動力電池系統(tǒng)構(gòu)成及所面臨安全風(fēng)險(xiǎn)

近年來，隨著電動汽車的快速發(fā)展，如何解決電動汽車所帶來的安全問題，又成為汽車行業(yè)的新的話題和難點(diǎn)。由于人們對新事物的認(rèn)知有個(gè)過程，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)電動汽車的安全事故，都會導(dǎo)致公眾對電動汽車安全性的疑慮進(jìn)一步加深，阻礙電動汽車的發(fā)展和普及。

其實(shí)，傳統(tǒng)的燃油車由于碰撞或自燃所導(dǎo)致的車輛起火事故，每年在全球都會發(fā)生很多起，造成嚴(yán)重人員傷亡的也為數(shù)不少，并不會造成公眾的廣泛關(guān)注和質(zhì)疑。公眾之所以對電動汽車的安全事故這么敏感，除了電動車發(fā)生事故時(shí)，通常會伴有火、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(jī)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汽車動力電池呢?

電動汽車(包括混合動力汽車)與傳統(tǒng)的燃油車有很多相同之處，又有一些不同之處。其運(yùn)行工況、使用環(huán)境、車身結(jié)構(gòu)、內(nèi)外造型等基本沒有什么差異，最大的差別在于驅(qū)動方式和能量的來源。因?yàn)橐肓穗娏︱?qū)動，所以就存在諸如“電擊”和“短路”之類的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橛懈吣芰枯d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(xiǎn)。因?yàn)榛瘜W(xué)電池本身的穩(wěn)定性問題，又會帶來許多超出人們“傳統(tǒng)”認(rèn)知的風(fēng)險(xiǎn)。

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(shù)吧。所以，不管是國家層面的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，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(xiǎn)和隱患，消除民眾的疑慮，從而推動新能源汽車的發(fā)展。我們，沒有任何理由拿不成熟不可靠的產(chǎn)品，來忽悠公眾和消費(fèi)者，為企業(yè)或個(gè)人的私利服務(wù)。下文將從動力電池的各項(xiàng)參數(shù)詳細(xì)解析動力電池的安全要素。

一、動力電池系統(tǒng)的構(gòu)成

作為電動汽車的動力來源，或動力來源之一，動力電池系統(tǒng)通常由電芯(Cell)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、冷卻系統(tǒng)(Coolingsystem)、線束(Harness)、外殼(Housing)、結(jié)構(gòu)件(mechanicalparts)等相關(guān)組建構(gòu)成，如下圖所示：

可以看出，動力電池系統(tǒng)的構(gòu)成還是相當(dāng)復(fù)雜的，既有電芯這類化學(xué)物體，也有復(fù)雜的電子電氣系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，還有傳統(tǒng)的各類機(jī)械部件，涉及到的專業(yè)種類非常的多，加上惡劣的運(yùn)行環(huán)境，所面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)也很廣泛。

二、動力電池系統(tǒng)所面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)

動力電池系統(tǒng)所面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)，主要與其內(nèi)部部件的特性和外部的使用和運(yùn)行環(huán)境相關(guān)，構(gòu)成了產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)。

1)電芯會不會起火爆炸?

動力電池系統(tǒng)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(dá)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，1千克的磷酸鐵鋰電芯蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于103克的TNT炸藥。

一輛純電動汽車，其使用的電芯通常重達(dá)幾百公斤，以100公斤電芯計(jì)算，總能量就相當(dāng)于10公斤TNT炸藥。換著是誰，心里都會發(fā)毛，這東西會不會不穩(wěn)定，會不會起火，甚至爆炸啊?

2)會不會產(chǎn)生電擊事故?

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

每年，因?yàn)殡娖?、電線、電力設(shè)備等漏電所造成的電擊事故，都會發(fā)生很多，也經(jīng)常見諸媒體。我小的時(shí)候就被裸露的220V電線電擊過，那種滋味永生難忘。那么，人們也有理由疑慮，電動汽車?yán)锩娴母邏簬щ姴考瑫粫╇?，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?

車輛的運(yùn)行和使用環(huán)境非常復(fù)雜，既要經(jīng)受高溫高濕的考驗(yàn)，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(qū)，也有需要經(jīng)常涉水的地方。

車輛在行駛過程中，要經(jīng)歷高低溫的循環(huán)考驗(yàn)，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、跌落、甚至碰撞和翻滾。那么，在這些客觀的環(huán)境面前，動力電池系統(tǒng)能夠經(jīng)受考驗(yàn)，不產(chǎn)生嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)嗎?

4)能不能經(jīng)受各種濫用?

當(dāng)產(chǎn)品銷量足夠大的時(shí)候，產(chǎn)品的使用，總有超過規(guī)定極限的情況或一些意外的情況，這是不可避免的。以手機(jī)為例，當(dāng)充電保護(hù)失效的時(shí)候，手機(jī)電池可能因?yàn)檫^充而起火或爆炸。如果手機(jī)電池被尖利的金屬穿刺，也有可能發(fā)生爆炸。

那么，電動汽車的動力電池系統(tǒng)能夠經(jīng)受類似的濫用考驗(yàn)，不造成安全事故嗎?這些濫用的情況，既有人為造成的，也有客觀環(huán)境造成的。

5)電池管理系統(tǒng)失效了怎么辦?

動力電池系統(tǒng)有一套復(fù)雜的管理和控制系統(tǒng)，時(shí)刻采集整個(gè)動力電池包的各種運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算、診斷、通信和開關(guān)控制。系統(tǒng)越智能化，當(dāng)其發(fā)生故障時(shí)，后果也就越嚴(yán)重。

舉個(gè)例子，如果動力電池包內(nèi)部的某個(gè)電芯過熱，熱管理系統(tǒng)失效，電芯存在熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，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(zhí)行斷開動作的開關(guān)，不能正常的斷開怎么辦?風(fēng)險(xiǎn)是否會蔓延，并造成嚴(yán)重的安全事故?

三、動力電池安全設(shè)計(jì)的目標(biāo)

動力電池系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)，基本上圍繞以上提到的內(nèi)部組件構(gòu)成和可能發(fā)生的安全風(fēng)險(xiǎn)展開，確定合理的目標(biāo)和框架，指導(dǎo)具體的產(chǎn)品開發(fā)工作。

1)化學(xué)安全

電芯發(fā)生熱失控，可能會產(chǎn)生電解液泄漏、起火和燃燒等現(xiàn)象，但其破壞力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能與炸藥相比的。炸藥爆炸時(shí)，能量在極短的時(shí)間內(nèi)釋放出來，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)的過程，加上電動汽車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(yù)警和處置時(shí)間。