動力電池系統(tǒng)構成及所面臨安全風險

近年來，隨著電動汽車的快速發(fā)展，如何解決電動汽車所帶來的安全問題，又成為汽車行業(yè)的新的話題和難點。由于人們對新事物的認知有個過程，初期難免抱有懷疑和不信任的態(tài)度，所以任何一次有關電動汽車的安全事故，都會導致公眾對電動汽車安全性的疑慮進一步加深，阻礙電動汽車的發(fā)展和普及。

其實，傳統(tǒng)的燃油車由于碰撞或自燃所導致的車輛起火事故，每年在全球都會發(fā)生很多起，造成嚴重人員傷亡的也為數(shù)不少，并不會造成公眾的廣泛關注和質(zhì)疑。公眾之所以對電動汽車的安全事故這么敏感，除了電動車發(fā)生事故時，通常會伴有火、聲、光、煙霧等“特殊效果”，很重要的原因是出于對高能量載體“電池”的恐懼。手機電池起火爆炸，炸傷甚至炸死人的事情尚且有之，更何況那么巨大的電動汽車動力電池呢?

電動汽車(包括混合動力汽車)與傳統(tǒng)的燃油車有很多相同之處，又有一些不同之處。其運行工況、使用環(huán)境、車身結(jié)構、內(nèi)外造型等基本沒有什么差異，最大的差別在于驅(qū)動方式和能量的來源。因為引入了電力驅(qū)動，所以就存在諸如“電擊”和“短路”之類的風險，因為有高能量載體的存在，就存在能量瞬間釋放(顯然不是我們期望的)所造成的起火和爆炸風險。因為化學電池本身的穩(wěn)定性問題，又會帶來許多超出人們“傳統(tǒng)”認知的風險。

新生事物總是脆弱的，要經(jīng)受各種懷疑，更何況是與人身安全息息相關的車輛呢?愿意拿自己的生命做賭注，去嘗試和接受不可靠不安全產(chǎn)品的人，我想畢竟是少數(shù)吧。所以，不管是國家層面的法規(guī)和標準，還是企業(yè)層面的產(chǎn)品和技術研發(fā)，都必須做到以人為本，切實的解決產(chǎn)品的風險和隱患，消除民眾的疑慮，從而推動新能源汽車的發(fā)展。我們，沒有任何理由拿不成熟不可靠的產(chǎn)品，來忽悠公眾和消費者，為企業(yè)或個人的私利服務。下文將從動力電池的各項參數(shù)詳細解析動力電池的安全要素。

一、動力電池系統(tǒng)的構成

作為電動汽車的動力來源，或動力來源之一，動力電池系統(tǒng)通常由電芯(Cell)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、冷卻系統(tǒng)(Coolingsystem)、線束(Harness)、外殼(Housing)、結(jié)構件(mechanicalparts)等相關組建構成，如下圖所示：

可以看出，動力電池系統(tǒng)的構成還是相當復雜的，既有電芯這類化學物體，也有復雜的電子電氣系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，還有傳統(tǒng)的各類機械部件，涉及到的專業(yè)種類非常的多，加上惡劣的運行環(huán)境，所面臨的安全風險也很廣泛。

二、動力電池系統(tǒng)所面臨的安全風險

動力電池系統(tǒng)所面臨的安全風險，主要與其內(nèi)部部件的特性和外部的使用和運行環(huán)境相關，構成了產(chǎn)品安全設計的主要挑戰(zhàn)。

1)電芯會不會起火爆炸?

動力電池系統(tǒng)所采用的電芯，其能量密度非常高，以磷酸鐵鋰電芯為例，能量密度可達120Wh/kg，換算成焦耳，1千克的磷酸鐵鋰電芯含有 120×3600焦耳=0.43MJ。那么TNT炸藥釋放的能量有多少呢?1克TNT炸藥可釋放4184焦耳的能量，換算下來，1千克的磷酸鐵鋰電芯蘊含的能量相當于103克的TNT炸藥。

一輛純電動汽車，其使用的電芯通常重達幾百公斤，以100公斤電芯計算，總能量就相當于10公斤TNT炸藥。換著是誰，心里都會發(fā)毛，這東西會不會不穩(wěn)定，會不會起火，甚至爆炸啊?

