该如何评价电动汽车的电池性能和安全性?
电动汽车的电池,是一个复杂系统。可以分3个层面简单理解:
1. 电芯:正极材料、负极材料、电解液,构成了电芯。
2. 电池包:数百至数千个电芯,组合起来成了电池包,俗称Pack。
3. 系统:加上传感器(眼睛与耳朵)测电压、电流、温度;用BMS(大脑)来思考决策;加上执行器(手脚)来控制开关,就成了系统。
电池系统的安全性可从电芯、电池包、系统这3个层面来理解。
A. 电芯层面的安全性
锂离子电池的危险性,主要体现在热失控,我们可以选用更为稳定、不易燃烧的电芯。
磷酸铁锂(LFP)比三元锂更稳定。
在三元锂中,镍钴锰酸锂(NCM)比镍钴铝酸锂(NCA)更稳定。
在NCM中,NCM622比NCM811更稳定。
能量密度越高的电池,越不稳定。这就与,最少的体积最求最大的能量,这个理念产生了冲突。
在电池原理上未有突破的情况下,我们短期能做的就是尽可能地提高电芯稳定性、安全性,这是一个涉及到材料学、电化学的问题。
B. PACK层面的安全性
如果说电芯层面是在关注电池本身的特性,那么PACK层面则重在关注电池与环境的关系,包括加热、挤压、针刺、浸水、振动等等。
PACK层面的安全性,主要由国际标准来保证: ISO 12405-2014,IEC 62133-2015, UL 2580-2010,SAE J2464,SAE J1929-2011,JIS-C 8715-2-2012等。
为了满足严苛的测试标准,需要在电池组的机械与电气方面做一些安全设计:
- 机械安全设计:防护结构、防水设计、防呆设计、防火阻燃设计等。
- 电气安全设计:接触防护、外短路防护、过流保护设计、高压互锁检测、绝缘检测等。
总体上来说,在PACK层面的标准是全面的、严格的。
C. 系统层面的安全性
电芯组成了电池包,虽然能够通过各种严苛测试,但它仍然是一个死物。BMS,则赋予了它耳目(传感器)、大脑(决策)、手脚(执行器)。BMS功能分两大类:
本职功能:例如,输出与接收能量(从而驱动车辆行驶),为是电池的基本功能。
监控功能:例如,设计了过流、过压、通讯中断等故障下的安全措施,实际上就是电池系统的一种安全监控设计。
这些安全监控功能做得是否充分、是否全面,就决定了电池系统应对故障、将热失控扼杀在摇篮之中的能力。因为热失控常常发生在满电、过充状态下,特别关键的环节就是充电 。
D. 还有第4个层面吗?—— ISO26262与功能安全
请大家思考一下,若电芯、PACK、系统3个层面都做到位,还有哪些可能导致热失控呢?
不可抗力:恶劣的交通事故导致电池剧烈变形;电动汽车驶入大火;驶入水中浸泡1个月;去不合格的汽车修理厂随意拆卸……
老化: 无法准确预判电池在三年或者五年甚至十年后的真实状态。
事实上绝大部分厂家都是认证按照标准来设计电动汽车的了,但是电动汽车起火、失控的事情还是非常常见。那为什么按标准做,还是会出事故呢?
原因很简单:任何硬件都可能会失效;任何软件都是人写的,是人就可能犯错误。具体来可能是:
系统架构不合理 :对外部系统有依赖、所设计的架构开发难度过高
可靠性未达标:硬件的可靠性未达到相应风险的严格程度
开发流程不合理:软件开发流程、开发人员资质、测试验证的独立性
这就是所谓的第4个层面:功能安全(function safety)。注意,功能安全并不是“保证功能是安全运行的”,则是“在功能失效的情况下保证安全”。
锂离子电池(LIB)已成为现代社会生活中主要的能量存储解决方案。其中磷酸铁锂电池完美替代铅酸电池,更加是并网调峰、离网储能、光伏储能、UPS、数据中心等行业的首选。
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