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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據科學網2012年8月10日訊 近幾年，示范運行的純電動汽車發生多起冒煙、著火事故，有些官員就認為“純電動車不成熟”，于是在今年7月9日發布的《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012－2020年）》（以下簡稱《規劃》）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？
《規劃》在“主要任務”中特別強調，要“開發電池自激活電壓控制和熱控制等新技術，提高電池安全性”。筆者認為，針對電動汽車安全性提出這樣的技術措施，當然很重要，但卻還不夠。
實際上，電動汽車的安全性基本上就是電池的安全性，這是個復雜的問題。為了促進政府部門組織并部署系統性的研究，本文提出一些設想，以拋磚引玉，引起討論。
幾個基本觀念
首先，要承認電池組像汽油箱那樣，是一種含高能物質的部件。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，在達到一定溫度時氧化劑和還原劑均易與電解液發生大量生熱的化學反應，何況電池組又是在高電壓、大電流下運行。因此，電池本質上是具有危險性的，且隨著電池比能量和比功率的提高，發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，要認識到的一點是，安全性是一個事故概率問題，安全因素控制得好，發生危險事故的概率就降低。
影響安全的因素
一、電池的品種。在各種動力電池中，鋰離子電池的比能量*高，化學副反應放熱量大，*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，泄漏時有腐蝕的危險，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，但也會發生問題，近些年發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，安全性可優于石墨類；電解液、隔膜的優選均有可能提高電池的安全性。但是這些技術往往以犧牲電池的比能量和比功率為代價，應該綜合考慮。今年4月山東淄博的鎳氫電池公交車發生大火，原因可能是企圖追求高功率而將負極的儲氫合金以過多的活性炭替代，造成正極活性物質過量，導致電池中積累了氫氣。鉛酸電池在過度充電時也會發生水電解成氫氣和氧氣，這個問題已經得到較好解決。
三、電池的質量。有些廠家電池試制出來不經長期充分考驗，連單體電池的故障率參數還無法統計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，有些廠家生產的電池發生的事故多些，有的就少些，還有的根本沒有發生事故；同一個廠，改進生產工藝、加強質量管理后，電池發生事故的概率明顯下降。這些都充分說明提高生產質量對改善安全性的重要作用。此外，電池單體的品質還表現在壽命、容量、內阻和自放電率的一致性，它們也與安全性密切相關。
四、電池的總容量。電池的總容量是指電池的單體數與每個單體容量的乘積。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駛里程和*高速度而過多裝載電池，不僅浪費能量和材料，價升而市場小，充放電中的熱量更難散發，而且增加了事故發生的概率。這是傳統汽車專家們“燃油車慣性思維”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、使用時間的長短。也可用充放電次數或行駛里程來表達此因素。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，而且使用時間越長此等差別越大，發生問題的概率隨之上升。
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、充滿電、放完電、超負載等問題。過充和過放不僅會損傷電池的壽命，而且也增加發生事故的危險性。即使是按標稱容量全充全放，也不應受到鼓勵。超限的載重和速度均需用過大的電流，電池溫度將陡然上升，如過流保護機構缺失或失靈，將可能觸發安全事故的發生。
八、其他因素。例如，電動汽車對各種意外因素（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
安全性的實質就是事故概率。既然是概率，它就可以用數值來表示。例如核反應堆設計時，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保障。電動汽車和電池設計、制造中必然要考慮許多安全措施，也應該有量化的形式來*后集中表達其安全程度，例如10^10（100億）車·公里發生燃燒、爆炸事故不超過一件，或10^-10/千瓦時·公里等其他表達形式。
我國現有約1億輛燃油汽車，平均每天發生一起自燃事故；每輛汽車平均按每天行駛100公里計，事故概率正是1010車公里發生一起燃燒事故。現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安全指標。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，如何將此指標落實（分配）到電動汽車（主要是電池）的各項設計措施中，又如何通過汽車實際達到的各項性能計算出該汽車的安全水平（或事故概率），更如何通過計算出的各汽車事故概率指導該汽車提高安全性，將是一個相當復雜的課題。筆者建議政府有關部門及早部署，以系統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，從技術路線上提高安全性和節油率。
現有電池水平下，純電動大、中型汽車的合理設計里程僅約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。
純電驅動的增程式車，用小功率發電機在行駛途中以watechliuhede工況發電，不僅節油率高，而且不必配太大容量的動力電池就可遠行；特別是電池組運行于“半充”與“半放”狀態之間，淡化了不一致性問題，且內阻小，發熱量小；電池不過充、不過放，循環壽命長，安全性好，尤其適用于大、中型車輛。
二、發展安全性高的微、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、減少溶劑用量的聚合物（或凝膠）電解質，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應該推廣。
四、電池組防火功能設計。
優良的管理系統、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合的專利技術，對于防止電池燃燒很有價值。
結束語
筆者認為，要提高電動汽車安全性，需要立項系統地研究電動汽車的安全性規律和用數值來表達安全性（即事故概率）；要以電池發展為依據規劃電動汽車發展；要用好現有的各種電池，生產相應的車；在持續治理鉛污染的同時，大力支持研制高比能量、長壽命、高功率等新技術鉛酸電池。