電動汽車推廣應(yīng)用規(guī)模越來越大，客戶要求其續(xù)航里程與燃油汽車接近，如果采用到“刀片”電池技術(shù)，在車上能裝更多電池，但是汽車是運客、運貨的交通車輛，自然受到其整備質(zhì)量符合法規(guī)的限制，不允許裝質(zhì)量太多動力電池。
比較可行的做法是，采用高比能量動力電池，如配備三元電池。接下來的困惑是，比能量高的電池，其熱失效和熱擴散機理越來越復(fù)雜，與低能量的動力相比，更存在安全隱患。
如何解決這錯綜復(fù)雜的矛盾呢？研發(fā)動力電池智能安全保護系統(tǒng)，確保動力電池系統(tǒng)在車輛使用周期內(nèi)，符合法律、法規(guī)要求，確保乘客及車輛財產(chǎn)的安全的必然的要求。下面對動力電池智能安全保護系統(tǒng)的基本原理及實例介紹，供同行參考。
一、動力電池智能安全保護系統(tǒng)研發(fā)背景
由南京市人民政府、江蘇省工業(yè)和信息化廳、中國國際貿(mào)易促進(jìn)委員會機械行業(yè)分會、中國電工技術(shù)學(xué)會主辦，南京市溧水區(qū)人民政府、北京中汽四方會展有限公司、南京中汽智行會展有限公司、南京空港會展投資管理有限公司共同承辦，中國汽車工業(yè)咨詢委員會、中國電動汽車百人會、中國汽車人才研究會、德國汽車工業(yè)協(xié)會等單位支持的“全球智慧出行大會暨中國（南京）國際新能源和智能網(wǎng)聯(lián)汽車展覽會”于2020年9月20日-22日在南京空港國際博覽中心舉行。中國工程院院士孫逢春介紹，2019年保有量約381萬輛，事故涉及187輛，中國新能源汽車起火概率萬分之0.49。
2020年9月20-22日，全球智慧出行大會（GIMC2020）上，由中國科協(xié)、海南省政府、科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、國家市場監(jiān)督管理總局聯(lián)合主辦的2020世界新能源汽車大會，于2020年9月27日至30日在?？谑信e辦，應(yīng)急管理部消防救援局副局長曹奇發(fā)言時介紹，據(jù)不完全統(tǒng)計，2019年全國發(fā)生新能源汽車火災(zāi)560余起，2020年前三季度已經(jīng)達(dá)到700起，火災(zāi)車輛幾乎涉及所有的新能源汽車品牌。
在新能源汽車起火事故中，動力電池事故起火占比70%以上。其中三元電池在動力電池事故起火占比86%。隨著動力電池能量密度加大，火災(zāi) 破壞力也在成倍增加。截至今天三元電池還是被禁止用于電動客車，于是長途客車電動化還是遙遙無期，高比能量如622/811三元電池，用于電動乘用車被一而再、再而三推遲。
二、動力電池發(fā)生安全事故基本原因分析
動力電池，無論是充電還是放電，都是電化學(xué)變化過程。充電還是放電過程，都是一個發(fā)熱過程，導(dǎo)致動力電池單體溫度升高，長期高溫環(huán)境必然導(dǎo)致動力電池內(nèi)部的電解質(zhì)、隔膜等材料性質(zhì)變壞，進(jìn)一步導(dǎo)致熱失控和熱擴散。如果環(huán)境出現(xiàn)異常變化，就一定會導(dǎo)致動力電池安全事故的發(fā)生。2019年中國新能源汽車起火概率萬分之0.49，總體是安全的，但是一年卻發(fā)生了700多起安全事故，其社會負(fù)面影響還是比較大的。
有專家指出，動力電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控安全事故對在建和擬建動力電池項目、投融資渠道等都會帶來一定的負(fù)面影響。相關(guān)方不僅擔(dān)心資產(chǎn)的損失，而且擔(dān)心給周邊設(shè)施帶來安全風(fēng)險，更擔(dān)心造成人身安全事故，阻礙了整個儲能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
安全無小事，不拍一萬，卻怕萬一。必須有萬全之策，確保電動汽車的安全。在電動汽車?yán)m(xù)航里程還是短板的情況下，必須持續(xù)才用新的高比能量的電池，也是一個基本趨勢，但是電動汽車安全性卻越來越差，這絕對不允許的。
動力電池是一個高能量體，加上其充電還放電，是一個劇烈發(fā)熱過程，隨著車載動力容量越來越大，發(fā)熱劇烈程度也是越來越高，如果沒有科學(xué)預(yù)防措施，其安全隱患也是必然的。
