新能源汽車動力電池安全問題分析及解決策略

王小林

摘 要：為了更好地應(yīng)對日益嚴峻的能源危機局面，國家大力推行新能源汽車，不斷調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)布局，盡可能減少汽車尾氣排放，降低自然環(huán)境污染程度。新能源汽車目前在電動汽車領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)性地位，國家及政府部門也出臺了系列扶持政策，推動新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展。但近年來由于新能源汽車動力電池起火事故頻發(fā)，所以現(xiàn)如今人們對新能源汽車的關(guān)注焦點已經(jīng)從以往的里程問題轉(zhuǎn)變?yōu)閯恿﹄姵匕踩阅軉栴}。鑒于此，本文首先簡要介紹了新能源汽車動力電池主要類型，然后分析動力電池存在的安全問題，進一步提出了相應(yīng)的解決策略，最后就新能源汽車動力電池安全技術(shù)發(fā)展給出了一定的建議，以期可以為我國新能源汽車行業(yè)的長足發(fā)展提供一定的指引。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 動力電池 安全問題 解決策略

1 引言

近些年我國新能源汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，動力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大，逐漸從政策引導(dǎo)向著市場化競爭轉(zhuǎn)型，總體發(fā)展勢態(tài)良好，各項安全生產(chǎn)標準也有序修訂，安全標準體系越來越完善。但由于新能源汽車發(fā)展前期車型開發(fā)周期較短、用戶使用經(jīng)驗不足、動力電池質(zhì)量參差不齊等多因素影響，新能源汽車使用過程動力電池起火爆炸事故屢屢發(fā)生，不僅影響汽車產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，而且對乘客生命安全造成了嚴重的威脅，必須引起高度重視。下面就重點論述新能源汽車動力電池安全問題及具體的解決策略，強化新能源汽車動力電池安全監(jiān)管，保障其應(yīng)用期間的安全性。

2 新能源汽車動力電池類型

2.1 鉛酸電池

鉛酸電池最早出現(xiàn)于19世紀，現(xiàn)如今設(shè)計生產(chǎn)技術(shù)均已較為成熟，該類電池主要適用于內(nèi)燃機汽車。鉛酸電池最大的缺陷就是循環(huán)性不佳、污染性大、比能量低；但也具有諸多優(yōu)勢，比如：原材料獲取便捷、價格便宜、性能安全、穩(wěn)定。特別是近些年鉛酸電池生產(chǎn)技術(shù)大幅提升，應(yīng)用期限也不斷延長，比如放電功率從 20Wh/kg 上升到 40Wh/kg，回收率也有所增長，這些優(yōu)勢幫助鉛酸電池在新能源汽車領(lǐng)域具有了更好的發(fā)展前景。

2.2 鎳氫電池

鎳氫電池是堿性電池領(lǐng)域最為典型的代表，其最大的優(yōu)勢在于比能量高、綠色環(huán)保、污染小，所以受到了廣大新能源汽車制造廠商的青睞。除此之外，鎳氫電池充電和放電速度都非?？?，且充電過程徹底，實際應(yīng)用中體現(xiàn)出較好的耐久性。就目前新能源汽車行業(yè)來看，國外的豐田與本田汽車均使用的鎳氫電池，國內(nèi)的中通客車及奇瑞等系列汽車也采用的鎳氫電池。當然也具有一定的缺陷，比如：由于鎳氫電池的制造生產(chǎn)需要消耗大量的鈷和鎳，所以生產(chǎn)成本相對比較高，且溫度超出規(guī)定值會大幅降低電池使用性能，影響汽車行駛動力[1]。

2.3 鋰離子電池

在諸多電池種類中，鋰離子電池是目前新能源汽車最為理想的動力電池。鋰離子電池最早是由索尼公司所研發(fā)，該類電池不僅安全性能非常好，而且電池能量更高，抗碰撞性與耐熱性非常強，試驗表明，鋰離子電池即使發(fā)生碰撞或者將其置于高溫環(huán)境下，發(fā)生爆炸的風(fēng)險非常小，而其他普通動力電池在發(fā)生激烈碰撞或者處于高溫環(huán)境下，很容易發(fā)生電池爆炸事故。除此之外，同質(zhì)量的鋰離子電池能量是鉛酸電池的5倍，是鎳氫電池的3倍，且鋰電池自動放電效率低、環(huán)境污染程度小，是目前新能源汽車動力電池的主流。

