转载:本文来自微信公众号“腾讯科技”(ID:qqtech),作者:汽车电子设计,转载经授权发布。
当下新能源汽车嘅市场正喺度快速扩张,但是其充电技术,续航里程等一直无办法完善,近期,继上海车展维权女车主抗议特斯拉“刹车失灵”引发热议后,新能源车自燃、起火等事故让其安全性成为广大用户嘅关注焦点。
4月14日,小鹏汽车确认一辆小鹏G3喺广州一大厦停车场起火,4月17日,一辆特斯拉喺广州增城区东莞东江大道因失控、追尾并致自燃,警方确认有乘客死亡。
喺边啲情况下容易产生自燃嘅情况?边啲信号提示新能源车有自燃嘅风险?新能源车厂商有无可以优化嘅解决方案?对此腾讯新闻策划十问十答系列,围绕新能源车嘅起火问题,邀请汽车三电工程师朱玉龙为我哋解答。
Q1:和燃油车相比,新能源车起火嘅概率更高一啲,点解?
呢几年我哋能睇到嘅好多关于新能源汽车起火事件,但其实好多统计嘅数据都存喺住一定嘅偏差,将年轻嘅电动汽车和市面上各个年代嘅燃油车作比较,呢其中存喺一定嘅问题。因为两者嘅基数(车嘅数量,车嘅年龄和维护情况)唔一样,燃油汽车大约每年8000万,新能源汽车每年3-4万,而且佢哋嘅使用时限也唔一样,好多燃油车嘅车龄可能喺10年以上,电动汽车则普遍仲喺度3年左右,将两者比较并唔公平。
我哋可以根据两个数据作为参考,虽然喺美国嘅电动汽车起火嘅事件,特斯拉嘅事故次数最高。但来自美国消防协会(NFPA:National Fire Protect Association) 统计:自2012 至2019 年间全美车辆起火事件度,特斯拉平均行驶2.8 亿多公里才会发生一次起火事故,燃油车则是每3千其公里一次。
上年2020全球智慧出行大会上,中国工程院院士孙逢春针对新能源汽车起火这问题进行说明:2019年中国新能源汽车起火嘅概率只有万分之0.49;2020年呢一概率进步下降到万分之0.26。所以从全球范围来睇说特斯拉嘅起火嘅数据偏高,但新能源汽车起火频率更高嘅说法并没有被证实。
图1 电动汽车和传统车按照平均百万公里行驶嘅起火案件统计(图片来源于网络)
Q2: 新能源车住火嘅速度,会比传统汽车更快,点解?
其实呢个问题并唔绝对和准确,住火速度系咪比传统汽车更快,呢要睇是边里起火,比如如果是油箱爆就是闪爆,如果是电池起火至少会有5分钟嘅逃生时间,没有可比性。
燃油车和电动车两个主要嘅能量来源分别是汽油、柴油等传统化学燃料,后者则是镍氢、锂离子电池等二次电池。两种类型嘅车辆虽然整车喺材料、结构、系统等层面已经采取各种防护措施,但是起火嘅原因是比较复杂嘅,唔同原因导致嘅起火速度都系有差异嘅。
如果说,油箱和电池直接同时起火嘅状态下,燃油车嘅油箱起火速度是非常快嘅。目前电动汽车嘅国标要求如下,国标嘅热失控标准是热失控实验喺5分钟内唔可以起火,而将来电动汽车电池如果出现热失控,成个起火时间还会进一步加长。
和油箱一样,如果电池嘅保护结构被破坏并且电芯直接被引发热失控,一定概率会出现瞬间嘅热失控,呢个时候就容易快速起火。当然目前电动汽车嘅设计也喺延缓呢种极端嘅情况发生,延缓起火嘅过程。
图2 热失控传播实验变为全球通用嘅UN GTR20(图片来源于网络)
Q3:新能源车起火嘅主要原因都有乜嘢?电池系咪是根本原因?点解撞击更容易让新能源车起火?
新能源汽车起火嘅原因有好多嘅可能,主要起火事件中有两大原因占比比较大:一个是新能源汽车部分零件和传统汽车是复用嘅(是指除咗电池、电驱动呢啲部件起火之外,和传统汽车共用零件引发嘅起火),也有一部分嘅原因都系呢类车辆内部使用嘅锂离子电池发生燃烧。
锂离子电池发生燃烧爆炸嘅根源喺于电池热失控,诱发电池热失控嘅原因有两类:一种是电池内部原因,比如电池制造过程中引入嘅电芯内缺陷(细微金属碎屑导致内短路),或者电池喺长期使用过程中由于充放电制度和环境因素使电池老化,电芯内部产生枝晶锂,佢嘅存喺触发电池内短路。
另一种是电池外部原因,电池外部嘅电、热冲击,作用到电池本体上都会使电池内部出现唔可逆嘅放热反应。喺传统汽车入面使用嘅12V电池,是低能量密度嘅铅酸电池,大概喺30Ah-60Ah左右,约0.3-0.7kWh,而电动汽车往往从20kwh-100kWh,两者是有好大嘅差异嘅。
电动汽车喺发生撞击以后,如果撞击之后对电池嘅结构进行破坏,就比较容易发生起火嘅事故,呢个和撞击以后将油箱撞漏是同样嘅道理。
Q4:除咗撞击外,新能源车喺边啲状态下容易起火(行驶/充电/停车等状态)?原因是乜嘢?有啲车没有遭受任何撞击都会起火,呢是由乜嘢因素导致嘅?
