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    新能源汽車為何總是自燃?

    瀏覽次數:3855 發布日期:2021-02-19

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    為何新能源汽車自燃是只薛定諤的貓?本文解答不了所有難題,但可以為你揭開最淺的那層迷霧。

     新能源汽車自燃事故總能成為頭條

    2013年10月,一臺特斯拉Model S蹭底之后,車載系統發出警告(蹭底后45-60秒),車主及時逃離(再過數秒),車子很快就燒沒了(離車120秒后),特斯拉股價跌6%(這時抄底特斯拉美股特別爽)。

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    在新型鋰離子電池陸續裝備新能源汽車的產業起步階段,每一次電池自燃事故都能成為海內外新聞熱點,對新能源車的不信任從未消停(塞麥爾維斯反射 Semmelweis Reflex),群眾抵制的呼聲更隨著國家推廣新能源汽車的熱情而變得更加“叛逆”。

    筆者同事買了一臺蔚來ES6,隔壁車位的業主擔心自燃,“疑似”動用私人關系讓片區警察上門進行處分(此警察宣稱全廣州市都不允許裝地庫充電樁)并強制要求拆卸,后因現場視頻素材被網絡曝光,“疑似”違法動用關系的隔壁車位業主才終于消停。

    我們可以說某些群眾是愚昧的,某些公仆是可以被XX的,但事情根本原因依然是消費者對新能源車(準確來說是動力電池)的不信任。

    電池是一個比較復雜的儲能裝置,筆者最近想到一個類比,就是大家小時候用的鍍銀保溫瓶,類比如下:

    1、保溫瓶里頭的水有很多能量,我們看作是電能。

    2、保溫瓶可以反復填充和使用,二次電池亦是如此。

    3、保溫瓶和電池都很脆弱,怕冷怕熱怕撞怕,還死重。

    4、保溫瓶內膽只要碎一個口就會整體毀滅,電池燒一個就很容易火燒連營,損控很難做。

    5、保溫瓶和電池的工業化制造都是很精密的(對應各自時代的工業水平),保溫瓶一開始很貴,宋代皇帝賜給公主的嫁妝就是保溫瓶(民族愛瓶傳統),后來大幅降價飛入百姓家,電池也是如此。

    6、保溫瓶會自放熱,保溫時長有限,電池也有自放電率。

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    電池熱失控(Thermal Runaway),造成的破壞將是毀滅性的。根據清華大學動力工程及工程熱物理學博士 @姚昌晟 老師的描述:由100節帶電量100Ah的電芯組成的電池組,失控能量達到240000000J,合57公斤TNT炸藥。所以一旦我們說電池“TR”了,基本上就可以貼這張圖了。

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    正因為對新能源車這種新鮮事物的抗拒(人之常情)、媒體/自媒體只愛報道新能源車自燃(汽柴油車自燃成不了新聞熱點)、好事不出門壞事行千里(完全不懂新能源車的大叔大媽的茶余飯后話題)、動力電池技術的確不夠爭氣(客觀事實),新能源車才會成為眾矢之的。

    不過,大家大可不必過分擔心,新能源乘用車的著火率正在逐年降低,2019年是萬分之0.38,2020年是萬分之0.18。此外還有兩個要點要提的:商用車的標準更低,質量更差,電池總能量更高,燒起來更可怕;新能源累計產量不足5萬輛的小車企(按接入車輛計算),著火率是超過10萬輛的大車企之5倍。 

    電池熱失控的機理

    六成新能源車著火事故是電池本身熱失控引起的,三成是充電事故,只有3.6%左右是因為行駛事故中的撞擊。

    熱失控的機理(學界一般稱為“濫用”)可分為物理和電化學兩大方向,為了讓讀者更好理解,筆者把它分得更細一些:

    1 穿刺

    這是最不講武德的物理攻擊,將一根導體(比如直徑3mm鋼針)插入動力電池中,正負極直接短路,熱失控速度超快,幾乎是瞬間就開始對外噴射火焰。

    穿刺的機理是內部短路,這種情形就像潛水艇在水下被物理擊穿,除了全員殉國之外就沒啥其他可能性了。

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    自2021年1月1日實施的動力電池安全新國標GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》,并未引入穿刺試驗,現有的試驗則分為幾類,其中電池單體進行過放電、過充電、外部短路、加熱、溫度循環、擠壓試驗,電池包或系統進行振動、模擬碰撞、擠壓、濕熱循環、浸水、熱穩定性、溫度沖擊、鹽霧、高海拔、過溫保護、過流保護、外部短路保護、過充電保護過放電保護試驗。