3 新能源汽車動力電池安全問題

3.1 生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在的安全問題

對于新能源汽車動力電池來說，生產(chǎn)環(huán)節(jié)是否存在安全隱患，安全管控工作是否到位，與后期電池使用過程的安全性能存在密切的關(guān)聯(lián)。若生產(chǎn)環(huán)節(jié)沒有嚴加管控，也沒有進行相應(yīng)的科學(xué)試驗測試，就難以保障動力電池運行過程的安全性與穩(wěn)定性，甚至還會引發(fā)系列安全事故，對新能源汽車的安全行駛造成極大的威脅。例如：目前我國針對新能源汽車補貼政策實行的為一年制，這與汽車供應(yīng)商開發(fā)時間完全不對等，但部分企業(yè)為了享受補貼政策，故意縮減生產(chǎn)周期，忽略汽車性能測試工作，這就埋下了一定的安全隱患[2]。再比如：部分制造商為了縮減產(chǎn)品研發(fā)周期，采取增大活性材料厚度、減小電池隔膜厚度等措施，表面上看確實增加了電池能量，但存在較大的安全隱患。

3.2 使用環(huán)節(jié)存在的安全問題

3.2.1 電池?zé)崾Э?/p>

低碳節(jié)能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略背景下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)迅速崛起，國家也提供了諸多優(yōu)惠扶持政策，各項基礎(chǔ)設(shè)施越來越完善，同時還引進了現(xiàn)代化5G技術(shù)，搭建網(wǎng)絡(luò)信息平臺，構(gòu)建核心數(shù)據(jù)庫，增設(shè)新能源汽車換電站與充電樁數(shù)量，基于消費者切實需求積極轉(zhuǎn)型升級新能源汽車使用性能，全面推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。目前全國范圍內(nèi)新能源汽車動力電池應(yīng)用最為廣泛的為鋰電池，此類電能儲備裝置具有使用壽命長、能量密度高效等諸多應(yīng)用優(yōu)勢，但依舊存在一定的安全問題。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果顯示，2016—2020年期間，新能源汽車動力電池因為熱失控發(fā)生自燃事故就高達數(shù)百例，嚴重威脅著駕駛員及乘客的人身安全。導(dǎo)致動力電池?zé)崾Э氐母驹蛟谟陔姵亻L期處于高效使用狀態(tài)，部分零部件老化嚴重，電池整體性能下降，尤其是內(nèi)阻發(fā)熱程度明顯增高，當溫度從90℃升高至120℃期間，SEI膜會不斷散熱，電池內(nèi)部溫度持續(xù)升高，隔膜熔化功能關(guān)閉；在溫度高達150℃的情況下，電池內(nèi)部電解質(zhì)加速分解，熱量分散速率加快；在溫度達到200℃的情況下，電池內(nèi)部正極材料開始分解，不僅釋放大量的熱能，同時還會釋放部分氣體，且持續(xù)升溫；在溫度達到300℃的情況下，電解液與負極明顯改變，在氧氣的沖擊下劇烈反應(yīng)，引發(fā)熱失控問題[3]。

3.2.2 充電設(shè)備不合理

部分供應(yīng)商一味盲目節(jié)約成本，不夠重視新能源汽車動力電池充電安全性問題，沒有嚴格按照國家有關(guān)規(guī)定規(guī)范化建設(shè)新能源汽車充電設(shè)施，難以保障電池充電過程的穩(wěn)定性與安全性。還有部分制造商未按照規(guī)定要求認真設(shè)計執(zhí)行動力電池安全管理系統(tǒng)，比如：動力電池充電設(shè)備缺乏自動化斷電器。除此之外，絕大多數(shù)新能源汽車企業(yè)沒有嚴格落實動力電池充電回路絕緣電壓、充電樁設(shè)施絕緣功能及電池溫升功能系列試驗檢測工作，無法保障動力電池使用過程的安全性。

