4月21日，一輛特斯拉Model S在上海地下車庫發(fā)生自燃，自燃的視頻在網(wǎng)絡(luò)上迅速傳播。很多媒體強(qiáng)調(diào)：“從冒煙到起火只有4秒，根本來不及逃生”。這讓很多人覺得，電動(dòng)汽車非常不安全。而且這么多電池，一旦一個(gè)電池故障，整輛車和車內(nèi)的人就都危在旦夕。
本文嘗試為大家做一個(gè)解讀。
什么是熱失控
先說什么叫熱失控，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池安全要求》里的定義，熱失控指的是電池單體放熱連鎖反應(yīng)引起的電池自溫升速率急劇變化的過熱、起火、爆炸現(xiàn)象。
新能源汽車的動(dòng)力電池系統(tǒng)一般主要由電池模組、電池管理系統(tǒng)BMS、熱管理系統(tǒng)以及一些電氣和機(jī)械系統(tǒng)等構(gòu)成。
整車廠、或者動(dòng)力電池系統(tǒng)的廠商，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)電池系統(tǒng)時(shí)，要考慮多重因素。
為了便宜，他們希望電池系統(tǒng)成本低；為了車跑得遠(yuǎn)，續(xù)航里程長(zhǎng)，他們希望能量密度高；為了安全，他們希望電池系統(tǒng)安全性高。這些都是新能源汽車能否大規(guī)模推廣應(yīng)用的重要因素。但是，遺憾的是，往往這幾個(gè)因素之間是互相約束的，你不可能什么都追求極端。
我們可以看看下圖。為了追求更長(zhǎng)的續(xù)航里程，我們不得不用能量密度越來越高的電池：從鉛酸電池、鎳鎘電池，到磷酸鐵鋰、三元電池，而且是能量密度越來越高的三元電池。
但是，能量密度越高的電池，熱穩(wěn)定性就更低。因此，為了能用好這些高能量密度的電池，安全性也得到了進(jìn)一步地重視。
最主要的，就是防范熱失控。動(dòng)力鋰離子電池在過充放電、針刺、碰撞情況下，都有可能引起連鎖放熱反應(yīng)，造成熱失控，形成冒煙、失火甚至爆炸等。
除了以上這些極端情形，常規(guī)情況下電池也會(huì)產(chǎn)生熱量，散熱設(shè)計(jì)不好，也可能導(dǎo)致熱失控。
單個(gè)電池（即電芯）由于其自身有一定的內(nèi)阻，在充放電的同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，使得自身溫度變高。當(dāng)自身溫度超出其正常工作溫度范圍間時(shí)，電池的性能和壽命會(huì)受到影響。
系統(tǒng)在不同的應(yīng)用工況下的工作過程中，也會(huì)產(chǎn)生大量的熱，聚集在狹小的電池箱體內(nèi)。熱量如果不能夠及時(shí)地快速散出，也會(huì)影響系統(tǒng)內(nèi)的電池壽命，甚至出現(xiàn)熱失控，導(dǎo)致電芯起火爆炸等。
特斯拉的車型，以長(zhǎng)續(xù)航里程為特點(diǎn)，也是不斷提高電芯能量密度實(shí)現(xiàn)的。
目前特斯拉所采用的三元NCA電芯，由于能量密度高，在針刺測(cè)試時(shí)，會(huì)劇烈燃燒，和其他電芯比，自然不算好。而且從材料性質(zhì)上來看，三元電池的分解溫度要低于磷酸鐵鋰，在同樣的高溫環(huán)境下，發(fā)生熱失控的幾率要高于磷酸鐵鋰。因此，特斯拉電池?zé)崾Э氐脑?，可以從電芯本身和外部環(huán)境兩塊來看。后者對(duì)前者又會(huì)有一定的影響。
熱失控的產(chǎn)生原因
特斯拉這起自燃不是第一起電動(dòng)汽車起火，也不會(huì)是最后一起。
從這幾年發(fā)生的電動(dòng)汽車的安全事故來看，原因主要集中在外部撞擊形成針刺擠壓或者密封失效浸水，高溫環(huán)境下熱集中和過充放電過程，電芯本身漏液等，伴隨電芯內(nèi)部的短路造成熱失控。在研究電動(dòng)汽車自燃案例過程中，可以看到充放電原因造成的熱失控不在少數(shù)。
鋰離子動(dòng)力電池在發(fā)生熱失控的過程中，隨著溫度不斷升高將會(huì)依次經(jīng)歷以下的過程，并不是一個(gè)瞬間就完成的過程：高溫容量衰減→SEI 膜分解→負(fù)極-電解液反應(yīng)→隔膜熔化過程→正極分解反應(yīng)→電解質(zhì)溶液分解反應(yīng)→負(fù)極與粘接劑反應(yīng)→電解液燃燒等。
