雷鋒網(wǎng)新智駕按：“2018全球未來出行高層論壇”在杭州國際博覽中心召開，除主題論壇外，還有2場高層論壇、2場主題峰會、1場閉門會議、15場同期會議等。

本次大會主要是整合全球頂尖智庫、產(chǎn)業(yè)資源、核心企業(yè)以及政府管理部門等出行相關的產(chǎn)業(yè)體系化資源，深入探討汽車與出行產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展趨勢與創(chuàng)新實踐，從產(chǎn)業(yè)政策、戰(zhàn)略路徑、技術與產(chǎn)品創(chuàng)新、法規(guī)標準等多維度助推汽車產(chǎn)業(yè)升級與發(fā)展。

本文來自連續(xù)三個五年計劃擔任國家新能源汽車重點科技專項首席專家歐陽明高院士的演講，雷鋒網(wǎng)新智駕對演講內(nèi)容做了不改變原意的整理、編輯。

今天主要從四個方面分享電動汽車安全性問題。

首先是電動汽車發(fā)生事故的統(tǒng)計情況。根據(jù)統(tǒng)計，近年來電動汽車自燃起火基本發(fā)生在碰撞后，國內(nèi)電動汽車起火有如下特征：

• 一半以上為三元電池，少數(shù)為磷酸鐵鋰電池；

• 以圓柱形電池為主，此類型電池鋼殼包裹，一旦發(fā)生熱失控，就會引發(fā)爆炸，并引燃其他電池；

• 充電失火的事故占比較大；

一般情況下，熱失控大都發(fā)生在滿電狀態(tài)下，因為充電時，電池與充電系統(tǒng)連接在一起，熱失控最易發(fā)生，再加上高壓電器的短路問題等，就會引起事故。

• 新舊車型都有，系統(tǒng)能量密度不高。

新舊車型都有發(fā)生事故的可能，這些事故車輛主要是前幾年生產(chǎn)，總體來看，電池系統(tǒng)比能量不是很高。

大量研究表明，新能源汽車發(fā)生起火事故的主因是電池熱失控。電池熱失控的機理是電池達到一定溫度時，引發(fā)連鎖放熱負反應，導致溫度快速上升，最高速度可達到每秒鐘溫升接近1千度。

據(jù)悉，引起電池過熱的原因很多，例如電池包本身溫度不均勻、局部區(qū)域溫度高、過充放、內(nèi)外短路以及密封性差或機械碰撞等原因。

新能源汽車產(chǎn)品質(zhì)量問題

新能源汽車起火，主要是產(chǎn)品質(zhì)量問題，并不是技術路線問題。

產(chǎn)品質(zhì)量問題是指產(chǎn)品在設計、制造、驗證、使用過程中沒有嚴格遵守相關技術標準和規(guī)范。分為如下三類：

1、電池產(chǎn)品測試驗證不足

由于補貼退坡政策周期是一年一次，與產(chǎn)品的開發(fā)周期匹配度不足。具體來看，化學材料體系的改進需一年以上，但企業(yè)沿著補貼政策方向走，盲目追求高比能量，縮短測試驗證時間，甚至為了縮短開發(fā)周期選擇物理改進方法，例如把電池活性材料增厚，隔膜減薄，造成電池比能量上升的假象，實際上安全性能嚴重下降。

電池測試驗證手段不完善，無法反映實車的使用條件，很大一部分企業(yè)并沒有建立公司內(nèi)部的電池安全測試標準，甚至部分企業(yè)沒有電池安全測試的能力，以致于生產(chǎn)出的電池質(zhì)量參差不齊。

2、車輛使用過程中可靠性惡化

車輛使用過程中可靠性降低，全生命周期中防水效果不佳。通常電池的密封性要通過IP67標準，但車輛長時間使用后，密封性變差，車輛進水，造成短路。另一方面，電池激光焊接的接頭內(nèi)部易出現(xiàn)空隙，導致阻抗增加，進而發(fā)熱產(chǎn)生高溫點，最終引起熱失控。還包括電池系統(tǒng)和充電機高壓電器老化，充電時接觸器經(jīng)常開斷，造成接觸器表面高溫燒損或者粘連。

