一、 前言

隨著電動汽車的日益普及，與電動汽車相關(guān)的安全事故也逐漸增多，不斷刺激著公眾的神經(jīng)，加深了公眾對于新產(chǎn)品、新事物的疑慮。

4月26日下午，深圳一輛電動大巴在公交場站充電時發(fā)生燃燒和爆炸，事故現(xiàn)場濃煙滾滾，事故車輛最后只剩下骨架，所幸未造成人員傷亡。7月22日清晨，廈門市湖里區(qū)東渡南通道公交場站內(nèi)的新能源公交車起火，共造成8輛公交車被燒毀、3輛公交車被燒壞，1名場站值班人員滅火時突然倒地，在120送醫(yī)救治途中死亡。（獨家報道 | 深圳4.26電動大巴起火調(diào)查結(jié)果公布：過充引發(fā)火災(zāi)）

在信息化社會，這些安全事故的新聞以小時甚至分鐘為單位快速擴散，造成了非常不利的社會影響。我們無意指責相關(guān)的整車企業(yè)或電池企業(yè)，事故的原因是復(fù)雜而深刻的，從電池企業(yè)、整車企業(yè)、充電設(shè)備制造商、到公交運營公司，每個環(huán)節(jié)都存在問題和過失，才導致了最終的安全事故。

安全是產(chǎn)品的根基，不管什么情況，都不能以犧牲產(chǎn)品安全為代價，為追逐物質(zhì)利益造成人員傷亡或重大財產(chǎn)損失。在社會充滿喧囂和浮躁的背景下，除了政府層面應(yīng)該制定嚴格的法律法規(guī)和產(chǎn)品準入標準之外，每一家企業(yè)都應(yīng)該承擔起自己的社會責任，從自身的角度，盡可能杜絕產(chǎn)品的安全隱患。

作者本人曾長期從事電動汽車動力電池系統(tǒng)的開發(fā)工作，也曾擔任產(chǎn)品級的安全經(jīng)理，對動力電池系統(tǒng)的安全風險和防護設(shè)計有一定的認識。寫作此文，希望與業(yè)界同仁一起分享，共同推動行業(yè)的良性發(fā)展。

二、 動力電池系統(tǒng)安全分析

1. 系統(tǒng)級危害

作為純電動汽車的唯一能量來源和混合動力汽車的重要能量來源，動力電池系統(tǒng)的安全性顯得非常重要，稍有不慎即可能成為事故的源頭，造成嚴重危害。

動力電池系統(tǒng)的定義：是一個能量存儲裝置，包括電池單體(電芯)或電池模組，電路和電控單元，以及相關(guān)的電氣和結(jié)構(gòu)組件。

動力電池系統(tǒng)的安全特征：作為高能量載體，在不需要外部能量輸入的情況下，本身就能夠因能量非正常釋放而產(chǎn)生巨大破壞力。

能量非正常釋放的表現(xiàn)形式：

? 電能釋放(電擊)

? 化學能釋放(燃燒，爆炸)

燃燒和爆炸兩者都需具備可燃物、氧化劑和火源這三個基本因素。因此，燃燒和爆炸就其本質(zhì)來說是相同的，而它們的主要區(qū)別在于氧化反應(yīng)速度不同。燃燒速度(即氧化速度)越快，燃燒熱的釋放越快，所產(chǎn)生的破壞力也越大。在有限的空間里產(chǎn)生急速燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，就會發(fā)生爆炸。

燃燒：化學能轉(zhuǎn)化為熱能、光能等

爆炸：化學能轉(zhuǎn)化為熱能、光能，并伴有巨大的機械能

動力電池系統(tǒng)的電特性：

? 輸出電壓通常高達300V以上(直流60V以上為非安全電壓)

? 存儲的能量達到kWh級別(1kWh=3.6MJ)

動力電池系統(tǒng)的化學特性：

? 電池單體中的電解液和系統(tǒng)中的塑料部件是可燃物，金屬鋁在高溫下也會燃燒

? 電池單體中的正負極材料是氧化劑

? 電池單體中的放熱副反應(yīng)會引起溫度快速上升，成為火源

動力電池系統(tǒng)的機械特性：

? 為了防水防塵，呈空間密閉狀態(tài)