從鋰離子電池單體的構(gòu)成部分來看，熱失控的可能原因主要出現(xiàn)在電解液、正負(fù)電極材料的熱穩(wěn)定性能上。比如鋰離子電池在充電時(shí)，金屬鋰的表面會(huì)沉積枝杈狀鋰枝晶，積累到一定程度就會(huì)刺穿電池隔膜，造成正負(fù)極直接接觸而短路導(dǎo)致熱失控。再比如，過充時(shí)，鋰離子會(huì)從正極溢出與電解液溶劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生熱量。熱量會(huì)反過來繼續(xù)加熱電池觸發(fā)金屬鋰與溶劑、嵌鋰碳與溶劑混合反應(yīng)，在極小空間內(nèi)產(chǎn)生無法立即排出的熱量與氣體，于是電池爆炸。
為了防止熱失控，要對(duì)電芯、模組、系統(tǒng)都做隔熱防控，但是電芯和模組級(jí)別的隔熱防控，此前并沒有被業(yè)界過多關(guān)注。因此，在電池系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)中，就必須考慮電芯單體和電池模塊所在位置的溫度環(huán)境的影響。在設(shè)計(jì)電池模塊排列時(shí)，若單體電池或者模組之間排列緊湊，且沒有散熱和隔熱措施的話，電池組在充放電時(shí)溫度會(huì)急劇上升帶來嚴(yán)重的安全隱患。
為了提高動(dòng)力電池的安全性，還需避免或抑制熱失控的發(fā)生。整體來看，業(yè)界解決鋰離子電池?zé)崾Э貑栴}，主要從系統(tǒng)保護(hù)和電芯改進(jìn)兩個(gè)方面進(jìn)行。
解決熱失控的工作
為了解決熱失控，在單體電芯材料層面可以做改進(jìn)。比如對(duì)正負(fù)極材料進(jìn)行包覆處理，電解液添加阻燃劑，或者往固態(tài)電池方向發(fā)展等。
重點(diǎn)敘述一下國內(nèi)外一些公司，在電池?zé)崾Э胤矫孀龅墓ぷ鳌?/p>
首先看對(duì)電芯的熱管理。
國內(nèi)動(dòng)力電池老大寧德時(shí)代，則在電芯之間放置氣凝膠。氣凝膠兼具高效的隔熱性能和超薄的厚度，可在極其有限空間中進(jìn)行保溫隔熱，并且一定的厚度可以對(duì)熱失控有較好的延緩作用。包括上汽時(shí)代也有同樣的方案。
而通用汽車的方案，類似于特斯拉和寧德時(shí)代的結(jié)合。他們?cè)陔娦局g放置冷卻片和泡棉，使得冷卻片的散熱和泡棉的隔熱作用同時(shí)實(shí)現(xiàn)。但在現(xiàn)有的研究范圍內(nèi)，泡棉主要用提高電芯的循環(huán)使用壽命，而不是熱失控的延緩。
再來看系統(tǒng)級(jí)的防護(hù)。
另外，動(dòng)力電池行業(yè)最早常用灌封膠，也可以看做是一種浸泡式方案。這一方案，在能量密度方面沒有優(yōu)勢(shì)，因此在補(bǔ)貼政策鼓勵(lì)能量密度的背景下，失去了市場(chǎng)。在補(bǔ)貼退出之后，灌封膠方案能否贏回一點(diǎn)市場(chǎng)，尚待觀察。
老牌動(dòng)力電池企業(yè)比亞迪，采用液冷板方案，能保證電池工作在正常的溫度范圍內(nèi)。冷卻板可以用釬焊、攪拌摩擦焊、埋管等幾種方式。但是在外部撞擊和長(zhǎng)期振動(dòng)使用環(huán)境下，如何保證不漏液也是需要考慮的。
為了更進(jìn)一步節(jié)省空間和提高效率，液冷箱也開始有一定的市場(chǎng)。不過，液冷箱一旦被碰撞，形變和異物侵入，反倒可能傷及電芯。因此液冷箱方案用于商用車較多，因?yàn)樯逃密囯姵匕话阌须姵貍}的保護(hù)，而不像乘用車那樣直接放置在底盤，能與外界直接接觸。
除去這三種常見的方案，一種新的熱管方案也開始嶄露頭角。它可以滿足電池組的高溫散熱與低溫預(yù)熱雙工況要求,響應(yīng)快,溫度均勻性好。
以上幾種，都可以說是液冷方案。采用液冷方案時(shí)，需要將箱體隔熱考慮進(jìn)去，意義在于：一、保持系統(tǒng)內(nèi)部溫度，有利于低溫充放電，延長(zhǎng)使用壽命；二、降低高溫路面熱輻射對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部溫度的影響；三、外部出現(xiàn)火燒或者高溫時(shí)，保持電池包內(nèi)正常溫度，延緩電池?zé)崾Э?，提高安全性?/p>
整體來看，單獨(dú)或者綜合以上若干熱失控方案并不能完全避免熱失控的發(fā)生，比如箱體的密封隨著環(huán)境不斷變化失效，導(dǎo)致漏水，也可能會(huì)產(chǎn)生熱失控，導(dǎo)熱材料的選擇不當(dāng)也會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)。這些又是另外需要深入研究的課題了。