3、充電安全管理技術水平低下

充電過程中數(shù)據(jù)通訊不規(guī)范，BMS的廠商和充電機的廠商未嚴格執(zhí)行新頒布GB/T 27930-2015《電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》國家標準，不嚴格執(zhí)行充電安全的相關標準。具體包括，直流充電未采用專用網(wǎng)絡，與整車總線共用，導致充電網(wǎng)絡充斥大量無關數(shù)據(jù)，負載率高；BMS充電管理未按照功能安全要求進行設計，在電壓、電流檢測失效情況下，無法有效避免過充；充電機未與BMS建立有效的充電配合與功能校驗，在BMS失效情況下，無法及時停止充電等。

動力電池技術發(fā)展趨勢

高比能量電池面臨更嚴峻的安全技術挑戰(zhàn)。根據(jù)中國新能源汽車動力電池比能量發(fā)展趨勢，預計不久會向300瓦時/公斤的高比能量電池邁進，高鎳三元811電池將很快進入市場。

電池安全共性技術問題

高比能量電池比原來相對低比能量電池所面臨的安全技術要求更高。針對此情況，清華大學專門建立了電池安全實驗室開展相關的基礎研究和技術開發(fā)，與國內(nèi)外企業(yè)和研究機構開展了廣泛合作，包括寶馬、奔馳、日產(chǎn)等公司，主要研究如下三方面：

• 熱失控的誘因，包括熱、電、機械等原因；

• 發(fā)生熱失控的機理是什么，如何在材料設計層面加以防護；

• 熱蔓延，一旦單體電池無法防止熱失控，需配備二次防護，在系統(tǒng)層面切斷熱失控。

截至目前，電池安全實驗室已經(jīng)取得了如下研發(fā)成果。

高比能量單體動力電池熱失控發(fā)生機理與抑制

在電池熱失控發(fā)生機理與抑制方面，采取了兩種試驗方法，一是從材料熱穩(wěn)定性研究差示掃描量熱儀，另一個是電池單體熱失控測量的加速量熱儀。

1、建立各種類型動力電池特征溫度數(shù)據(jù)庫

根據(jù)上圖實驗曲線，提出了高比能量電池熱失控時三種特征溫度的定義。當電池溫度升到一定程度，電池自產(chǎn)熱，此溫度為T1；產(chǎn)熱到無法抑制，熱失控觸發(fā)，此溫度為T2；最后溫度上升到最高點為T3。

高比能量單體動力電池熱失控主要在T2-T3階段，發(fā)生機理不清，通常認為該現(xiàn)象是內(nèi)短路造成的。但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，即使沒有內(nèi)短路，熱失控還會發(fā)生。原因是高比能量電池的耐高溫新型隔膜到200度以上無變化，電解液基本蒸發(fā)完全，而在230-250度時，正極材料相變放出的氧與負極反應產(chǎn)生了放熱高峰。

通過對比各種不同鎳含量的三元鋰離子電池差異性，可以得出如下初步結(jié)論：

• 高鎳正極對全電池的安全性有決定性影響；

• 硅炭負極在電池初期階段對其安全性的影響不大，但在循環(huán)衰減后影響比較大；

• 陶瓷涂覆的隔膜對全電池的安全性有積極作用，熱穩(wěn)定性更高隔膜的效果需要在全電池中驗證。

2、熱失控蔓延與熱管理

真正的事故都是熱蔓延導致的，當一個電池單體熱失控后，剩余電池包就開始蔓延，最終引發(fā)著火事故。

根據(jù)對熱失控蔓延過程的測試和仿真分析，電池實驗室設計出一種隔熱方法，在主導傳熱的路徑上加隔熱材料作為防火墻，就能達到隔斷熱失控蔓延的效果。

熱失控的誘因和電池管理

1、內(nèi)短路

通過分析在用電池和事故電池，發(fā)現(xiàn)制造時均勻的極片在使用一段時間后，會造成折疊區(qū)域的破裂，從而導致局部析鋰，引起熱失控。

此外，電池制造過程中的雜質(zhì)也會引起內(nèi)部短路。對此電池實驗室發(fā)明了電池內(nèi)短路替代實驗方法，通過在特定電池里面植入記憶合金實現(xiàn)預期的內(nèi)短路。

根據(jù)研究，內(nèi)短路可以分為四類，其中鋁集流體和負極相連危險性最高，須提前預警。此外，內(nèi)短路的演變過程可以分為三個階段，第一階段，只有電壓下調(diào)，無溫度上升；第二階段有溫度上升；第三階段發(fā)生溫度上升現(xiàn)象，也就是熱失控。針對此演變過程，爭取在前兩個階段識別出內(nèi)短路，并提前15分鐘預警熱失控。該技術已經(jīng)與寧德時代取得了合作。

