1Kg锂电芯能量相当于103g的TNT炸药 解析动力电池与汽车安全

夏军

【第一电动网】(特约作者 夏军)近年来,随着电动汽车的快速发展,如何解决电动汽车所带来的安全问题,又成为汽车行业的新的话题和难点。由于人们对新事物的认知有个过程,初期难免抱有怀疑和不信任的态度,所以任何一次有关电动汽车的安全事故,都会导致公众对电动汽车安全性的疑虑进一步加深,阻碍电动汽车的发展和普及。

其实,传统的燃油车由于碰撞或自燃所导致的车辆起火事故,每年在全球都会发生很多起,造成严重人员伤亡的也为数不少,并不会造成公众的广泛关注和质疑。公众之所以对电动汽车的安全事故这么敏感,除了电动车发生事故时,通常会伴有火、声、光、烟雾等“特殊效果”,很重要的原因是出于对高能量载体“电池”的恐惧。手机电池起火爆炸,炸伤甚至炸死人的事情尚且有之,更何况那么巨大的电动汽车动力电池呢?

电动汽车(包括混合动力汽车)与传统的燃油车有很多相同之处,又有一些不同之处。其运行工况、使用环境、车身结构、内外造型等基本没有什么差异,最大的差别在于驱动方式和能量的来源。因为引入了电力驱动,所以就存在诸如“电击”和“短路”之类的风险,因为有高能量载体的存在,就存在能量瞬间释放(显然不是我们期望的)所造成的起火和爆炸风险。因为化学电池本身的稳定性问题,又会带来许多超出人们“传统”认知的风险。

新生事物总是脆弱的,要经受各种怀疑,更何况是与人身安全息息相关的车辆呢?愿意拿自己的生命做赌注,去尝试和接受不可靠不安全产品的人,我想毕竟是少数吧。所以,不管是国家层面的法规和标准,还是企业层面的产品和技术研发,都必须做到以人为本,切实的解决产品的风险和隐患,消除民众的疑虑,从而推动新能源汽车的发展。我们,没有任何理由拿不成熟不可靠的产品,来忽悠公众和消费者,为企业或个人的私利服务。下文将从动力电池的各项参数详细解析动力电池的安全要素。

一、 动力电池系统的构成

作为电动汽车的动力来源,或动力来源之一,动力电池系统通常由电芯(Cell)、电池管理系统(BMS)、冷却系统(Cooling system)、线束(Harness)、外壳(Housing)、结构件(mechanical parts)等相关组建构成,如下图所示:

动力电池系统构成

动力电池系统构成

日产Leaf动力电池系统

日产leaf动力电池系统

可以看出,动力电池系统的构成还是相当复杂的,既有电芯这类化学物体,也有复杂的电子电气系统和热管理系统,还有传统的各类机械部件,涉及到的专业种类非常的多,加上恶劣的运行环境,所面临的安全风险也很广泛。

二、 动力电池系统所面临的安全风险

动力电池系统所面临的安全风险,主要与其内部部件的特性和外部的使用和运行环境相关,构成了产品安全设计的主要挑战。

1) 电芯会不会起火爆炸?

动力电池系统所采用的电芯,其能量密度非常高,以磷酸铁锂电芯为例,能量密度可达120Wh/kg,换算成焦耳,1千克的磷酸铁锂电芯含有120×3600焦耳=0.43 MJ。那么TNT炸药释放的能量有多少呢?1克TNT炸药可释放4184焦耳的能量,换算下来,1千克的磷酸铁锂电芯蕴含的能量相当于103克的TNT炸药。

一辆纯电动汽车,其使用的电芯通常重达几百公斤,以100公斤电芯计算,总能量就相当于10公斤TNT炸药。换着是谁,心里都会发毛,这东西会不会不稳定,会不会起火,甚至爆炸啊?

2) 会不会产生电击事故?

为了提升整车的驱动效率,动力电池的直流输出电压通常都在100V以上,有时高达400V以上,有一定电气常识的人都知道,直流电压超过60V,就是危险电压。

每年,因为电器、电线、电力设备等漏电所造成的电击事故,都会发生很多,也经常见诸媒体。我小的时候就被裸露的220V电线电击过,那种滋味永生难忘。那么,人们也有理由疑虑,电动汽车里面的高压带电部件,会不会漏电,并进而造成电击事故?

3) 能不能经受各种恶劣的环境?

车辆的运行和使用环境非常复杂,既要经受高温高湿的考验,也有高原高寒的折磨,有平坦的铺装里面,也有崎岖不平的非铺装路面,既有极其干燥的地区,也有需要经常涉水的地方。

车辆在行驶过程中,要经历高低温的循环考验,要经历沿海的腐蚀性气候,要经历暴雨洗礼和大水浸泡,要经受各种冲击、振动、跌落、甚至碰撞和翻滚。那么,在这些客观的环境面前,动力电池系统能够经受考验,不产生严重的安全风险吗?

作者:夏军

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