十年零自燃，纯电动汽车也可以很安全

安全问题,已经成为纯电动汽车用户的心腹之患。

但是,令人几乎难以置信的是,也有产品上市近十年零自燃事故纪录的纯电动汽车。前不久举行的世界新能源汽车大会上,日产副社长坂本秀行在大会发言中表示,日产旗下首款量产的纯电动汽车聆风,自推出至今已近十年,始终保持了零自燃事故的纪录。

“通过了解日产聆风汽车的安全技术,无疑将有利于很多我国纯电动汽车及动力电池企业提升其产品的安全性能,尽量避免自燃事故的发生。”汽车行业分析师钟师在接受记者采访时认为。

十年零自燃是如何做到的

从现状看,纯电动汽车自燃,源头基本来自于动力电池。据了解,日产聆风电动汽车所使用的动力电池,是日产与日本NEC公司联合成立的远景公司所生产的电芯。如果按照每辆日产聆风电动汽车上有288个电芯计算,近十年来销售的数十万辆日产聆风电动汽车,粗略估计也有数千万个电芯。如此多的电芯数量,是如何做到始终安全零事故率的呢?这足以吸引业界的目光。

互联网上,一名网友发布的视频引人惊叹。视频中,有一人把螺丝刀用力扎进远景动力电池的电芯里,几秒后发现该电芯毫无反应。这时,此人又再次下压螺丝刀扎入电芯更深,这时候电芯冒出了几缕青烟,但并没有自燃。随后,此人又把这块“受伤”的电芯通电试验,发现不但能用,而且电流电压跟完好的电芯一致。随后,视频中有人又拿出另一块完好的远景动力电池电芯,用喷火枪对着这块电芯喷火,但是,电芯并没有燃烧,只有电芯表面的铝塑膜烧没了。随后通电测试,该电芯同样还能正常工作。

“日产聆风所使用的动力电池,是远景开发的产品,除了在构造上与其他动力电池有显著差异之外,还拥有在发生高强度剧烈撞击时的自我处理机制,以及防止劣化方面的特殊设计。”坂本秀行介绍,远景拥有完整严苛的动力电池产品研发测试体系,为充分验证产品的性能、安全与耐久性,光测试项目就超过1000项。

据介绍,就针刺试验而言,其通行做法是用钢针将满电的电池刺穿,以提供内部短路的通路,测试其是否会发生冒烟、漏液或者起火爆炸。远景一直将穿刺试验作为验证电池产品安全的必要步骤,并作为一个强制性指标、通过将新的安全技术应用在电池上,制造出即使刺穿也能保证安全的动力电池。通过多年积累,远景公司拥有超过2000项技术专利,覆盖电化学技术,电池工艺和结构设计,以及热平衡和能量管理电池包开发等方面,这都为远景在保障电池安全方面奠定了基础。

有意思的是,远景公司原来的名字并不叫远景。今年4月1日,该公司被来自中国的远景集团正式收购,遂更名为远景。

数据显示,截至2019年5月,日产聆风已经在全世界售出了41.5万辆。在中国之外的市场,日产聆风的销量仅次于特斯拉车型。其中,在美国已经售出近13.5万辆。此外,来自欧洲市场的销售数据表明,今年上半年,日产聆风在欧洲市场销量达16348辆,跻身欧洲电动汽车销量前五。

无论是用户还是专业机构,都对日产聆风的安全性能给予好评。即使在2011年日本福岛地震时,有20多辆日产聆风被海水淹没,但无一例起火事件,这让业界深刻反思。国内资深电气工程师朱玉龙对此表示:“这值得我们深思。对于电池来说,真的不能只看能量密度和成本这两个因素,如何保证安全才是第一位的。”

自燃隐患来自哪里

“纯电动汽车自燃,动力电池是最直接的自燃隐患所在。这需要不断提高相关技术保障水平,只有保证动力电池的安全,才能提升电动汽车整车的安全性能。”湖南大学材料科学与工程学院教授、博士生导师黄宏文在接受记者采访时表示。

目前,用于纯电动汽车的动力电池主要有三元锂电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池等。其中,乘用车最常用的是三元锂电池,磷酸铁锂等,其他材料的动力电池主要用于商用车等类车辆。

据介绍,常用的三元锂电池的特点是能量密度大,电压更高,所以同样重量的电池组电池容量更大,汽车行驶的距离也就更远,速度也能更快,成本也相对较低。其弱点在于稳点性较差,如果内部短路或是正极材料遇水,都会有明火产生。所以一般18650电池(直径为18mm,长度为65mm,0表示为圆柱形电池)都会有一层钢壳保护,但是在极端的碰撞事故中,起火隐患还是存在的。