2、充電

通過對電池過充熱失控進行機理分析和模擬預測，發(fā)現(xiàn)過充事故一般發(fā)生在微過充時，例如電池的不一致性，有些地方未充滿，有的地方已充滿，導致電池安全性變差。

為了解決此問題，電池安全實驗室開發(fā)了基于參比電極的無析鋰快充技術，把負極的電位控制在零以上（零以下會析鋰），再增加一個三電極，就可實現(xiàn)無析鋰快充技術。該技術應用后沒有發(fā)生析鋰現(xiàn)象，而且能夠加快充電速度，此外在三電基礎上，還可以基于模型進行反饋和觀測。

3、老化

電池老化造成不一致性進一步擴大，隨著容量一致性變差，電池管理的精確性也會變差。另外，低溫環(huán)境下的老化會嚴重影響電池的熱穩(wěn)定性，最終導致熱失控。

分析上述問題得出，保障電池系統(tǒng)安全性的核心是研發(fā)先進的電池管理系統(tǒng)。

目前，電池管理系統(tǒng)方面，國內(nèi)產(chǎn)品功能不足、精度不夠、安全功能不全，因此需要加大電池管理系統(tǒng)的研發(fā)力度。清華大學在電池管理系統(tǒng)的經(jīng)驗比較豐富，已獲得65項專利授權，并與國內(nèi)外公司合作中得到了應用，其中部分專利授權給了奔馳汽車公司。

電池安全技術發(fā)展趨勢

如何徹底解決電池安全性問題是重中之重。

從近期看，可通過一些技術保障電池安全性。從長遠出發(fā)，保障電池的絕對安全還需具備前瞻性的科學研究。

目前世界范圍內(nèi)的發(fā)展關鍵趨勢是鋰離子動力電池高比能量化，因此不能因為安全問題就不發(fā)展高比能量電池，關鍵是要把握高比能量與安全性之間的平衡點。例如，高鎳三元鋰離子動力電池的本征安全機理是正極釋放氧，因此可以通過界面修飾延緩正極釋氧，提高穩(wěn)定性。此外，開發(fā)新一代固態(tài)電解質(zhì)，才能從根本上解決電解液燃燒問題。

對比各國動力電池技術路線圖來看，短期發(fā)展是液態(tài)電解液的鋰離子電池，未來會向固態(tài)電池方向發(fā)展。

綜合考慮電池成本和動力電池的發(fā)展方向，建議中國也應該走類似路徑，即短期考慮液態(tài)電解質(zhì)，發(fā)展高鎳三元正極和硅炭負極，通過電池管理系統(tǒng)和熱蔓延的抑制來防止安全事故發(fā)生，此類電池能夠滿足電動汽車500公里續(xù)駛里程的要求。長遠戰(zhàn)略要從液態(tài)電解質(zhì)逐步過渡到全固態(tài)電池，預計2030年全固態(tài)電池將得到產(chǎn)業(yè)化應用。

正確看待新能源汽車起火事件

近期新能源汽車起火的主要原因是產(chǎn)品質(zhì)量問題，部分企業(yè)沒有遵守技術規(guī)范，或是技術驗證周期偏短等。

總之，大家要力爭解決動力電池本征安全問題，保障新能源汽車行業(yè)的健康發(fā)展。在政策方面的建議如下：

• 原有的產(chǎn)業(yè)化目標偏高，2020年單體達到350瓦時/公斤，系統(tǒng)260瓦時/公斤，循環(huán)壽命2000次，從安全角度出發(fā)，不宜強行推行；

• 補貼政策要符合技術發(fā)展的規(guī)律，對能量密度的提升不宜過快過頻；

• 盡快推出電動汽車安全年檢規(guī)范，以及電動汽車黑匣子，電池包消防安全接口等規(guī)范。

最后總結(jié)，電池安全技術是電池技術革命性突破的第一重點，是純電動汽車性能升級的第一關鍵，也是電動汽車可持續(xù)發(fā)展的生命線。研發(fā)動力電池要以安全為核心，全力提升現(xiàn)有鋰離子電池系統(tǒng)安全技術，同時突破新型固態(tài)電池技術。

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