中國工程院楊裕生院士：試論提高電動汽車安全性之道
2014-04-17 16:06:53
admin
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據(jù)科學(xué)網(wǎng)2012年8月10日訊 近幾年，示范運(yùn)行的純電動汽車發(fā)生多起冒煙、著火事故，有些官員就認(rèn)為“純電動車不成熟”，于是在今年7月9日發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012－2020年）》（以下簡稱《規(guī)劃》）中，純電動汽車就“退居二位”了。
毫無疑問，電動汽車的安全性確實(shí)是首先要考慮的因素，但是如何提高中國電動汽車的安全性呢？
《規(guī)劃》在“主要任務(wù)”中特別強(qiáng)調(diào)，要“開發(fā)電池自激活電壓控制和熱控制等新技術(shù)，提高電池安全性”。筆者認(rèn)為，針對電動汽車安全性提出這樣的技術(shù)措施，當(dāng)然很重要，但卻還不夠。
實(shí)際上，電動汽車的安全性基本上就是電池的安全性，這是個(gè)復(fù)雜的問題。為了促進(jìn)政府部門組織并部署系統(tǒng)性的研究，本文提出一些設(shè)想，以拋磚引玉，引起討論。
幾個(gè)基本觀念
首先，要承認(rèn)電池組像汽油箱那樣，是一種含高能物質(zhì)的部件。而且，鋰離子電池中的電解液是用易燃的溶劑配制而成，正、負(fù)電極上的氧化劑和還原劑只隔一層約20微米厚的隔膜，在達(dá)到一定溫度時(shí)氧化劑和還原劑均易與電解液發(fā)生大量生熱的化學(xué)反應(yīng)，何況電池組又是在高電壓、大電流下運(yùn)行。因此，電池本質(zhì)上是具有危險(xiǎn)性的，且隨著電池比能量和比功率的提高，發(fā)生事故的危險(xiǎn)性將增大。
其次，要將使用電池作為使用易燃、易爆物品和高電壓器件一樣對待。要制定并嚴(yán)格執(zhí)行安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和使用規(guī)范。
再次，要認(rèn)識到的一點(diǎn)是，安全性是一個(gè)事故概率問題，安全因素控制得好，發(fā)生危險(xiǎn)事故的概率就降低。
影響安全的因素
一、電池的品種。在各種動力電池中，鋰離子電池的比能量*高，化學(xué)副反應(yīng)放熱量大，*易造成電池內(nèi)氣壓升高，重則爆炸，輕則電解液泄漏而易燃燒。金屬氫化物/鎳電池和鉛酸電池的電解液分別是堿性和酸性的水溶液，泄漏時(shí)有腐蝕的危險(xiǎn)，不過燃、爆性要低得多，但是也并非絕對不出問題。
二、電池的設(shè)計(jì)水平。鋰離子電池正極材料如用磷酸亞鐵鋰，安全性要高于其他正極材料，但也會發(fā)生問題，近些年發(fā)生的事故大多數(shù)用的就是磷酸亞鐵鋰做正極的電池；負(fù)極用硬碳，安全性可優(yōu)于石墨類；電解液、隔膜的優(yōu)選均有可能提高電池的安全性。但是這些技術(shù)往往以犧牲電池的比能量和比功率為代價(jià)，應(yīng)該綜合考慮。今年4月山東淄博的鎳氫電池公交車發(fā)生大火，原因可能是企圖追求高功率而將負(fù)極的儲氫合金以過多的活性炭替代，造成正極活性物質(zhì)過量，導(dǎo)致電池中積累了氫氣。鉛酸電池在過度充電時(shí)也會發(fā)生水電解成氫氣和氧氣，這個(gè)問題已經(jīng)得到較好解決。
三、電池的質(zhì)量。有些廠家電池試制出來不經(jīng)長期充分考驗(yàn)，連單體電池的故障率參數(shù)還無法統(tǒng)計(jì)就急于交付裝車演示，電池組的安全性從何談起？同樣以磷酸亞鐵鋰做正極的鋰離子電池，有些廠家生產(chǎn)的電池發(fā)生的事故多些，有的就少些，還有的根本沒有發(fā)生事故；同一個(gè)廠，改進(jìn)生產(chǎn)工藝、加強(qiáng)質(zhì)量管理后，電池發(fā)生事故的概率明顯下降。這些都充分說明提高生產(chǎn)質(zhì)量對改善安全性的重要作用。此外，電池單體的品質(zhì)還表現(xiàn)在壽命、容量、內(nèi)阻和自放電率的一致性，它們也與安全性密切相關(guān)。
四、電池的總?cè)萘俊ｋ姵氐目側(cè)萘渴侵鸽姵氐膯误w數(shù)與每個(gè)單體容量的乘積。不言而喻，這是與事故概率成正比的基本因素。為了追求電動汽車的續(xù)駛里程和*高速度而過多裝載電池，不僅浪費(fèi)能量和材料，價(jià)升而市場小，充放電中的熱量更難散發(fā)，而且增加了事故發(fā)生的概率。這是傳統(tǒng)汽車專家們“燃油車慣性思維”下，不顧當(dāng)前的電池水平盲目追求高指標(biāo)而誤導(dǎo)出的嚴(yán)重安全隱患。
五、使用時(shí)間的長短。也可用充放電次數(shù)或行駛里程來表達(dá)此因素。電池組持續(xù)使用后，各單體的容量下降和內(nèi)阻升高的程度不同，而且使用時(shí)間越長此等差別越大，發(fā)生問題的概率隨之上升。
