中國工程院楊裕生院士：試論提高電動(dòng)汽車(chē)安全性之道
2014-04-17 16:06:53
admin
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據科學(xué)網(wǎng)2012年8月10日訊 近幾年，示范運行的純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生多起冒煙、著(zhù)火事故，有些官員就認為“純電動(dòng)車(chē)不成熟”，于是在今年7月9日發(fā)布的《節能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃（2012－2020年）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規劃》）中，純電動(dòng)汽車(chē)就“退居二位”了。
毫無(wú)疑問(wèn)，電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)的安全性呢？
《規劃》在“主要任務(wù)”中特別強調，要“開(kāi)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”。筆者認為，針對電動(dòng)汽車(chē)安全性提出這樣的技術(shù)措施，當然很重要，但卻還不夠。
實(shí)際上，電動(dòng)汽車(chē)的安全性基本上就是電池的安全性，這是個(gè)復雜的問(wèn)題。為了促進(jìn)政府部門(mén)組織并部署系統性的研究，本文提出一些設想，以?huà)伌u引玉，引起討論。
幾個(gè)基本觀(guān)念
首先，要承認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，何況電池組又是在高電壓、大電流下運行。因此，電池本質(zhì)上是具有危險性的，且隨著(zhù)電池比能量和比功率的提高，發(fā)生事故的危險性將增大。
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。要制定并嚴格執行安全設計標準和使用規范。
再次，要認識到的一點(diǎn)是，安全性是一個(gè)事故概率問(wèn)題，安全因素控制得好，發(fā)生危險事故的概率就降低。
影響安全的因素
一、電池的品種。在各種動(dòng)力電池中，鋰離子電池的比能量*高，化學(xué)副反應放熱量大，*易造成電池內氣壓升高，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，不過(guò)燃、爆性要低得多，但是也并非絕對不出問(wèn)題。
二、電池的設計水平。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(huì )發(fā)生問(wèn)題，近些年發(fā)生的事故大多數用的就是磷酸亞鐵鋰做正極的電池；負極用硬碳，安全性可優(yōu)于石墨類(lèi)；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)，應該綜合考慮。今年4月山東淄博的鎳氫電池公交車(chē)發(fā)生大火，原因可能是企圖追求高功率而將負極的儲氫合金以過(guò)多的活性炭替代，造成正極活性物質(zhì)過(guò)量，導致電池中積累了氫氣。鉛酸電池在過(guò)度充電時(shí)也會(huì )發(fā)生水電解成氫氣和氧氣，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)得到較好解決。
三、電池的質(zhì)量。有些廠(chǎng)家電池試制出來(lái)不經(jīng)長(cháng)期充分考驗，連單體電池的故障率參數還無(wú)法統計就急于交付裝車(chē)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(chǎng)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(méi)有發(fā)生事故；同一個(gè)廠(chǎng)，改進(jìn)生產(chǎn)工藝、加強質(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(shuō)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)還表現在壽命、容量、內阻和自放電率的一致性，它們也與安全性密切相關(guān)。
四、電池的總容量。電池的總容量是指電池的單體數與每個(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(dòng)汽車(chē)的續駛里程和*高速度而過(guò)多裝載電池，不僅浪費能量和材料，價(jià)升而市場(chǎng)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。這是傳統汽車(chē)專(zhuān)家們“燃油車(chē)慣性思維”下，不顧當前的電池水平盲目追求高指標而誤導出的嚴重安全隱患。