? 為了經(jīng)受強烈的機械載荷，殼體材料具有足夠的強度

[page]

2. 電擊分析

動力電池系統(tǒng)為非安全電壓的直流電系統(tǒng)，所造成的電擊危害為人體直流觸電。

構(gòu)成直流觸電的基本要素：

? 電壓等級超過安全電壓標準(直流60V)

? 存儲的電荷達到一定能量等級(幾百焦耳的電能足以致命)

? 人體與高壓直流電的兩級構(gòu)成放電回路

直流觸電發(fā)生的必要條件是帶電物體的正負極必須與人體構(gòu)成放電回路，直流觸電的發(fā)生概率和危害都小于交流觸電，交流觸電只要人體接觸某一相線，即可在相線、人體和大地之間構(gòu)成放電回路。

導致動力電池系統(tǒng)發(fā)生觸電的可能原因：

? 外殼或高壓端口的接觸防護失效，人體同時接觸到兩個裸露的電極，構(gòu)成放電回路

? 正負極與殼體的絕緣都失效，動力電池系統(tǒng)的外殼不同部位帶電且電位不等(電位差大于60V)，人體同時接觸到這兩個帶電部位，構(gòu)成放電回路

第一種情況的發(fā)生概率和危害要高于第二種情況，如安裝、拆卸、維護、充電時均有可能發(fā)生，第二種情況一般可以通過等電位的方式來做附加防護。

3. 燃燒和爆炸分析

相對于電擊而言，燃燒和爆炸是動力電池系統(tǒng)最為常見的危害表現(xiàn)形式，造成的影響更為嚴重。

導致動力電池系統(tǒng)發(fā)生燃燒或爆炸的可能原因：

? 電芯的放熱副反應(yīng)導致熱失控，引燃電解液、隔離膜和其他可燃物質(zhì)

? 局部連接阻抗過大，導致溫度上升，達到著火點溫度，引燃動力電池包內(nèi)部的可燃物質(zhì)

? 動力電池包外部發(fā)生火災(zāi)，導致動力電池包溫度持續(xù)上升，達到著火點溫度，引燃內(nèi)部的可燃物質(zhì)

針對電動汽車的使用情況而言，第一種情況的發(fā)生概率最高，危害最大。電芯的放熱副反應(yīng)導致熱失控，是動力電池系統(tǒng)發(fā)生燃燒或爆炸的主要原因。

鋰離子電池內(nèi)部主要放熱反應(yīng)有：

? SEI膜的分解(90~120℃)；

? 負極與電解液的反應(yīng)(120℃以上)；

? 電解液分解(200℃左右)；

? 正極與電解液的反應(yīng)，伴隨正極分解，析出氧氣(180~500℃)；

? 負極與粘結(jié)劑的反應(yīng)(240℃以上)等。

電芯熱失控(燃燒，爆炸)的原因：電芯內(nèi)部的放熱副反應(yīng)導致熱量累積，電芯對外熱交換的速率小于熱量累積速率，溫度持續(xù)升高，直至達到著火點溫度，引起燃燒和爆炸。

電芯內(nèi)部的熱過程遵循熱量平衡：

Qp = Qe + Qa

Qp—電芯內(nèi)部各種副反應(yīng)產(chǎn)生的熱量

Qe—電芯與環(huán)境交換的熱量(散熱)

Qa—電芯自己吸收的熱量(熱累積)

如果Qe ≥ Qp，則Qa為負值或零，電芯內(nèi)部溫度不會上升，不會產(chǎn)生熱失控

如果Qe < Qp，則Qa為正值，電芯內(nèi)部溫度持續(xù)上升，直至熱失控(200~300℃)

避免電芯熱失控的措施：

? 采取保護措施，降低外部觸發(fā)因素發(fā)生概率(過充、過熱、短路、擠壓、穿刺等)；

? 阻斷放熱副反應(yīng)的正反饋過程，如增加保險絲，或在正負極材料與集流體之間增加PTC材料；

? 降低放熱副反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，如選擇磷酸鐵鋰正極材料、改變電解液的有機溶劑成分等；