基于以上論述，必須研發(fā)出動力電池智能安全保護系統(tǒng)，以適應(yīng)動力電池比能量越來越高、車載動力容量越來越多、電動汽車?yán)m(xù)航里程越來越長的發(fā)展趨勢。
三、動力電池智能安全保護系統(tǒng)研發(fā)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
國家立法制訂新能源汽車及鋰電池安全規(guī)范，對安全要求趨嚴(yán)趨緊。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如下：
1）《電動汽車安全要求》（GB 18384-2020）5.2.2.3 REESS 熱事件報警。
如果 REESS將要發(fā)生熱失控的安全事件時，應(yīng)通過一個明顯的信號（例如∶聲或光信號）裝置向駕駛員提示。
2）《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（GB 38031-2020）5.2.7 電池包或系統(tǒng)按照8.2.7進(jìn)行熱穩(wěn)定性試驗，鎳氫電池包或系統(tǒng)除外。包括∶
a）按照8.2.7.1 進(jìn)行外部火燒試驗，應(yīng)不爆炸；
b）按照8272進(jìn)行熱擴散乘員保護分析和驗證。電池包或系統(tǒng)在由于單個電池?zé)崾Э匾馃釘U散，進(jìn)而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險之前5min，應(yīng)提供一個熱事件報警信號。
3）《電動客車動力鋰電池電池箱火災(zāi)防控裝置通用技術(shù)要求》中對電池?zé)崾Э匾种埔笞罱K目的是持續(xù)降溫，抑制介質(zhì)噴放后30min，要求電池箱內(nèi)部溫度不大于90℃。
4）《電動客車安全要求》（GB 38032-2020）4.4.6 異常報警要求
可充電儲能系統(tǒng)在由于單個電池?zé)崾Э匾馃釘U散，進(jìn)而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險之前5min，應(yīng)提供一個熱事件報警信號。
5）《機動車運行安全技術(shù)條件》（GB7258-2017）12.10 客車的特殊要求:
12.10.1 客車在設(shè)計和制造上應(yīng)保證發(fā)動機排氣不會進(jìn)入客廂，
12.10.2 客車的滅火裝置配置應(yīng)符合 GB34655的規(guī)定。
12.10.3 車長大于或等于6m的純電動客車、插電式混合動力客車，應(yīng)能監(jiān)測動力電池工作狀態(tài)并在│【發(fā)現(xiàn)異常情形時報警，且報警后5 min 內(nèi)電池箱外部不能起火爆炸。
12.10.4 安裝有客艙固定滅火系統(tǒng)的公共汽車，其客艙固定滅火系統(tǒng)的性能應(yīng)符合 GA1264的規(guī)定。
有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)實施時間，如下表。
總之，車載動力電池系統(tǒng)安全性，必須滿足的有關(guān)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，電動汽車安全才會有保障，電動汽車安全形勢才明顯好轉(zhuǎn)。中國新能源汽車起火概率才會再降一個數(shù)量等級。
四、動力電池智能安全保護系統(tǒng)研發(fā)基本理念
動力電池智能安全保護系統(tǒng)基本要求必須滿足國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。如何能滿足上述標(biāo)準(zhǔn)要求呢？
主要目標(biāo)：要保持電芯性能一致性持續(xù)穩(wěn)定。
主要工作：選擇好電芯、高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電池包的組裝生產(chǎn)和檢測、成包后保護并“伺候”好電芯。
電池包殼體設(shè)計：
①采用強度鋼制作，橫縱向加強筋結(jié)構(gòu)，御碰撞和擠壓帶來的沖擊；
②電池包殼體內(nèi)部邊沿和四角設(shè)置緩沖區(qū)，受到嚴(yán)重碰撞沖擊，外殼潰縮，確保電池不被傷及；
