新能源汽車動力電池安全問題分析及解決對策

張清郁

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450053）

目前在新能源汽車核心技術(shù)攻關(guān)工程、電池技術(shù)突破研究領(lǐng)域中，我國已經(jīng)研究開發(fā)出質(zhì)量較輕、壽命較長、安全性較高、成本較低的電池。為有效應(yīng)對安全問題，本文根據(jù)新能源汽車動力電池的特點(diǎn)、安全問題發(fā)生規(guī)律等，完善了相應(yīng)的安全管理模式、安全防控機(jī)制，從而有效保障電池使用和運(yùn)行的安全性。

1 新能源汽車動力電池安全問題分析

1.1 生產(chǎn)環(huán)節(jié)引發(fā)的安全問題

新能源汽車動力電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全管控工作會直接影響電池的安全性，如果未能嚴(yán)格管控，未能借助合理的測試驗(yàn)證保障電池的安全性，則容易引發(fā)安全事故從而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。例如：我國制定的新能源汽車補(bǔ)貼政策周期為一年，和汽車廠商開發(fā)周期時(shí)間不匹配，尤其是在化學(xué)材料的應(yīng)用過程中，體系改進(jìn)的周期往往超出一年，而企業(yè)為了獲得相應(yīng)的補(bǔ)貼，很容易盲目地進(jìn)行生產(chǎn)操作，縮短測試驗(yàn)證的時(shí)間，不能有效保障電池的安全性。此外，部分企業(yè)為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，會采用物理改進(jìn)措施，如縮小電池隔膜的厚度，增加活性材料的厚度，雖然這樣能夠提升電池比能量，但是電池的安全性降低，不利于其安全應(yīng)用。

1.2 使用過程的安全問題

1）電池?zé)崾Э?。近年來，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。 《2020年國務(wù)院政府工作報(bào)告》中指出，要強(qiáng)化新型基礎(chǔ)設(shè)施、新型信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，增加5G技術(shù)的應(yīng)用渠道，合理建設(shè)相關(guān)的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，增加充電樁和換電站數(shù)量，對新能源汽車進(jìn)行推廣，重點(diǎn)關(guān)注新消費(fèi)需求，推動產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級發(fā)展。目前新能源汽車普遍使用鋰離子電池作為儲能部件，其具有能量密度較高、使用壽命較長的優(yōu)勢，但美中不足的是存在安全隱患。據(jù)調(diào)查，2016—2020年，由電池?zé)崾Э匾鸬淖匀棘F(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對道路和人身安全造成直接影響。究其原因，動力電池因長時(shí)間使用，部件開始慢慢老化，電池的性能會有所降低，此情況下過充、過放都很容易引發(fā)熱失控。從原理層面而言，電池經(jīng)長時(shí)間使用，內(nèi)阻增高發(fā)熱，當(dāng)達(dá)到90～120℃時(shí)，SEI膜會逐漸分解釋放熱量，溫度再次增高，隔膜熔化關(guān)閉；超過150℃時(shí)，內(nèi)部電解質(zhì)分解，繼續(xù)釋放出熱量；超過200℃時(shí)，正極材料分解，不僅會釋放熱量，還會釋放氣體，并呈現(xiàn)持續(xù)升溫狀態(tài)；超過300℃時(shí)，嵌鋰態(tài)負(fù)極和電解液之間出現(xiàn)一定的反應(yīng)，尤其是氧氣劇烈反應(yīng)，極易引發(fā)熱失控現(xiàn)象。

2）充電不合理。電池在充電期間可能會產(chǎn)生數(shù)據(jù)通信不規(guī)范現(xiàn)象，一些廠商未嚴(yán)格按照國家新標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)充電基礎(chǔ)設(shè)施，導(dǎo)致電池的安全性受到威脅。新能源汽車動力電池的充電安全性直接由管理系統(tǒng)的控制性能決定。但目前部分企業(yè)的電池安全管控系統(tǒng)不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如國家要求必須能自動化診斷繼電器控制系統(tǒng)的粘連問題，但是部分企業(yè)為了控制成本沒有設(shè)計(jì)此類功能，同時(shí)也沒有合理設(shè)計(jì)能夠檢測充電樁基礎(chǔ)設(shè)施絕緣性能的功能、充電樁充電回路絕緣電壓檢測功能、過載檢測功能、溫升檢測功能等，導(dǎo)致電池在充電過程中的安全性受到一定威脅。