六、安全措施的有效性。管理系統(tǒng)是保證電池組正常工作的有效部件，管理系統(tǒng)失靈可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果。電池的泄壓機(jī)構(gòu)（安全閥等）可有效地防止電池爆炸，其可靠性越高，發(fā)生爆炸的概率越低。但是，從泄壓機(jī)構(gòu)泄出的電解液或氣體與空氣相遇后仍有燃燒的危險(xiǎn)性，這可能就是軟包裝和塑料殼電池不爆炸而會燃燒的原因。
七、使用的合理性。不按電池組的特性行事，后果嚴(yán)重。目前，電池組的使用存在快充電、充滿電、放完電、超負(fù)載等問題。過充和過放不僅會損傷電池的壽命，而且也增加發(fā)生事故的危險(xiǎn)性。即使是按標(biāo)稱容量全充全放，也不應(yīng)受到鼓勵(lì)。超限的載重和速度均需用過大的電流，電池溫度將陡然上升，如過流保護(hù)機(jī)構(gòu)缺失或失靈，將可能觸發(fā)安全事故的發(fā)生。
八、其他因素。例如，電動汽車對各種意外因素（如對嚴(yán)重的撞擊、意外事故危害）的調(diào)控力和適應(yīng)性等等。
安全性的衡量尺度
安全性的實(shí)質(zhì)就是事故概率。既然是概率，它就可以用數(shù)值來表示。例如核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)時(shí)，安全性要達(dá)到10^-5或10^6/堆·年。如此低的事故概率，除了要有高水平的設(shè)計(jì)、制造能力外，還要在運(yùn)行中有一套嚴(yán)密的操作規(guī)程和嚴(yán)格的維修保養(yǎng)制度來保障。電動汽車和電池設(shè)計(jì)、制造中必然要考慮許多安全措施，也應(yīng)該有量化的形式來*后集中表達(dá)其安全程度，例如10^10（100億）車·公里發(fā)生燃燒、爆炸事故不超過一件，或10^-10/千瓦時(shí)·公里等其他表達(dá)形式。
我國現(xiàn)有約1億輛燃油汽車，平均每天發(fā)生一起自燃事故；每輛汽車平均按每天行駛100公里計(jì)，事故概率正是1010車公里發(fā)生一起燃燒事故?，F(xiàn)在媒體和公眾對這樣的事件頻率已不感到驚奇和可怕，似乎是可以接受的一個(gè)安全指標(biāo)。如果電動汽車的事故概率也降到這樣的水平，也就不會引起大的轟動了。
但是，如何將此指標(biāo)落實(shí)（分配）到電動汽車（主要是電池）的各項(xiàng)設(shè)計(jì)措施中，又如何通過汽車實(shí)際達(dá)到的各項(xiàng)性能計(jì)算出該汽車的安全水平（或事故概率），更如何通過計(jì)算出的各汽車事故概率指導(dǎo)該汽車提高安全性，將是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的課題。筆者建議政府有關(guān)部門及早部署，以系統(tǒng)地研究電動汽車安全性提高之道。
已可采用的安全措施
一、采取增程技術(shù)，從技術(shù)路線上提高安全性和節(jié)油率。
現(xiàn)有電池水平下，純電動大、中型汽車的合理設(shè)計(jì)里程僅約150公里，電池組常常滿充滿放，性能衰退快；電池量大，散熱困難，解決安全問題的難度加重。
純電驅(qū)動的增程式車，用小功率發(fā)電機(jī)在行駛途中以watechliuhede工況發(fā)電，不僅節(jié)油率高，而且不必配太大容量的動力電池就可遠(yuǎn)行；特別是電池組運(yùn)行于“半充”與“半放”狀態(tài)之間，淡化了不一致性問題，且內(nèi)阻小，發(fā)熱量??；電池不過充、不過放，循環(huán)壽命長，安全性好，尤其適用于大、中型車輛。
二、發(fā)展安全性高的微、小型純電動汽車。
微、小型純電動汽車用的電池容量小，從根本上降低了電池的事故概率。這種車還可用鉛酸電池，不僅價(jià)廉，而且安全性比鋰離子電池好。
三、提高電池的安全性能。
要推廣應(yīng)用對水不敏感的電解質(zhì)、減少溶劑用量的聚合物（或凝膠）電解質(zhì)，電解液中添加阻燃劑、防過充或防過熱的聚合物單體等，涂有陶瓷微粉的耐熱、不收縮隔膜。
減低電池的內(nèi)阻有利于減少電池的溫升，十分重要，全極耳和極耳與極柱一體化等專利技術(shù)應(yīng)該推廣。
四、電池組防火功能設(shè)計(jì)。
優(yōu)良的管理系統(tǒng)、牢靠的連接方法、有效的散熱途徑、穩(wěn)妥的空氣隔絕、及時(shí)的監(jiān)測報(bào)警和正確的滅火措施等等，貫徹這些防火設(shè)計(jì)原則和相應(yīng)的技術(shù)措施，將有助于提高動力電池組的安全性。
電池組有效散熱和隔絕空氣相結(jié)合的專利技術(shù)，對于防止電池燃燒很有價(jià)值。
結(jié)束語
筆者認(rèn)為，要提高電動汽車安全性，需要立項(xiàng)系統(tǒng)地研究電動汽車的安全性規(guī)律和用數(shù)值來表達(dá)安全性（即事故概率）；要以電池發(fā)展為依據(jù)規(guī)劃電動汽車發(fā)展；要用好現(xiàn)有的各種電池，生產(chǎn)相應(yīng)的車；在持續(xù)治理鉛污染的同時(shí)，大力支持研制高比能量、長壽命、高功率等新技術(shù)鉛酸電池。