    雖然怎么都找不著穿刺試驗,但之前就有自媒體給比亞迪磷酸鐵鋰刀片電池(CTP)做了一個,最終沒起火,只是煮熟了雞蛋。被打臉的寧德時代此后也發布了新款的安全電池,聲稱“只冒煙不起火”。這種有益車主安全的軍備競賽多多益善。

    2 內部短路與鋰枝晶

    內部短路很好理解,就是單體電池里頭的正負極短接了,相當于自殺。自殺也分為快速自殺和慢性自殺兩種,穿刺其實是內部短路當中的快速自殺,最兇險的一種,立即有報應,直接毀所有。

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    慢性自殺的內部短路就要提到最近兩年我們才更多談起的“鋰枝晶”,其實這個問題已經困擾電池界數十年了,關于它在鋰離子電池中的形成原因,筆者分幾步講講:

    1、液態電解質的鋰離子電池在首次充放電時,電極材料和電解液在固液相界面上發生很復雜的反應,形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層,其中負極上的SEI膜(Solid Electrolyte Interphase)對電池的影響更大。這層SEI膜具有有機溶劑不溶性,是電子絕緣體所以e-過不了,同時是良好的離子導體所以Li+很愉快地過去了。

    2、SEI功勞這么大,結果就是有一種叫“鋰枝晶”的東西要毀掉它。當鋰離子在負極表面不均勻沉積就會成為鋰枝晶的反動小團體(析鋰效應 Li Plating 造成的 鋰轉化 Conversion),最可怕的是它還會繼續不均勻生長下去,變得更長、更粗、更尖,“雨后春筍”一般。

    3、當春筍長到一定程度,就會自然收割(靠近負極部位溶解),鋰枝晶脫離電極,成為失去電化學活性的“死鋰”,電池容量降低。

    4、降容還只是最小的事,大不了充電頻繁一些。最無語的是這些鋰枝晶還會刺破電池SEI隔膜(有學說否定這個說法),內部絕緣狀態被打破,內部短路,自燃,釋放小宇宙,進而火燒連營。

    P.S. 鋰枝晶生長的速度與Li+偏移速度正相關,所以快充更容易生成鋰枝晶,電池循環次數多則有更多鋰枝晶(老舊電動車更容易自燃)。

    P.S. 鋰枝晶是一個很大的話題,之后再另辟長文展開,夏至前寫出來(反正我又沒承諾哪一年夏至),保證不太監。

    3 快充

    快充之所以快,就是強行使鋰離子快速從正極嵌出并嵌入負極,增大鋰離子的流量與速度。強扭的瓜不甜,快充會影響SEI的穩定性,還會在短時間內帶來比較大的發熱量,發熱也不均勻。

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    這時候我們要提一下電池領域的三個溫度:T1 自生熱起始溫度、T2 熱失控引發溫度、T3熱失控最高溫度。T2是一個很關鍵的溫度,其機理在學界還沒研究透徹(摘自歐陽明高院士演講稿)。

    當然,因為有冷卻系統的存在(風冷或者液冷),且電池換能效率特別高(熱效率高于95%不少,不像內燃機那么弱雞),電池沒那么容易到達T2。

    這時候最魔幻的事情來了:析鋰效應可以大幅度降低T2。

    配合“快充讓電池發熱量高且不均勻”這一條,電池內部一不小心到達T2熱失控引發溫度,完犢子了。

    4 過充電

    充電過程中,Li+從正極化合物脫出到達負極晶格,正極處于高電位的貧鋰態,負極處于低電位的富鋰態。為了平衡電荷,相同數量的e-從負極脫出,嵌入正極。放電過程,反推即可。

    如果過充電(over charge,充滿了還繼續充),就會有過量的Li+嵌入負極,正極則因為Li+的過度脫嵌導致結構崩塌(發熱+氧釋放),氧氣的釋放還會進一步造成電解質分解,電池內部壓力增加,熱失控風險大增。

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    小時候玩四驅車的時候,多數小朋友都會選擇過充電,以此獲得更好的比賽成績。只是過充電之后,鎳氫電池的內部結構會崩塌,最終“爆漿”。

    另有研究表明,過放電過程中負極的溫度始終高于正極,當內部短路出現時,熱量在繞卷中積聚,進而增加熱失控風險。

    5 過放電

    很多朋友應該遇到過,智能手機和筆記本電腦的鋰離子電池用到3-7%左右,系統會自動關機/進入待機狀態。這是系統在防止電池過放電(over discharge,低于門限電壓繼續放電)。

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    如果過放電發生得過于劇烈,最低電壓的那節電池就會發生“反極”(類比成泰國變性?),這節最弱小無助的電池會被其他串聯電池進行反向充電,電壓是負值,活性物質結構崩塌,等效成一個電阻,異常發熱,Game Over。

