把車身以內看成一個整體,車身外部環境很難受控,當以較高車速行駛時,外部堅硬物質可能會刮擦、飛濺刺穿關鍵電器部件或電池箱體,從而引起電池起火。當車輛行駛在顛簸路面時,會引起車輛的震動幅度變大,此時很容易引起電器部件、線纜、接頭及電池單體鬆動,從而導致接觸不良或者失效的情況,這也會引起起火電動汽車行駛過程中的起火。最嚴重的是在電動汽車發生碰擦事故後,動力電池極有可能因為外力導致破損,內部電芯則可能因為變形而發生短路,不斷釋放熱量發生起火,又或是因為外殼破損而洩漏電解液,同樣會有概率引起燃燒。如威馬電動車自燃起火的原因是電器元件短路引發火情,上海比亞迪宋自燃的原因是機艙電器元件故障,從而引起失火。

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其次就是涉水引發外部短路,新能源汽車電池通常裝配在底盤處,汽車頻繁涉水可能會引起電池接口短路等情況。雖說沒有碰撞導致電池內部短路威脅大,但外部短路如果不及時處理還是會留下安全隱患,2018年9月初一輛停靠在路邊的力帆650EV電動汽車,底盤突然冒出濃煙,隨後便燃起熊熊大火,自燃原因初步判定為車輛被雨水浸泡導致電芯短路,最終引發動力電池起火。

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如何避免在充電、行駛及發生碰撞時,控制高壓電路可能發生的短路問題。目前來說,基本已經形成了一個很成熟的解決方案:那就是在電路上設置多個保險,也就是俗稱熔斷器裝置,一旦發生電路故障出現短路等情況,保險會自動切斷供電,從而控制電池組之間的相互聯動及電力輸出。從技術上來說,新能源車在電池及其元件安全方面已經不成問題。

電池能量密度和續航里程的大幅提升,帶來安全挑戰

另外,現階段消費者比較關注電動汽車的續航里程問題,加上近年來的新能源補貼標準與續航里程、電池能量密度直接掛鉤。新的補貼標準更加鼓勵續航里程長、能量密度高、百公里耗電量低的車型。很多汽車廠商為了減少電池體積,一味地增加電池能量密度,提高續航里程,而忽略了行車安全性問題。以特斯拉為例,它使用的電池是鈷酸鋰電池,這款電池由松下供應,走18650小電池路線,其溫度達到180度時就會分解成氧,放出大量的熱從而可能引發爆炸。並且為了減輕重量和成本,特斯拉還取消了電池最外的絕緣層,導致危險程度進一步加深。事實上,鋰電池能量密度的提高需要正極和負極材料有比較大的改進、與之相匹配的高電壓電解液、耐高溫高強度隔膜、補鋰工藝、電池安全性控制結構、系統保護結構等技術研究,需要花大力氣才能解決。

電動車“火”了,高能量密度與高續航背後,安全技術體系已成短板

電池能量密度與熱失控效率成正相關的關係。這意味著電池能量密度越高,安全性能的門檻也隨之提高。因此,如何在提升電池密度和續航里程的同時,保證電池和整車的安全性,是需要面對的關鍵問題。當前,鋰離子電池能量密度較2012年提高了2倍,2020年動力電池能量密度提升至300Wh/kg,2025年達到350Wh/kg,從技術上看沒有問題。市場容量快速提升帶來的規模效益,也將大大降低動力電池的成本。但必須看到,由此帶來的安全性挑戰會大幅提升,圍繞300Wh/kg以上高能量密度鋰離子電池的安全技術體系,將成為新一代高性能電動汽車最重要的核心技術。

電動汽車安全係數應成為國家、車企重點考慮的問題

另外非常值得關注的是,2018年9月28日中國汽車技術研究中心公佈了2018年度C-NCAP第三批車型的評價結果,兩款電動車型雲度π3和北汽EX360綜合評價2顆星,判定結果為不合格。如雲度π3在速度60km/h的正面40%偏置碰撞測試中,A柱直接彎曲變形,車門毀壞嚴重,正面100%碰撞測試中,車身強度也僅得到了11.93分,遠遠達不到合格分數,而北汽表現的還不如雲度。不管碰撞規則變得多麼嚴苛,僅獲兩星的表現實在是讓人大跌眼鏡。受制於高昂的電池成本,廠家或許會在諸如車身材料、安全配置等方面進行減配,可能導致電動汽車安全方面全面失守。因此,相比於續航里程、充電時間來說,廠家也要關注電動汽車的安全性,目前眾多的電動車型一直以國家標準為準入依據,大多並未經過碰撞測試,提升電動汽車安全係數應成為車企重點考慮的問題。國家也應儘快出臺電動車年檢規範,保障動力電池技術安全,守住電動汽車可持續發展生命線。

電動車“火”了,高能量密度與高續航背後,安全技術體系已成短板

近年來,在政策的支持下,電動汽車發展勢頭迅猛,越來越多消費者青睞電動汽車,對電動汽車的安全性能的關注也將提升到前所未有的高度。從目前已經量產的電動車型來看,基礎安全問題已經得到有效解決,電池熱管理技術的普遍應用使得電動汽車可靠性大大提高。但是,隨著電池的能量密度越來越高,里程越來越長,安全挑戰將大幅提升。頻繁發生的自燃事故再次給電動汽車企業敲響了警鐘:安全性是汽車產品的底線和前提。如果不重視安全,也許一次較大自燃事故就會給相關企業帶來致命打擊。(圖片來源於網絡,侵權請聯繫刪除)

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