③內(nèi)模組采用鋁制中空外保護設(shè)計，矩陣式雙框架電池艙結(jié)構(gòu)，IP68等級的防水防塵；
④實時雙ECU多層級監(jiān)控，應(yīng)急防爆泄壓設(shè)計，確保了電池的安全。
電池包恒溫?zé)峁芾砑夹g(shù)：
將電芯溫度更加穩(wěn)定地控制在高效、安全的溫度區(qū)間。每個電芯模組內(nèi)布置兩個溫度傳感器，精確監(jiān)測每個模組內(nèi)部電芯溫度，并通過BMS和BTMS精確管理所有電芯，電芯溫差控制在±2℃，確保電芯溫度均勻性。
具體措施：對電池工作溫度、充放電深度、充放電倍率、內(nèi)外部應(yīng)力的實行智能數(shù)據(jù)監(jiān)控。
五、動力電池智能安全保護系統(tǒng)研發(fā)原理
動力電池智能安全保護系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成：
1) 鋰電池智能熱管理系統(tǒng)；
2）鋰電池復(fù)合型火災(zāi)探測器
3）鋰電池火災(zāi)抑制裝置。
通過移動通信技術(shù)，可行實現(xiàn)云監(jiān)控和管理。
電動客車鋰離子動力電池（箱）火災(zāi)防控技術(shù)，采用國際首創(chuàng)的全氟己酮不導(dǎo)電液體，通過了應(yīng)急管理部消防產(chǎn)品合格評定中心，消防產(chǎn)品技術(shù)認(rèn)證，能滿足極大容量電芯（271Ah）熱失控的鋰離子動力電池（箱）火災(zāi)抑制的需要，已應(yīng)用于北京、上海、廣州、杭州、天津等全國最有影響力的公交集團、氫燃料車企業(yè)以及宇通、比亞迪、金龍、中車等主流客車廠。
動力電池智能安全保護系統(tǒng)目前正與國內(nèi)主流乘用車廠合作開發(fā)驗證。
六、動力電池智能安全保護系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)來源
1）哲弗智能系統(tǒng)（上海）有限公司 （別名：澤福智能）李飛董事長領(lǐng)導(dǎo)的哲弗熱失控管理技術(shù)研究院；
2）哲弗熱失控管理技術(shù)研究院與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室合作成立了的火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室新能源火災(zāi)消防試驗基地；
3）哲弗熱失控管理技術(shù)研究院與清華大學(xué)歐陽明高院士領(lǐng)銜的清華大學(xué)電池安全實驗室合作建立的哲弗智能-清華大學(xué)電池燃燒安全測試基地。
七、動力電池智能安全保護系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)性和商用性
該系統(tǒng)致力于解決動力鋰離子電池壽命短、冬季續(xù)航里程低、熱失控起火爆炸等全球新能源汽車動力電池安全的痛點問題。動力電池智能安全保護系統(tǒng)成功地把動力電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)有機地融為一體了，其技術(shù)先進(jìn)性和產(chǎn)品商用成熟性，第三方權(quán)威機構(gòu)給出結(jié)論和評價：
1）液冷鋰電池箱溫控系統(tǒng)被科技部評定為達(dá)到國際先進(jìn)水平；
2）氣體（液態(tài)）鋰電池箱滅火系統(tǒng)被科技部評定為達(dá)到國際先進(jìn)水平；
3）新能源汽車動力總成全面安全智能管理系統(tǒng)科技部評定為達(dá)到國際先進(jìn)水平；
4）工信部頒發(fā)的《科學(xué)技術(shù)成果登記證書》；
5）應(yīng)急管理部為此頒發(fā)了《消防產(chǎn)品技術(shù)鑒定證書》。
八、總結(jié)
汽車電動化、推進(jìn)加快、續(xù)航里程提升是一個明顯趨勢。采用高比能量動力電池也必然要求。消除動力電池的安全隱患是一個基本要求。研發(fā)動力電池智能安全保護系統(tǒng)也是長期的任務(wù)。
中國企業(yè)成功研發(fā)的動力電池智能安全保護系統(tǒng)，為中國新能源汽車發(fā)展做出新的貢獻(xiàn)。中國的電動汽車一定會叫用戶買得起、用得安心。
作者：雷洪鈞博士
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