正因为三元锂材料有这样较为“轻浮”的特点,所以,有关动力电池制造商也在努力提升其安全性能。根据三元锂材料容易热解的特性,制造商在过充保护(OVP)、过放保护(UVP)、过温保护(OTP)、过流保护(OCP)这几个环节上都会下不少的功夫。

目前,国内的动力电池企业经过不断技术研发,不但提高了动力电池能量密度,安全性能也不断提高。

三元锂电池的理论寿命是2000次充放电循环,但在实际使用中,当进行900次的充放电循环后,电池容量就基本衰减到了55%。也就是说充满电只能跑原来里程的一半。但如果每次电池充放电都控制在0%～50%或者25%～75%的循环中工作,即使经过3000次的充放电循环,电池容量基本还能能够保持在70%左右。

“伴随着越来越多的电池企业、车企还有专业的电池管理企业在这个领域的技术研发,动力电池的安全性能将大大提升。”黄宏文认为。

热管理系统同样是关键

“很多纯电动汽车自燃的主要原因,很大程度上都是因为电动汽车电池热失控转为热蔓延造成的事故。”包括清华大学教授、中国科学院院士欧阳明高在内的许多业界专家学者都持这一观点。“电动汽车安全的核心是电池安全。通过严格的热管理系统,对电池在不同情况下进行管理,技术上已逐渐不再是难题。”欧阳明高所言,强调的就是新能源汽车的热管理系统。

如同人的体温基本维持在37℃左右、过高就是发烧生病一样,如今新能源乘用车大多使用三元锂电池,充电温度为0℃～45℃之间,放电温度为-40℃～60℃之间。只有在最佳温度下,电池才能安全发挥最大的工作效率。

一般而言,新能源汽车的热管理系统主要包括四部分:电池热管理系统、汽车空调系统、电机电控冷却系统、减速器冷却系统。

电池热管理系统就是通过技术手段,对电池在不同情况下进行散热、加热、隔热,让电池始终处于45℃以内的正常工作状态,即便电池组中有个别电池出现温度过高的情况,热管理系统也能及时发现并报警,通知操作人员进行适当的人为干预。

纯电动汽车的核心技术看电池,电池的核心技术看热管理。当今的热管理技术不仅涉及硬件,也涉及软件算法。热管理系统的技术水平,不仅关系到电动汽车的安全性,也直接影响到续驶里程的表现。

纯电动汽车电池的安全焦虑、里程焦虑、寿命焦虑,都与动力电池密不可分。而抓住动力电池这个关键之“手”的,就是热管理系统。就电池降温的冷却方式而言,在用的主要有风冷和液冷两种方式。目前新能源乘用车广泛采用电池液体冷却技术,如特斯拉旗下车型和宝马i3等。液冷技术通过液体对流换热方式将电池产生的热量带走,液体换热系数高、热容量大、冷却速度快,对降低最高温度、保持电池组温度一致性效果更好。相关调研数据显示,我国量产的纯电动汽车液冷的使用率呈上升态势。

除了当前大量使用的三元锂电池,作为发展方向的氢燃料电池、固态电池,也都需要适宜的工作温度,如氢燃料电池工作温度要求一般为60℃～120℃,固态电池工作温度要求一般为60℃～80℃,这对热管理系统技术提出了更高的要求,带来了更大的挑战。

业内普遍认为,目前新能源汽车热管理系统的技术难点一是电动压缩机,二是低温热泵,三是新一代制冷剂。在制冷剂方面,随着各国一系列环保新政策颁布、特别是欧盟指令2006/40/EC的生效,环保型制冷剂将代替原有的R134a。但是,如果制冷剂采用R744,整个制冷系统的内部工作压力将会显著升高。虽然通过缩小内腔体积、材料加厚进行结构设计的优化后,换热器可以实现足够的承压能力,然而壁厚的增加必然会导致换热器重量的增加,同时电池外壳也需要更高的强度来抵御高温下的热膨胀,这些又会对换热器铝材提出更高的强度要求。

当前,新能源汽车正处于飞速发展之中,而热管理系统作为新能源汽车的核心技术之一,成为国内外企业角逐的“竞技场”。谁拥有更好的热管理系统,谁就拥有更强的定价话语权和市场主动权。

“把新能源汽车的热管理系统做好了,就为解决电动汽车的安全焦虑、里程焦虑打下了基础。”北京大学化学与分子工程学院教授其鲁向记者表示,绝不能对发生的事故、存在的问题麻木不仁,置若罔闻。我们必须加快技术创新的步伐,通过技术突破,拿出更安全、更可靠的产品,向零事故率纯电动汽车标准看齐,打消用户对新能源汽车产品的种种焦虑,让新能源汽车更安全、更便捷。