2 新能源汽車動力電池安全問題的解決對策

2.1 生產(chǎn)安全的控制

1）完善測試驗(yàn)證模式。按照國家標(biāo)準(zhǔn)完善生產(chǎn)環(huán)節(jié)測試、驗(yàn)證工作的指標(biāo)和要求，找出動力電池發(fā)生爆炸、自燃的安全隱患，根據(jù)隱患發(fā)生的原因測試驗(yàn)證正極材料的情況。分析磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池在應(yīng)用的過程中達(dá)到某種溫度指標(biāo)之后出現(xiàn)分解的現(xiàn)象，其中三元鋰電池在200℃的情況下分解，磷酸鐵鋰電池在800℃的情況下分解，并且三元鋰電池材料很容易出現(xiàn)嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)，分解生成氧分子，引發(fā)連鎖性的燃燒反應(yīng)，因此在測試驗(yàn)證的過程中應(yīng)分析不同材料的安全性能，盡可能選擇使用磷酸鐵鋰材料生產(chǎn)的電池產(chǎn)品。同時(shí)還需進(jìn)行電池高壓電流方面的安全性測試和驗(yàn)證分析，按照不同車型的特點(diǎn)、國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完善工作機(jī)制，保證相應(yīng)的測試驗(yàn)證分析效果，確保生產(chǎn)環(huán)節(jié)中電池的安全性[1]。

2）合理選擇測試驗(yàn)證方法。在電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，應(yīng)結(jié)合新能源汽車的動力電池特點(diǎn)、生產(chǎn)技術(shù)特征、國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等，科學(xué)地選擇應(yīng)用測試驗(yàn)證方法，避免因?yàn)榘踩珮?biāo)準(zhǔn)形式單一出現(xiàn)問題，確保在綜合性測試分析、驗(yàn)證研究的情況下及時(shí)掌握和了解電池的安全隱患及其他問題，科學(xué)合理地執(zhí)行各項(xiàng)研究工作，提高測試工作水平，增強(qiáng)驗(yàn)證工作的有效性，發(fā)揮不同措施的價(jià)值作用。同時(shí)還需借鑒先進(jìn)的工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合具體的工作特點(diǎn)，科學(xué)地進(jìn)行測試驗(yàn)證處理，從而提高工作質(zhì)量[2]。另外，傳統(tǒng)的電池生產(chǎn)制造缺陷是單體缺乏良好的傳感監(jiān)控形式，在此情況下建議在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中設(shè)置智能化鋰離子動力電池組，即外殼選用鋁合金材料，側(cè)邊做開口處理，便于設(shè)置、封裝傳感器的零部件，在外殼內(nèi)部水平位置準(zhǔn)確設(shè)計(jì)電池槽位，將電池包安裝其中，設(shè)置耐高溫類型的墊圈結(jié)構(gòu)，降低新能源汽車在行駛期間因振動帶來的不利影響與危害。在相鄰電池之間設(shè)計(jì)冷卻管，電池組開啟之后冷卻管循環(huán)運(yùn)行，起到降低電池組溫度的作用。另外，重點(diǎn)還需在外殼前端區(qū)域設(shè)置處理器，準(zhǔn)確收集電池的溫度數(shù)據(jù)信息、電壓數(shù)據(jù)信息等，在外殼中安裝和設(shè)備相互銜接的動力電池正極和負(fù)極處理器、嵌入式處理器的CAN總線接口，便于設(shè)備的有效控制。該設(shè)計(jì)的應(yīng)用可有效解決生產(chǎn)環(huán)節(jié)中溫度過高的問題，冷卻管代替?zhèn)鹘y(tǒng)風(fēng)扇進(jìn)行散熱可增強(qiáng)散熱的均勻性，同時(shí)還能利用傳感器進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，避免因溫度過高出現(xiàn)熱失控問題，確保電池組整體安全有效運(yùn)作。