? 提高著火點溫度，如在電解液中添加阻燃材料、選用陶瓷隔膜等；

? 提高散熱能力，避免熱累積，如采用高效的液冷設(shè)計方案等。

[page]

三、 安全防護設(shè)計

1. 整體思路

動力電池系統(tǒng)安全防護的根本原則：阻止電能和化學能在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)和某些非正常狀態(tài)(法律法規(guī)、標準所規(guī)定的情況，以及典型的失效情況)，以不可控的方式釋放，或減輕其不可控釋放所帶來的危害。

安全防護設(shè)計的主要方法：

1) 阻止能量的不可控釋放——預(yù)防危害發(fā)生

2) 阻斷能量不可控釋放的路徑——阻止危害發(fā)生后的蔓延

3) 降低能量不可控釋放的破壞——降低危害所造成的損害

針對電擊危害：

? 被動預(yù)防為主，保證足夠的絕緣強度和有效的接觸防護

? 采取有效的主動干預(yù)機制(針對絕緣緩慢失效)，阻止危害發(fā)生，保證安全裕量

? 一旦發(fā)生，因為能量釋放太快(毫秒級)，無法及時進行中斷或降損

針對燃燒危害：

? 預(yù)防，中斷和降損有效結(jié)合

? 主動防護，阻止過充，短路，過熱等濫用情況，避免危害發(fā)生

? 良好的結(jié)構(gòu)防護，保護電池在撞擊，擠壓，穿刺，跌落等情況下的安全性

? 良好的散熱能力，降低內(nèi)部熱累計速度，避免熱失控

? 內(nèi)部組件的著火點溫度閾值足夠高，提高危害發(fā)生的門檻

? 防火槽，隔熱材料，導火導熱裝置等中斷火災(zāi)蔓延路徑，阻止連鎖反應(yīng)

? 阻燃材料，降低燃燒損害

? 采取危險源檢測與主動滅火裝置

針對爆炸危害：

? 預(yù)防為主，避免燃燒

? 中斷和降損為輔，在發(fā)生爆燃時，有泄壓裝置，快速釋放高溫高壓氣體，避免爆炸，或降低爆炸的力度

2. 工程方法

安全的防護設(shè)計，是一個系統(tǒng)工程，切勿從局部入手，僅根據(jù)某些典型的失效案例，采取有限的應(yīng)對措施，或者僅根據(jù)國外和國內(nèi)標準的要求，簡單通過相關(guān)的測試和認證。

在產(chǎn)品的安全設(shè)計工作中，要追根溯源，抽絲剝繭，綜合運用多種工程方法和措施，從系統(tǒng)級到子系統(tǒng)、部件、零件等各個層級都采取完整而有效的解決方案，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的安全性。

在項目的早期，產(chǎn)品僅處于概念或草案階段，此時需要結(jié)合已有的工程經(jīng)驗，綜合考慮產(chǎn)品所面向區(qū)域的法律法規(guī)、標準規(guī)范、典型案例、客戶需求等因素，確定產(chǎn)品的系統(tǒng)級安全目標。

項目早期(概念階段)：

? 工程經(jīng)驗

? 法律法規(guī)

? 標準規(guī)范

? 已有案例

…

在產(chǎn)品的方案階段，則要根據(jù)產(chǎn)品的總體架構(gòu)和接口定義，基于產(chǎn)品的系統(tǒng)級安全目標，綜合運用頭腦風暴、魚骨圖分析、FTA、System-FMEA、建模仿真等工程方法，確定詳細的安全目標和相關(guān)指標，并分解至子系統(tǒng)或零部件，同時確定相互之間的安全設(shè)計配合。

項目早期(方案階段)：

? 頭腦風暴

? 魚刺圖(魚骨圖)

? FTA(故障樹分析)

? S-FMEA

? 仿真

…

在接下來的開發(fā)過程中，仍然需要將安全的相關(guān)設(shè)計目標往下分解，直至最底層的零件，建立完善的需求分解和追溯系統(tǒng)。運用DFMEA、測試、安全評估等方法，驗證安全設(shè)計的有效性和完整性。

項目過程中(設(shè)計/驗證階段)：

? D-FMEA

? 測試

? 安全評估

…

在產(chǎn)品的安全設(shè)計方案方面，應(yīng)該結(jié)合主/被動安全防護設(shè)計，達到最佳的安全防護效果，提升動力電池系統(tǒng)的安全性能。

