十年零自燃，純電動(dòng)汽車也可以很安全

安全問(wèn)題,已經(jīng)成為純電動(dòng)汽車用戶的心腹之患。

但是,令人幾乎難以置信的是,也有產(chǎn)品上市近十年零自燃事故紀(jì)錄的純電動(dòng)汽車。前不久舉行的世界新能源汽車大會(huì)上,日產(chǎn)副社長(zhǎng)坂本秀行在大會(huì)發(fā)言中表示,日產(chǎn)旗下首款量產(chǎn)的純電動(dòng)汽車聆風(fēng),自推出至今已近十年,始終保持了零自燃事故的紀(jì)錄。

“通過(guò)了解日產(chǎn)聆風(fēng)汽車的安全技術(shù),無(wú)疑將有利于很多我國(guó)純電動(dòng)汽車及動(dòng)力電池企業(yè)提升其產(chǎn)品的安全性能,盡量避免自燃事故的發(fā)生?！逼囆袠I(yè)分析師鐘師在接受記者采訪時(shí)認(rèn)為。

十年零自燃是如何做到的

從現(xiàn)狀看,純電動(dòng)汽車自燃,源頭基本來(lái)自于動(dòng)力電池。據(jù)了解,日產(chǎn)聆風(fēng)電動(dòng)汽車所使用的動(dòng)力電池,是日產(chǎn)與日本NEC公司聯(lián)合成立的遠(yuǎn)景公司所生產(chǎn)的電芯。如果按照每輛日產(chǎn)聆風(fēng)電動(dòng)汽車上有288個(gè)電芯計(jì)算,近十年來(lái)銷售的數(shù)十萬(wàn)輛日產(chǎn)聆風(fēng)電動(dòng)汽車,粗略估計(jì)也有數(shù)千萬(wàn)個(gè)電芯。如此多的電芯數(shù)量,是如何做到始終安全零事故率的呢?這足以吸引業(yè)界的目光。

互聯(lián)網(wǎng)上,一名網(wǎng)友發(fā)布的視頻引人驚嘆。視頻中,有一人把螺絲刀用力扎進(jìn)遠(yuǎn)景動(dòng)力電池的電芯里,幾秒后發(fā)現(xiàn)該電芯毫無(wú)反應(yīng)。這時(shí),此人又再次下壓螺絲刀扎入電芯更深,這時(shí)候電芯冒出了幾縷青煙,但并沒有自燃。隨后,此人又把這塊“受傷”的電芯通電試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)不但能用,而且電流電壓跟完好的電芯一致。隨后,視頻中有人又拿出另一塊完好的遠(yuǎn)景動(dòng)力電池電芯,用噴火槍對(duì)著這塊電芯噴火,但是,電芯并沒有燃燒,只有電芯表面的鋁塑膜燒沒了。隨后通電測(cè)試,該電芯同樣還能正常工作。

“日產(chǎn)聆風(fēng)所使用的動(dòng)力電池,是遠(yuǎn)景開發(fā)的產(chǎn)品,除了在構(gòu)造上與其他動(dòng)力電池有顯著差異之外,還擁有在發(fā)生高強(qiáng)度劇烈撞擊時(shí)的自我處理機(jī)制,以及防止劣化方面的特殊設(shè)計(jì)。”坂本秀行介紹,遠(yuǎn)景擁有完整嚴(yán)苛的動(dòng)力電池產(chǎn)品研發(fā)測(cè)試體系,為充分驗(yàn)證產(chǎn)品的性能、安全與耐久性,光測(cè)試項(xiàng)目就超過(guò)1000項(xiàng)。

據(jù)介紹,就針刺試驗(yàn)而言,其通行做法是用鋼針將滿電的電池刺穿,以提供內(nèi)部短路的通路,測(cè)試其是否會(huì)發(fā)生冒煙、漏液或者起火爆炸。遠(yuǎn)景一直將穿刺試驗(yàn)作為驗(yàn)證電池產(chǎn)品安全的必要步驟,并作為一個(gè)強(qiáng)制性指標(biāo)、通過(guò)將新的安全技術(shù)應(yīng)用在電池上,制造出即使刺穿也能保證安全的動(dòng)力電池。通過(guò)多年積累,遠(yuǎn)景公司擁有超過(guò)2000項(xiàng)技術(shù)專利,覆蓋電化學(xué)技術(shù),電池工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以及熱平衡和能量管理電池包開發(fā)等方面,這都為遠(yuǎn)景在保障電池安全方面奠定了基礎(chǔ)。

有意思的是,遠(yuǎn)景公司原來(lái)的名字并不叫遠(yuǎn)景。今年4月1日,該公司被來(lái)自中國(guó)的遠(yuǎn)景集團(tuán)正式收購(gòu),遂更名為遠(yuǎn)景。