2.2 使用環(huán)節(jié)的控制

1）做好電池報(bào)廢管理與更換管理。為避免電池因長時(shí)間使用出現(xiàn)老化和壞損現(xiàn)象從而影響其安全性能，有關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)電池報(bào)廢管理與更換管理的力度，杜絕安全隱患。對于相關(guān)的動力電池，在不適合繼續(xù)使用的情況下應(yīng)及時(shí)回收，電池使用性能降低30%以上時(shí)要采用梯次使用形式，通過拆解方式，將其重新應(yīng)用在路燈中，這樣不僅能夠避免新能源汽車的電池安全隱患，還能解決資源浪費(fèi)問題。同時(shí)為增強(qiáng)能源利用效果，應(yīng)遵循經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性原則，合理回收利用廢舊電池，并特殊處置重金屬成分，避免環(huán)境污染[3]。

2）完善充電安全管理工作模式。為增強(qiáng)電池充電環(huán)節(jié)的安全管理效果，應(yīng)不斷完善管理模式，強(qiáng)化電池使用的規(guī)范引導(dǎo)，為使用者提供相應(yīng)的電池安全應(yīng)用培訓(xùn)，將充電注意事項(xiàng)、充電操作要求等作為主要的培訓(xùn)內(nèi)容，并提醒使用者不可擅自改裝電池。同時(shí)需強(qiáng)化對使用者在電池保養(yǎng)、故障排查方面的引導(dǎo)，使其了解安全隱患并能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排查異常狀況。在發(fā)生底盤刮傷、遇到強(qiáng)烈撞擊、遭到雨水浸泡的情況下，提醒使用者盡快在附近網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行檢查和維修，引導(dǎo)使用者在充電過程中準(zhǔn)確排查安全隱患，加強(qiáng)管控力度，保障電池應(yīng)用的安全性。嚴(yán)格按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加強(qiáng)充電樁、充電系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[4-5]。

3 新能源汽車動力電池未來發(fā)展趨勢

3.1 高性能化發(fā)展

鋰電池產(chǎn)品質(zhì)量較輕、能量密度較高，且對環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)。鈦酸鋰材料能夠適應(yīng)復(fù)雜的溫度變化，因此，在未來發(fā)展的進(jìn)程中可合理開發(fā)鈦酸鋰電池產(chǎn)品，按照國家標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)，延長電池使用生命、增強(qiáng)電池安全性能，使其能夠更好地應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域，為用戶提供安全可靠的產(chǎn)品[6]。

3.2 以滿足市場高需求為導(dǎo)向發(fā)展

鋰電池具備鋰金屬特征，相同容量的鋰電池質(zhì)量只是鉛酸電池的20%，合理應(yīng)用鋰電池材料能夠?yàn)樾履茉雌嚨脑O(shè)計(jì)、生產(chǎn)等提供更多的空間，可以更好地以市場和客戶的多元化需求為導(dǎo)向進(jìn)行新能源汽車設(shè)計(jì)。同時(shí)鋰電池具有節(jié)能環(huán)保的特性，在未來發(fā)展中可以按照市場需求優(yōu)化鋰電池產(chǎn)品，提升電池應(yīng)用的安全性能[7]。

4 結(jié)束語

近年來，我國新能源汽車保有量不斷提升，其動力電池存在安全隱患，安全事故的發(fā)生率也有所提升，威脅著新能源汽車使用者的生命安全。因此，本文結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)和使用階段的安全問題和發(fā)生規(guī)律，完善生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全控制措施，健全測試驗(yàn)證工作機(jī)制，加大使用環(huán)節(jié)的安全監(jiān)督力度和提高安全控制的有效性，從而提升新能源汽車動力電池的安全性能。