2)會不會產(chǎn)生電擊事故?

為了提升整車的驅(qū)動效率，動力電池的直流輸出電壓通常都在100V以上，有時高達400V以上，有一定電氣常識的人都知道，直流電壓超過60V，就是危險電壓。

每年，因為電器、電線、電力設備等漏電所造成的電擊事故，都會發(fā)生很多，也經(jīng)常見諸媒體。我小的時候就被裸露的220V電線電擊過，那種滋味永生難忘。那么，人們也有理由疑慮，電動汽車里面的高壓帶電部件，會不會漏電，并進而造成電擊事故?

3)能不能經(jīng)受各種惡劣的環(huán)境?

車輛的運行和使用環(huán)境非常復雜，既要經(jīng)受高溫高濕的考驗，也有高原高寒的折磨，有平坦的鋪裝里面，也有崎嶇不平的非鋪裝路面，既有極其干燥的地區(qū)，也有需要經(jīng)常涉水的地方。

車輛在行駛過程中，要經(jīng)歷高低溫的循環(huán)考驗，要經(jīng)歷沿海的腐蝕性氣候，要經(jīng)歷暴雨洗禮和大水浸泡，要經(jīng)受各種沖擊、振動、跌落、甚至碰撞和翻滾。那么，在這些客觀的環(huán)境面前，動力電池系統(tǒng)能夠經(jīng)受考驗，不產(chǎn)生嚴重的安全風險嗎?

4)能不能經(jīng)受各種濫用?

當產(chǎn)品銷量足夠大的時候，產(chǎn)品的使用，總有超過規(guī)定極限的情況或一些意外的情況，這是不可避免的。以手機為例，當充電保護失效的時候，手機電池可能因為過充而起火或爆炸。如果手機電池被尖利的金屬穿刺，也有可能發(fā)生爆炸。

那么，電動汽車的動力電池系統(tǒng)能夠經(jīng)受類似的濫用考驗，不造成安全事故嗎?這些濫用的情況，既有人為造成的，也有客觀環(huán)境造成的。

5)電池管理系統(tǒng)失效了怎么辦?

動力電池系統(tǒng)有一套復雜的管理和控制系統(tǒng)，時刻采集整個動力電池包的各種運行參數(shù)，進行計算、診斷、通信和開關控制。系統(tǒng)越智能化，當其發(fā)生故障時，后果也就越嚴重。

舉個例子，如果動力電池包內(nèi)部的某個電芯過熱，熱管理系統(tǒng)失效，電芯存在熱失控的風險，而這個時候的溫度傳感器壞了怎么辦?軟件程序不能正常判斷并下發(fā)切斷指令怎么辦?又或者本該執(zhí)行斷開動作的開關，不能正常的斷開怎么辦?風險是否會蔓延，并造成嚴重的安全事故?

三、動力電池安全設計的目標

動力電池系統(tǒng)的安全設計，基本上圍繞以上提到的內(nèi)部組件構成和可能發(fā)生的安全風險展開，確定合理的目標和框架，指導具體的產(chǎn)品開發(fā)工作。

1)化學安全

電芯發(fā)生熱失控，可能會產(chǎn)生電解液泄漏、起火和燃燒等現(xiàn)象，但其破壞力是遠遠不能與炸藥相比的。炸藥爆炸時，能量在極短的時間內(nèi)釋放出來，所以威力巨大，而電芯的熱失控，其能量的釋放是一個漸進的過程，加上電動汽車的電池包是由很多個電芯串并聯(lián)組成的，通常僅有1個或幾個電芯發(fā)生故障，有足夠的預警和處置時間。