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新能源电动车为什么会自燃?
http://www.qipei001.com 2020-07-01 09:21:58 电池联盟
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  新能源电动汽车自燃事故早已不算什么惊天新闻了,对此人们也早就见怪不怪了。作为新能源电动汽车的龙头品牌,特斯拉更是电动车自燃事故的多发车企。

  近日,据外媒爆料,特斯拉发生自燃事故是因为动力电池系统存在设计缺陷(详见“特斯拉多起自燃起火事件是偶然现象还是本身存在问题?”)。这个说法,倒也不是空穴来风,恶意抹黑。

  目前,大部分整车厂采用的动力电池,基本上都是集成化结构设计,即单体电芯集成模组,模组在集成电池包。

  因此,每个电池包中都包含数量众多的电芯单体实现并串联结构。例如,特斯拉Model S,就是一个电池包中集成了7000多颗三元圆柱电芯。所以,一旦单体电芯发生自燃,就有可能导致周边的所有电芯发生爆炸,从而引发连锁反应。

  动力电池生产工序复杂,整车厂和动力电池生产厂,在设计生产电池时,需要考虑和注意的因素太多。而要想追求更长的续航里程,就不得不用能量密度高的电池。但动力电池能量密度越高,热稳定性就会越低。

  还是以特斯拉为例,目前特斯拉所采用的三元NCA电芯,由于能量密度高,在针刺测试时,就有可能出现剧烈燃烧。此外,从材料性质上来看,三元电池的分解温度要低于磷酸铁锂,在同样的高温环境下,发生自燃的几率也要高于磷酸铁锂。因此,特斯拉电池自燃的原因,可以从电芯本身和外部环境两方面来看。

  根据外媒报道,以及近年来发生的电动汽车安全事故来看,特斯拉发生自燃的主要原因集中在外部撞击,从而形成针刺挤压、密封失效浸水、高温环境下热集中、过充放电、电芯本身漏液,以及电芯内部短路等方面。

  诚然,新能源电动汽车自燃事故多由动力电池热失控造成,大部分是由电芯热失控蔓延导致。而引发电动车热失控的原因是多元的,涉及到电芯的设计、生产,电池管理BMS算法开发,电池包结构设计等多方面。

  动力电池的状态和发动机不一样,有些发动机容易测量,而动力电池不容易。比如,想要知道燃油车剩余油量,可以通过油箱内的油的多少,很容易就判断出来,但电池的剩余电量,则通常要使用算法来进行估计。

  此外,电池的实际输出功率、电池寿命等,也都需要算法进行估计,这就使得电池管理策略极为关键,而电池的热失控管理方法也属于BMS。

  从过充放电方面来看,电动车热失控事故多发生在充电过程中,而过充导致热失控一般发生在早期的微过充阶段。主要体现在,电芯一致性差(在充电过程中可能会导致有部分电芯充满,部分电芯未充满);电芯并联结构设计存在问题(并联电压相同,其中不同电压的电芯很难被检测出来)等方面。

  从电芯内短路方面来看,电动车热失控主要体现在:1、低温环境、大倍率循环造成析锂,不断生长的锂枝晶刺穿隔膜造成内短路;2、电芯在生产或制造过程中由于生产环境或者操作不当导致金属杂质混入,随着电芯循环使用导致内短路;3、电芯局部应力集中,可能诱发其他金属的沉淀。

  从电芯老化方面来看,动力电池电芯老化会造成电芯不一致性进一步扩大,容量的一致性变差,BMS电池管理系统对于电池健康状态的估算准确性就会打折扣,那么其对应的安全性预防阈值等就有待考证了。此外,低温环境下老化,会严重影响动力电池的热稳定性,最终可能导致热失控的发生。

  在解决电动车热失控方面,特斯拉是以蛇形管贴敷导热材料,围绕圆柱电池形成液冷系统,冷却剂由50%的水和50%的乙二醇混合而成,温差能够控制在±2%以内。

  宁德时代则是在电芯之间放置气凝胶,气凝胶兼具有高效的隔热性能和超薄的厚度,可以在极其有限空间中进行保温隔热,且一定的厚度可以对热失控有较好的延缓作用。而比亚迪采用的是液冷板方案,能保证动力电池的工作在正常温度范围内。冷却板可以用钎焊、搅拌摩擦焊、埋管等几种方式。

  此外,通用汽车则是在电芯之间放置冷却片和泡棉,使得冷却片的散热和泡棉的隔热作用同时实现。不过,在现有的研究范围内,泡棉主要用提高电芯的循环使用寿命,而不是热失控的延缓。

  总得来说,随着新能源电动汽车行业的发展,在当前锂离子电化学体系未发生重大突破的状况下,对电池热失控安全的研究是非常有必要的。

  此外,针对电芯热失控的外部触发方式相对来说已经比较固定了,目前企业最常用的加热、过充、针刺等方法,相对来说都能有效的触发电芯的热失控。

  以上方法比较依赖外部控制设备的控制,对于电芯本体的破坏相对于电芯内短路来说也比较严重,因外部因素的作用导致测试结果随机性高的缺点,最终对于内短路的测试、研究和验证也不一定可靠。

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