數(shù)據(jù)顯示,截至2019年5月,日產(chǎn)聆風(fēng)已經(jīng)在全世界售出了41.5萬(wàn)輛。在中國(guó)之外的市場(chǎng),日產(chǎn)聆風(fēng)的銷量?jī)H次于特斯拉車型。其中,在美國(guó)已經(jīng)售出近13.5萬(wàn)輛。此外,來(lái)自歐洲市場(chǎng)的銷售數(shù)據(jù)表明,今年上半年,日產(chǎn)聆風(fēng)在歐洲市場(chǎng)銷量達(dá)16348輛,躋身歐洲電動(dòng)汽車銷量前五。

無(wú)論是用戶還是專業(yè)機(jī)構(gòu),都對(duì)日產(chǎn)聆風(fēng)的安全性能給予好評(píng)。即使在2011年日本福島地震時(shí),有20多輛日產(chǎn)聆風(fēng)被海水淹沒,但無(wú)一例起火事件,這讓業(yè)界深刻反思。國(guó)內(nèi)資深電氣工程師朱玉龍對(duì)此表示:“這值得我們深思。對(duì)于電池來(lái)說(shuō),真的不能只看能量密度和成本這兩個(gè)因素,如何保證安全才是第一位的。”

自燃隱患來(lái)自哪里

“純電動(dòng)汽車自燃,動(dòng)力電池是最直接的自燃隱患所在。這需要不斷提高相關(guān)技術(shù)保障水平,只有保證動(dòng)力電池的安全,才能提升電動(dòng)汽車整車的安全性能?！焙洗髮W(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師黃宏文在接受記者采訪時(shí)表示。

目前,用于純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池主要有三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池等。其中,乘用車最常用的是三元鋰電池,磷酸鐵鋰等,其他材料的動(dòng)力電池主要用于商用車等類車輛。

據(jù)介紹,常用的三元鋰電池的特點(diǎn)是能量密度大,電壓更高,所以同樣重量的電池組電池容量更大,汽車行駛的距離也就更遠(yuǎn),速度也能更快,成本也相對(duì)較低。其弱點(diǎn)在于穩(wěn)點(diǎn)性較差,如果內(nèi)部短路或是正極材料遇水,都會(huì)有明火產(chǎn)生。所以一般18650電池(直徑為18mm,長(zhǎng)度為65mm,0表示為圓柱形電池)都會(huì)有一層鋼殼保護(hù),但是在極端的碰撞事故中,起火隱患還是存在的。

正因?yàn)槿嚥牧嫌羞@樣較為“輕浮”的特點(diǎn),所以,有關(guān)動(dòng)力電池制造商也在努力提升其安全性能。根據(jù)三元鋰材料容易熱解的特性,制造商在過(guò)充保護(hù)(OVP)、過(guò)放保護(hù)(UVP)、過(guò)溫保護(hù)(OTP)、過(guò)流保護(hù)(OCP)這幾個(gè)環(huán)節(jié)上都會(huì)下不少的功夫。

目前,國(guó)內(nèi)的動(dòng)力電池企業(yè)經(jīng)過(guò)不斷技術(shù)研發(fā),不但提高了動(dòng)力電池能量密度,安全性能也不斷提高。

三元鋰電池的理論壽命是2000次充放電循環(huán),但在實(shí)際使用中,當(dāng)進(jìn)行900次的充放電循環(huán)后,電池容量就基本衰減到了55%。也就是說(shuō)充滿電只能跑原來(lái)里程的一半。但如果每次電池充放電都控制在0%～50%或者25%～75%的循環(huán)中工作,即使經(jīng)過(guò)3000次的充放電循環(huán),電池容量基本還能能夠保持在70%左右。

“伴隨著越來(lái)越多的電池企業(yè)、車企還有專業(yè)的電池管理企業(yè)在這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā),動(dòng)力電池的安全性能將大大提升?！秉S宏文認(rèn)為。

熱管理系統(tǒng)同樣是關(guān)鍵

“很多純電動(dòng)汽車自燃的主要原因,很大程度上都是因?yàn)殡妱?dòng)汽車電池?zé)崾Э剞D(zhuǎn)為熱蔓延造成的事故?！卑ㄇ迦A大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高在內(nèi)的許多業(yè)界專家學(xué)者都持這一觀點(diǎn)。“電動(dòng)汽車安全的核心是電池安全。通過(guò)嚴(yán)格的熱管理系統(tǒng),對(duì)電池在不同情況下進(jìn)行管理,技術(shù)上已逐漸不再是難題?！睔W陽(yáng)明高所言,強(qiáng)調(diào)的就是新能源汽車的熱管理系統(tǒng)。