4 新能源汽車動力電池安全問題的解決策略

4.1 生產(chǎn)環(huán)節(jié)安全控制策略

4.1.1 優(yōu)化測試驗證模式

國家對新能源汽車動力電池生產(chǎn)標準及性能測試有著非常明確的規(guī)定，通過嚴格規(guī)范化的試驗測試能夠及早發(fā)現(xiàn)動力電池潛在的安全隱患，并根據(jù)具體問題采取針對性的處理對策，比如：三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池測試期間，當溫度超出規(guī)定數(shù)值時會發(fā)生明顯的分解現(xiàn)象，特別是三元鋰電池，當試驗溫度達到200℃的時候，三元鋰電池材料還會發(fā)生系列化學(xué)反應(yīng)生成氧分子，造成燃燒反應(yīng)的持續(xù)進行，所以在投入使用前對電池材料安全性能進行測試十分必要，這也是新能源汽車優(yōu)先選用磷酸鐵鋰動力電池的一個重要原因。除此之外，還需遵循國家相關(guān)標準，按照車型特征進行動力電池高壓電流安全驗證測試，保障動力電池安全性能達到最佳狀態(tài)，為新能源汽車的安全可靠使用奠定堅實的基礎(chǔ)保障。

4.1.2 選擇恰當?shù)臏y試驗證方法

新能源汽車動力電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)的性能測試需綜合考量生產(chǎn)技術(shù)、電池特性及國家有關(guān)規(guī)定等諸多要素，選擇最為科學(xué)合理的測試驗證方法，提高測試效率，保障測試工作的時效性與測試結(jié)果的精準性，全面掌握動力電池存在的安全問題，及時完善優(yōu)化電池性能。以往傳統(tǒng)的動力電池生產(chǎn)制造過程中，并沒有配備相應(yīng)的傳感監(jiān)控體系，而是配置了智能化鋰離子動力電池組，通過鋁合金材料在側(cè)方進行開口處理，以為傳感器的設(shè)置提供更大的便利，同時還需在結(jié)構(gòu)內(nèi)部水平位置設(shè)置電池卡槽，然后將動力電池安裝固定好，建立防熱墊圈結(jié)構(gòu)，有效緩解汽車行駛期間由于震動產(chǎn)生的不良反應(yīng)[4]。除此之外，在電池之間配設(shè)冷卻管裝置，使運行過程中電池組溫度處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)；在電池結(jié)構(gòu)外殼前端安裝處理器，確保能夠掌握電池電壓及溫度各項參數(shù)動態(tài)變化情況；在結(jié)構(gòu)外部安裝電池正負極處理器，實現(xiàn)對設(shè)備實際運行速度的有效控制，這樣的設(shè)計方式能夠有效規(guī)避動力電池運行期間發(fā)生高溫問題，保障動力電池組的長久穩(wěn)定運行。

4.2 使用環(huán)節(jié)安全控制策略

4.2.1 電池報廢管理和替換管理

為了避免動力電池使用時間延長出現(xiàn)的功能破壞和老化現(xiàn)象影響其安全性能，必須加強電池替換管理和報廢管理工作，最大限度規(guī)避電池安全問題，降低安全風(fēng)險發(fā)生幾率。當電池性能低于設(shè)計值30%的時候應(yīng)采取梯次或者拆解方式，一方面提升動力電池安全使用性能；另一方面提高能源利用率，避免造成資源的嚴重浪費，體現(xiàn)出良好的環(huán)保性與實用性。對于已經(jīng)報廢的電池應(yīng)及時更換，并對廢舊電池進行合理回收，以免污染自然環(huán)境[5]。

4.2.2 加強電池充電安全管理

為了達到較為理想的電池充電安全管理成效，我們需根據(jù)電池類型與特性，積極創(chuàng)新優(yōu)化管理模式，規(guī)范用戶的電池充電行為，在條件允許的情況下最好能提前對使用者進行專業(yè)培訓(xùn)，告知他們電池的安全充電操作要領(lǐng)及注意事項。要求使用者切不可擅自隨意改裝電池，否則可能會面臨嚴重的安全問題。同時還應(yīng)加強新能源汽車動力電池日常維修養(yǎng)護管理，定期檢查各零部件性能，確保其處于良好的運行狀態(tài)，針對細小隱患做好科學(xué)處置，避免影響范圍進一步擴大。若車輛遭受了雨水浸泡、劇烈撞擊或者底盤受損，應(yīng)到專業(yè)修理機構(gòu)處理，并進行整體檢查，強化管理，保障新能源汽車電池的安全應(yīng)用。