被動安全防護設(shè)計：

? 結(jié)構(gòu)強度

? 絕緣材料

? 防水防塵

? 快速散熱

? 防火阻燃

? 壓力泄放

…

主動安全防護設(shè)計：

? 專有的安全防護電路與軟件模塊

? 絕緣、煙霧、壓力、氣體、液體檢測

? 達到閾值門檻，執(zhí)行報警、切斷輸出、主動滅火等措施

…

通過系統(tǒng)級防護設(shè)計和零部件防護設(shè)計相互結(jié)合，能夠獲得較高的安全冗余，從而提升動力電池系統(tǒng)的安全性能。

系統(tǒng)級安全防護設(shè)計：

? 環(huán)境防護

? 濫用防護

? 壓力平衡

? 主動安全防護

…

零部件級安全防護設(shè)計：

? 電芯在極端情況下的安全性

? 部件在高溫下的阻燃特性

? 控制單元的功能安全

…

3. 建立企業(yè)內(nèi)部規(guī)范

歐美企業(yè)在發(fā)展過程中，會逐步建立自己的產(chǎn)品開發(fā)規(guī)范，從設(shè)計要求、設(shè)計方案、設(shè)計檢查、評審評估等各個方面都有嚴格規(guī)定，從而在企業(yè)內(nèi)部建立一個防火墻機制。國內(nèi)企業(yè)在這方面則重視不夠，產(chǎn)品開發(fā)過程受人的影響非常大，不能將經(jīng)驗的積累轉(zhuǎn)化為一種制度性的強制約束，會一而再再而三的重復(fù)別人或自己曾經(jīng)犯過的錯誤。此外，每個公司的資源都是有限的，如果不同產(chǎn)品的經(jīng)驗不能積累成通用化的平臺并充分共享，必然導致資源的投入永遠跟不上業(yè)務(wù)擴張的速度，企業(yè)決策和管理層疲于奔命，工程師累的崩潰，產(chǎn)品問題層出不窮。

在動力電池系統(tǒng)的安全防護方面，企業(yè)應(yīng)該逐步為自己建立一個行之有效的安全設(shè)計規(guī)范，來約束不同產(chǎn)品的開發(fā)目標和過程。如有可能，應(yīng)該逐步推動企業(yè)內(nèi)部標準的建立。

四、 總結(jié)

從2013年開始，電動汽車的發(fā)展呈現(xiàn)出一種比較“火熱”的狀態(tài)，一是發(fā)展的速度確實以倍數(shù)在增長，不僅是中國市場井噴，全球電動汽車的產(chǎn)銷都在快速增長；二是安全事故層出不窮，國內(nèi)外都有很多案例，除了新事物本身的不成熟之外，企業(yè)的社會責任感不足也是非常重要的因素，在涉及到人身安全的產(chǎn)品推廣和普及方面，我們應(yīng)該慎之又慎。

本文寫作的目的，不是要闡述某個具體的動力電池系統(tǒng)安全設(shè)計方案，不同的產(chǎn)品，其類型、應(yīng)用、架構(gòu)都有很大差異，所采取的安全方案也不完全一樣。我們的目的，是探討如何在系統(tǒng)層面把握產(chǎn)品安全分析和設(shè)計的方法，建立適合自己的一套體系和規(guī)則。

在整個行業(yè)還不成熟，且國內(nèi)的技術(shù)水平還明顯落后于國外的情況下，我們反對照搬國外的游戲規(guī)則，如同在溫飽問題沒有解決的情況下，不要過度追求物質(zhì)享受。如ISO 26262標準所規(guī)定的體系要求，在未來的幾年內(nèi)，國內(nèi)沒有一家企業(yè)可以達到，與其耗費大量資源去鉆研國外的規(guī)則，不如踏實做好自己的工作，一步一步積累，推動產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。產(chǎn)業(yè)發(fā)展到一定階段的時候，接軌甚至超越都是很自然的事情。

在新能源汽車的發(fā)展道路上，我們?nèi)沃囟肋h。

返回第一電動網(wǎng)首頁 >