如同人的體溫基本維持在37℃左右、過(guò)高就是發(fā)燒生病一樣,如今新能源乘用車大多使用三元鋰電池,充電溫度為0℃～45℃之間,放電溫度為-40℃～60℃之間。只有在最佳溫度下,電池才能安全發(fā)揮最大的工作效率。

一般而言,新能源汽車的熱管理系統(tǒng)主要包括四部分:電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、汽車空調(diào)系統(tǒng)、電機(jī)電控冷卻系統(tǒng)、減速器冷卻系統(tǒng)。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)就是通過(guò)技術(shù)手段,對(duì)電池在不同情況下進(jìn)行散熱、加熱、隔熱,讓電池始終處于45℃以內(nèi)的正常工作狀態(tài),即便電池組中有個(gè)別電池出現(xiàn)溫度過(guò)高的情況,熱管理系統(tǒng)也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警,通知操作人員進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜藶楦深A(yù)。

純電動(dòng)汽車的核心技術(shù)看電池,電池的核心技術(shù)看熱管理。當(dāng)今的熱管理技術(shù)不僅涉及硬件,也涉及軟件算法。熱管理系統(tǒng)的技術(shù)水平,不僅關(guān)系到電動(dòng)汽車的安全性,也直接影響到續(xù)駛里程的表現(xiàn)。

純電動(dòng)汽車電池的安全焦慮、里程焦慮、壽命焦慮,都與動(dòng)力電池密不可分。而抓住動(dòng)力電池這個(gè)關(guān)鍵之“手”的,就是熱管理系統(tǒng)。就電池降溫的冷卻方式而言,在用的主要有風(fēng)冷和液冷兩種方式。目前新能源乘用車廣泛采用電池液體冷卻技術(shù),如特斯拉旗下車型和寶馬i3等。液冷技術(shù)通過(guò)液體對(duì)流換熱方式將電池產(chǎn)生的熱量帶走,液體換熱系數(shù)高、熱容量大、冷卻速度快,對(duì)降低最高溫度、保持電池組溫度一致性效果更好。相關(guān)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)量產(chǎn)的純電動(dòng)汽車液冷的使用率呈上升態(tài)勢(shì)。

除了當(dāng)前大量使用的三元鋰電池,作為發(fā)展方向的氫燃料電池、固態(tài)電池,也都需要適宜的工作溫度,如氫燃料電池工作溫度要求一般為60℃～120℃,固態(tài)電池工作溫度要求一般為60℃～80℃,這對(duì)熱管理系統(tǒng)技術(shù)提出了更高的要求,帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。

業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為,目前新能源汽車熱管理系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)一是電動(dòng)壓縮機(jī),二是低溫?zé)岜?三是新一代制冷劑。在制冷劑方面,隨著各國(guó)一系列環(huán)保新政策頒布、特別是歐盟指令2006/40/EC的生效,環(huán)保型制冷劑將代替原有的R134a。但是,如果制冷劑采用R744,整個(gè)制冷系統(tǒng)的內(nèi)部工作壓力將會(huì)顯著升高。雖然通過(guò)縮小內(nèi)腔體積、材料加厚進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化后,換熱器可以實(shí)現(xiàn)足夠的承壓能力,然而壁厚的增加必然會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器重量的增加,同時(shí)電池外殼也需要更高的強(qiáng)度來(lái)抵御高溫下的熱膨脹,這些又會(huì)對(duì)換熱器鋁材提出更高的強(qiáng)度要求。

當(dāng)前,新能源汽車正處于飛速發(fā)展之中,而熱管理系統(tǒng)作為新能源汽車的核心技術(shù)之一,成為國(guó)內(nèi)外企業(yè)角逐的“競(jìng)技場(chǎng)”。誰(shuí)擁有更好的熱管理系統(tǒng),誰(shuí)就擁有更強(qiáng)的定價(jià)話語(yǔ)權(quán)和市場(chǎng)主動(dòng)權(quán)。

“把新能源汽車的熱管理系統(tǒng)做好了,就為解決電動(dòng)汽車的安全焦慮、里程焦慮打下了基礎(chǔ)?！北本┐髮W(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授其魯向記者表示,絕不能對(duì)發(fā)生的事故、存在的問(wèn)題麻木不仁,置若罔聞。我們必須加快技術(shù)創(chuàng)新的步伐,通過(guò)技術(shù)突破,拿出更安全、更可靠的產(chǎn)品,向零事故率純電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)看齊,打消用戶對(duì)新能源汽車產(chǎn)品的種種焦慮,讓新能源汽車更安全、更便捷。