五、使用時(shí)間的長(cháng)短。也可用充放電次數或行駛里程來(lái)表達此因素。電池組持續使用后，各單體的容量下降和內阻升高的程度不同，而且使用時(shí)間越長(cháng)此等差別越大，發(fā)生問(wèn)題的概率隨之上升。
六、安全措施的有效性。管理系統是保證電池組正常工作的有效部件，管理系統失靈可能產(chǎn)生嚴重后果。電池的泄壓機構（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，從泄壓機構泄出的電解液或氣體與空氣相遇后仍有燃燒的危險性，這可能就是軟包裝和塑料殼電池不爆炸而會(huì )燃燒的原因。
七、使用的合理性。不按電池組的特性行事，后果嚴重。目前，電池組的使用存在快充電、充滿(mǎn)電、放完電、超負載等問(wèn)題。過(guò)充和過(guò)放不僅會(huì )損傷電池的壽命，而且也增加發(fā)生事故的危險性。即使是按標稱(chēng)容量全充全放，也不應受到鼓勵。超限的載重和速度均需用過(guò)大的電流，電池溫度將陡然上升，如過(guò)流保護機構缺失或失靈，將可能觸發(fā)安全事故的發(fā)生。
八、其他因素。例如，電動(dòng)汽車(chē)對各種意外因素（如對嚴重的撞擊、意外事故危害）的調控力和適應性等等。
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，它就可以用數值來(lái)表示。例如核反應堆設計時(shí)，安全性要達到10^-5或10^6/堆·年。如此低的事故概率，除了要有高水平的設計、制造能力外，還要在運行中有一套嚴密的操作規程和嚴格的維修保養制度來(lái)保障。電動(dòng)汽車(chē)和電池設計、制造中必然要考慮許多安全措施，也應該有量化的形式來(lái)*后集中表達其安全程度，例如10^10（100億）車(chē)·公里發(fā)生燃燒、爆炸事故不超過(guò)一件，或10^-10/千瓦時(shí)·公里等其他表達形式。
我國現有約1億輛燃油汽車(chē)，平均每天發(fā)生一起自燃事故；每輛汽車(chē)平均按每天行駛100公里計，事故概率正是1010車(chē)公里發(fā)生一起燃燒事故?，F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。如果電動(dòng)汽車(chē)的事故概率也降到這樣的水平，也就不會(huì )引起大的轟動(dòng)了。
但是，如何將此指標落實(shí)（分配）到電動(dòng)汽車(chē)（主要是電池）的各項設計措施中，又如何通過(guò)汽車(chē)實(shí)際達到的各項性能計算出該汽車(chē)的安全水平（或事故概率），更如何通過(guò)計算出的各汽車(chē)事故概率指導該汽車(chē)提高安全性，將是一個(gè)相當復雜的課題。筆者建議政府有關(guān)部門(mén)及早部署，以系統地研究電動(dòng)汽車(chē)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(xiàn)上提高安全性和節油率。
現有電池水平下，純電動(dòng)大、中型汽車(chē)的合理設計里程僅約150公里，電池組常常滿(mǎn)充滿(mǎn)放，性能衰退快；電池量大，散熱困難，解決安全問(wèn)題的難度加重。
純電驅動(dòng)的增程式車(chē)，用小功率發(fā)電機在行駛途中以watechliuhede工況發(fā)電，不僅節油率高，而且不必配太大容量的動(dòng)力電池就可遠行；特別是電池組運行于“半充”與“半放”狀態(tài)之間，淡化了不一致性問(wèn)題，且內阻小，發(fā)熱量??；電池不過(guò)充、不過(guò)放，循環(huán)壽命長(cháng)，安全性好，尤其適用于大、中型車(chē)輛。
二、發(fā)展安全性高的微、小型純電動(dòng)汽車(chē)。
微、小型純電動(dòng)汽車(chē)用的電池容量小，從根本上降低了電池的事故概率。這種車(chē)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(guò)充或防過(guò)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(zhuān)利技術(shù)應該推廣。
四、電池組防火功能設計。
優(yōu)良的管理系統、牢靠的連接方法、有效的散熱途徑、穩妥的空氣隔絕、及時(shí)的監測報警和正確的滅火措施等等，貫徹這些防火設計原則和相應的技術(shù)措施，將有助于提高動(dòng)力電池組的安全性。
電池組有效散熱和隔絕空氣相結合的專(zhuān)利技術(shù)，對于防止電池燃燒很有價(jià)值。
結束語(yǔ)
筆者認為，要提高電動(dòng)汽車(chē)安全性，需要立項系統地研究電動(dòng)汽車(chē)的安全性規律和用數值來(lái)表達安全性（即事故概率）；要以電池發(fā)展為依據規劃電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展；要用好現有的各種電池，生產(chǎn)相應的車(chē)；在持續治理鉛污染的同時(shí)，大力支持研制高比能量、長(cháng)壽命、高功率等新技術(shù)鉛酸電池。