    6 振動/擠壓/碰撞/火燒等 

    這里統一說四種類型的濫用,都是外部環境給電池包的物理攻擊,以下描述一下GB 38031-2020會對受測試電池包做什么:

    1、振動:SOC 50%以上,根據標準頻率在x、y、z方向各振動1小時,模擬車輛顛簸。

    2、擠壓:測試方式是擠壓整體尺寸的30%,模擬車輛被受力擠壓。

    3、碰撞:整車質量3.5噸以下的受測試對象,x方向加速度最大28g,y方向最大15G,模擬車輛被碰撞。

    4、火燒:0℃下,用汽油火盤給預熱60秒、直接燒70秒、隔著耐火隔板燒70秒(或繼續直接燒60秒)、靜置觀察2小時,模擬車輛被火燒。

    以上四種工況,都是行車途中可能遇到的,其中車輛顛簸最常見,如果電池本身機械性能太菜,或者模組造得不結實,均有一定風險,當然這種可能性很低,之前有新能源車因線束固定不牢固被召回也不是電池包內部線束。

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    擠壓、碰撞、火燒都是車輛碰撞中可能衍生的濫用,有可能造成電池結構崩塌、SEI膜撕裂、電解液泄露、內部短路等問題。

    7 外部短路

    初中時候我們學過外部短路,正負極在電阻非常小的情況下連接成通路,因為I=U/R,所以電流過大,熱量過多,電池受損。平時我們手握5號電池正負極,電池不會因此完蛋,是因為人體電阻有100000Ω那么大。

    在國標的試驗中,電池要在僅僅5mΩ的外部線路中短路10min,通過了才能上市銷售。

    造成外部短路的原因有很多,除了剛剛說到的碰撞,還有導體污染、浸水等。其中浸水是個很大的問題,2012年美國Fisker有16倆Karma就是因為在紐瓦克港被颶風Sandy次生的海水倒灌淹到了頂,隨后自燃成了廢鐵。誰說水火不容的?電池能讓水災轉身變火災……

    浸水還會讓BMS失效,電控失效之后,就如航母被打掉了艦島,接下來發什么神經你也別太驚訝,一切皆有可能。

    外部短路的禍首是熱量,所以在達到T2之前掐掉短路,或許還有得一救。如果是電動自行車雨天在外充電起火,那還是別去救了,趕緊拉閘、滅火、報警、逃離,惹不起惹不起。

    電動汽車的絕緣和BMS做得好很多,雨天充電沒啥問題,別讓充電插頭灌了水就行。目前大廠家的電池包都有IP67防護等級,7代表電池包在1米深的水里面可以泡30分鐘不失效,但非常不建議大家拿去涉水,電池包不進水,其他零部件泡了這么臟的水也是不行的,車況會迅速老化。

    所以那些自以為是開上了電動汽車就可以隨意涉水不怕熄火的朋友,下次請悠著點了。

    8 鏈式反應

    單體電池(電芯)熱失控并不可怕,可怕的是鋰離子是自備燃燒條件的,在每個單體電池里面都有還原劑和氧化劑,萬事俱備,連東風都不用,直接上“鏈式反應”,愛因斯坦騎單車圖來一個。

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    所以,絕大多數單體電池都是被帶節奏給帶起來的,別睡了起來嗨,來一曲《愛的供“氧”》,沒多久就嗨過頭了,TR王炸,天地滅。

    9 土法改裝

    目前多數電動汽車改裝都不屬于“汽車改裝”,應該屬于最low的“汽車化妝”,不動電氣線路的話影響不大,只是風阻更大些、續航更低些而已,基本無公害。

    最麻煩的土法改裝是PHEV插電式混合動力車型“慢充改快充”,這草根改裝法的原理是利用機艙內電控器接口接入動能回收系統,用全車唯一大功率的動能回收線路進行快充,最高可以改到30kW充電功率。

    無論動力電池是否有快充能力,其實都具備高倍率充放電的能力,只是受損狀況是不明晰的,本身有快充能力的電池可以更多次地快充快放,本身無快充能力的電池只能“折壽”……

    說動能回收系統的充電倍率只有3C左右,理論上不會對PHEV動力電池造成太大的傷害,但若動力電池本身就沒做太多冷卻優化,長時間大功率充電也會有熱失控自燃風險的,工程師在做初始標定的時候根本就沒想過車主要開車“連續下坡1.5小時”。當然,目前PHEV改快充之后都是著車充電的,液冷系統循環會跑起來,熱失控的可能性比較低,但若遇上風冷系統,這一臺靜止的車就有風險了,而且保險對這種土法改裝還是大額免賠的。

    為了防止熱失控,應該做哪些措施?