關(guān)于熱失控方面的標(biāo)準(zhǔn)
熱失控不僅是業(yè)界重視，國家主管部門、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也提出了要求。
目前，中國在電池安全涉及熱失控方面的標(biāo)準(zhǔn)，包括《電動(dòng)汽車安全要求》、《電動(dòng)客車安全要求》和《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池安全要求》（意見稿階段，將會(huì)盡快發(fā)布）等。
《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池安全要求》在引言部分就強(qiáng)調(diào)了在確定電動(dòng)汽車用鋰離子電池單體、電池包或系統(tǒng)采用何種設(shè)計(jì)方案時(shí)，需遵守以下的優(yōu)先次序：首先，如有可能，優(yōu)先選擇安全性高的材料，盡量避免使用容易出現(xiàn)絕緣失效、熱失控或燃燒起火的材料；其次，如果無法實(shí)行以上原則，那么需制定保護(hù)措施，減少或消除危險(xiǎn)發(fā)生的可能性。標(biāo)準(zhǔn)里也明確規(guī)定鋰離子電池單體和電池系統(tǒng)在按照規(guī)定的測(cè)試方法進(jìn)行過充放電、短路、加熱、溫度循環(huán)和擠壓試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)不起火、不爆炸。
標(biāo)準(zhǔn)要求鋰離子電池包或系統(tǒng)制造商可選擇以下兩種方式之一進(jìn)行鋰離子電池包或系統(tǒng)熱擴(kuò)散分析或驗(yàn)證。按照附錄完成熱擴(kuò)散乘員保護(hù)分析和驗(yàn)證或者參照附錄完成熱擴(kuò)散試驗(yàn)。在熱擴(kuò)散乘員保護(hù)分析與驗(yàn)證報(bào)告這個(gè)規(guī)范里規(guī)定：鋰離子電池包或系統(tǒng)在由于單個(gè)電池?zé)崾Э匾馃釘U(kuò)散、進(jìn)而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險(xiǎn)之前5分鐘，應(yīng)提供一個(gè)預(yù)先警告信號(hào)（服務(wù)于整車熱事故報(bào)警），提醒乘員疏散。
如果熱擴(kuò)散不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致車輛乘員危險(xiǎn)的情況，則認(rèn)為該要求得到滿足。
但熱擴(kuò)散乘員保護(hù)分析與驗(yàn)證報(bào)告和熱擴(kuò)散試驗(yàn)這兩個(gè)方面，只是作為附錄在最后，只要求廠家提供最后的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)說明，并沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。我認(rèn)為后續(xù)應(yīng)該有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)去認(rèn)證合格與否，關(guān)于熱失控的試驗(yàn)記錄與披露必要性提醒廠家要做好相關(guān)工作。
另外《電動(dòng)客車安全要求》要求可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（或安裝艙體）與客艙之間應(yīng)使用阻燃隔熱材料隔離，阻燃隔熱材料的燃燒特性應(yīng)符合GB 8624—2012中規(guī)定的A級(jí)要求，并且在300 ℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)小于等于0.04 W/(m?K)。
綜上，國內(nèi)外眾多企事業(yè)單位和國家標(biāo)準(zhǔn)，在解決熱失控方面做了很多的工作。大家沒必要提到電動(dòng)汽車就談虎色變，要相信電動(dòng)汽車的安全性在不斷提高。也希望有更專業(yè)的人士來普及更多的東西，讓熱失控得到更好的防范和控制。