5 動力電池安全技術(shù)發(fā)展建議

5.1 政府部門加強安全監(jiān)管

政府有關(guān)部門應(yīng)不斷建立健全新能源汽車安全運行監(jiān)管體系，明確汽車制造商的安全主體責(zé)任，借助現(xiàn)代化信息技術(shù)構(gòu)建安全監(jiān)控平臺，加大對新能源汽車制造企業(yè)的監(jiān)管力度，鼓勵企業(yè)積極引入應(yīng)用先進的安全預(yù)警模式，全面提升新能源汽車安全預(yù)警能力。同時完善動力電池全生命周期安全檢驗機制和日常維護保養(yǎng)制度，要求使用人員必須按照規(guī)定對車輛進行年檢，降低安全事故發(fā)生風(fēng)險。除此之外，各部門之間做好協(xié)同聯(lián)動，認真落實新能源汽車事故調(diào)查流程，對事故車輛關(guān)鍵零部件進行專業(yè)技術(shù)鑒定檢查，提高事故信息透明度，增加消費信心。

5.2 行業(yè)組織發(fā)揮自律協(xié)調(diào)作用

行業(yè)協(xié)會及學(xué)會應(yīng)充分發(fā)揮其自律協(xié)調(diào)作用，最好能與地方高校或者研究院進行校企合作，成功攻克各項技術(shù)難關(guān)，不斷提高動力電池安全預(yù)警能力、安全性能和智能化監(jiān)測水平。根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展及消費者實際需求，積極完善新能源汽車動力電池安全標準修訂工作，包括：電池壓力、熱失控產(chǎn)氣標準及異物內(nèi)短路等各項試驗測試標準。加強產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)聯(lián)企業(yè)聯(lián)動，促進產(chǎn)業(yè)間深度合作，加大安全宣傳力度，降低消費者安全風(fēng)險顧慮。

5.3 企業(yè)加大安全監(jiān)測技術(shù)投入

新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身發(fā)展現(xiàn)狀，適度增加動力電池安全技術(shù)研發(fā)力度，做好與上游及下游各大企業(yè)間的協(xié)同合作與深度融合，不斷提高動力電池安全實用性能。持續(xù)優(yōu)化動力電池安全監(jiān)控平臺，提高安全監(jiān)測水平，對動力電池運行過程進行動態(tài)化監(jiān)測，第一時間掌握電池的安全問題與危險程度，建立相應(yīng)的事故報警及應(yīng)急處理預(yù)案[6]。企業(yè)還應(yīng)結(jié)合自身銷售狀況，出臺多樣化的優(yōu)惠政策，比如：免費進行安全性能檢測、以舊換新、定期免費維護保養(yǎng)、發(fā)放電池安全使用手冊等等，加強用戶對新能源汽車動力電池的規(guī)范化使用指導(dǎo)，幫助消費者建立良好的車輛使用習(xí)慣。

6 結(jié)束語

總而言之，與以往傳統(tǒng)的油車相比而言，新能源汽車更加低碳環(huán)保，很好地契合了我國近些年提倡的綠色節(jié)能發(fā)展政策?？墒怯捎谛履茉雌囇邪l(fā)周期比較短，各項技術(shù)還不夠成熟，尤其是動力電池安全問題頻發(fā)，必須引起我們的高度重視。政府部門、制造商及行業(yè)組織等應(yīng)進行多方聯(lián)合，加大研發(fā)與技術(shù)投入，優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，不斷提高動力電池安全使用性能，確保電池使用過程足夠安全穩(wěn)定，為駕駛員及乘客提供良好的乘車環(huán)境，推動我國電動汽車產(chǎn)業(yè)的長足發(fā)展。

參考文獻：

[1]王震坡，袁昌貴，李曉宇.新能源汽車動力電池安全管理技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢分析[J].汽車工程，2020，42（12）：1606-1620.

[2]吳敬彬，石春，吳剛.基于功能安全標準電動汽車電池電子部件的研制[J].儀表技術(shù)，2020（06）：7-12.

[3]陳澤宇，熊瑞，孫逢春.電動汽車電池安全事故分析與研究現(xiàn)狀[J].機械工程學(xué)報，2019，55（24）：93-104+116.

[4]張寶利.基于功能安全的電動汽車電池管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計[D].北京交通大學(xué)，2019.

[5]寧水根，張慶永，黃經(jīng)元，張海東.電動汽車電池系統(tǒng)安全設(shè)計與制造的思考[J].電源技術(shù)，2019，43（05）：896-899.

[6]張東明，張曉云.電動汽車電池組特征分析及安全防范措施研究[J].機械制造與自動化，2018，47（01）：193-196.