    包含且不限于:

    1 養成良好的充放電習慣

    條件允許的話,慢充為主,快充為輔。不過因為很多家庭都沒有固定車位和私家充電樁,所以這個理想的模式并不好操作。

    當然,快充自燃的概率很低,最損害電池健康的還是過充電與過放電。為了防止過充電,可以自行限定SOC不到100%(之前蔚來就在自燃事故之后限定過SOC不能超過90%);為了防止過放電,就不要每次都把電量用盡再充。

    目前來看,HEV非插混與PHEV插混的自燃事故很少,主要是因為HEV和PEHV沒有續航焦慮,不需要過充,電池不會像漲到快炸的能量包。

    2 養成良好的用車習慣

    盡量不要魔改,盡量不要涉水,盡量不要暴雨天充電,電池熱失控之后趕緊全員跑路并報警,救不回了就別勉強。

    3 改良BMS與冷卻系統

    改良BMS電池管理策略,盡量避免過充電和過放電,外部短路盡快處理,熱失控早期進行預警,熱失控后系統自動通知消防和醫院(以后或許可以OTA成功)。

    冷卻系統的效率也很重要,風冷廉價但極限低,液冷昂貴但靠譜些。一套好的冷卻系統不是在電池熱失控時進行損管,而是提供一套“讓電池始終舒適”的溫控方案,盡可能延緩鋰枝晶生長的速度。

    4 改良電池配方

    提升正極、負極、電解液、隔膜的熱穩定性是很難的事情,特別在高鎳/低鈷無鈷配方盛行的時代背景下。高鎳意味著高容量(炸彈內餡更豐滿),低鈷無鈷意味著低穩定性,這種正極材料將是目前和將來多年的主流。

    更堅韌的SEI隔膜,更穩定的固態電解質,這些都是可能實現的解決方案之一。如果能延長熱失控的時間,將逃生時間從2分鐘增加到30分鐘左右,新能源汽車自燃的致死概率將大幅度降低。

    目前最容易實現的方案應該是增加更多阻燃劑或其他輔助劑,讓電池配方更加不容易自燃?,F在已有廠商宣稱造出了“只冒煙不自燃”的電池,是否真實還得看上車上路后的效果。

    動力電池配方們現在很糾結,我們一方面要求它足夠活潑,充電速度快、放電功率大;一方面要求它足夠淡定,遇到撞擊、浸水、加熱、過充放都不會熱失控。

    這很人格分裂好不好。對了,成本還不能高,高了賣不掉?!拔乙宀拾邤痰暮谏?,害,一聽需求就知道是老甲方了。

    5 加強電池包結構

    防塵、防水、隔熱、阻燃、防呆,這些項目都可以繼續加強,但成本和重量可不能無限制加上去。

    泄壓閥當然還是要有,防止爆炸當然是好事,不過肯定會有副作用,2019年4月上海徐匯區裕德路泰德花苑小區地下車庫的Model S自燃就對旁邊泄壓,把旁邊的奧迪直接燒透了。

    6 監控電池健康狀態

    新能源車的保養周期比汽柴油車更長,電池健康狀態如何一直都是未知數,僅靠車載BMS去監控,能做的事情有限。

    如果經銷商能在車輛保養期間對動力電池進行全面檢修,老車老電池自燃的概率會降低。蔚來為代表的換電模式,在電池健康檢測方面有天生的優勢。

    目前六成的熱失控都是電池內部崩塌自燃,罪名多數都套給鋰枝晶(是否正確還沒有定論),所以我們就要監控析鋰效應發生的進度,有損的檢測方式包括核磁共振波普技術、光學顯微鏡技術、透射電鏡技術等,均需要拆開電池包;無損診斷的方式包括阿倫尼烏斯曲線、內阻-容量曲線等方式。

    7 自燃險的條款擴充

    如果熱失控無法避免,起碼得有一個東西兜底,那就是商業保險。

    目前中國消費者購買新能源車,保險條款與汽柴油車是一致的,并沒有對新能源車主權益進行特定的保護。新能源車的推廣是國家意志,未來新能源車必然是主流,保險行業暫時還沒跟上節奏。

     何時才能開上安全的新能源車?  

    這個問題很難回答。

    就如筆者剛剛所言,我們一方面需要車子充電更快、加速更快,一方面需要車子不易自燃,那么動力電池配方不能在你需要它活潑的時候一定不穩重,需要它穩重的時候一定不調皮。就算有解決方案,目前也一定不便宜。

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    在有限的預算和技術下,我們當前能做的事情是:盡量買大品牌的動力電池和新能源車,不要過充電/過放電,不要去涉水。

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    接下來很長一段時間內,動力電池安全都將是業界最重要的話題(刷續航逐漸成為低級攬客手段),充分競爭下的動力電池行業,會逐漸涌現出一批價格合理的安全電池。

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