我哋可以从一啲数据来睇:根据唔完全统计,2020年1-12月全年被媒体报道嘅烧车事故共124起。对车辆喺充电中、静置、起火三个状态分析统计来睇,充电过程中起火占事故总数嘅23%,大部分车辆起火发生喺行驶中和静置状态。当然统计嘅样本是按照媒体已曝光嘅事故进行收集统计嘅,所以有可能系其中道路行驶过程嘅事故曝光率较高。
根据规律来睇,充电过程中和充满以后,是电池非常容易起火嘅状态。有啲车是并未遭受撞击,诱发电池热失控嘅主要原因属于电池内部原因,比如电池制造过程中引入嘅电芯内缺陷(细微金属碎屑导致内短路),或者电池喺长期使用过程中由于充放电制度和环境因素使电池老化,电芯内部产生枝晶锂,佢嘅存喺触发电池内短路,喺高电量状态下就有一定嘅概率引发起火。
需要注意嘅系,快速充电对锂电池是存喺一定嘅压力嘅,长期使用快充会降低电池嘅安全性,一定程度上提高电动汽车自燃嘅风险,建议将快充作为补充嘅补能手段。
图3 电动汽车起火事故嘅统计(图片来源于网络)
Q5:从目前嘅新能源汽车嘅电池分类来睇,边啲电池嘅安全性更高?点解?相比之下,三元锂电池系咪更容易起火?
电池嘅安全性其实和好多嘅材料都有关系。唔过总体来睇,正极材料嘅特性喺目前对于电池比较重要。从大嘅维度来睇,磷酸铁锂电池因为其稳定嘅内部结构,使其喺更高嘅温度下也唔容易分解,而且呢种电池唔仅有住更强嘅耐高温和过充嘅能力,都可以更好地面对碰撞、短路等情况,自燃住火嘅概率也相对比较低。哩个都系家阵时电动汽车开始重新采用大量磷酸铁锂电池嘅主要缘由。
三元锂电分为唔同嘅种类,能量密度嘅高嘅三元电池活跃度更好,相对而言有更高嘅概率起火。
图4:锂电池组成及分类(图片来源于网络)
Q6:喺电池方面仲有边啲改善空间来保证新能源汽车嘅安全?除咗电池,新能源汽车系咪可以设计自动灭火功能,将危险降到最低?目前新能源车已经应用嘅灭火功能有边啲?
喺电池方面,目前大部分汽车公司都喺度致力于研究点样实现让单个电池热失控以后,阻断电芯之间失控嘅链式反应,让整包唔会起火,呢系一个主要嘅设计手段。喺这入面有多种办法,主要分为电芯层级和系统层级两个方向。
电芯设计流程方面,首先我哋可采用正极材料嘅纳米级包覆及掺杂技术,佢能有效提升热稳定性,防止热失控;其次可以用电解液新型添加剂来实现SEI膜嘅自修复,从而改善电芯寿命,降低电芯短路风险;或者我哋也可以通过特殊电解液添加剂,喺将其加热至120℃以上时,活性材料表面自发聚合形成高阻抗特性聚合物膜,以此大幅降低热失控反应产热。
其次系喺电池模组和电池系统嘅隔热设计方面,可以使用网状纳米孔隔热材料和耐高温上壳体(耐温1400℃以上),并且喺电池间隔内采用隔热材料,保证电池传播温度受控。
设计自动灭火装置是好多人嘅想法,但需要注意嘅系,锂离子电池系一种化学燃烧,如果唔连续冷却,其内部会持续发生化学反应,导致燃烧。目前来睇,想要对电池系统灭火需要大量嘅水,一般嘅灭火装置达唔到效果,所以这方面只有喺特殊嘅储能系统中才能采用。
目前车上主要设计嘅功能,是进行单个电芯嘅热量隔离和冷却,让单个电池热失控以后冷下来。
Q7:如果喺车里突然遇到新能源车起火,且无办法开门嘅情况下,点样保护自己?如果新能源车起火系咪意味住车内所有操作都会失灵?
目前国家最新嘅《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中明确要求“当电池发生热失控后,电池系统喺5分钟内唔起火、唔爆炸,以确保乘客拥有充足嘅逃离时间”。所以如果电动汽车出现该情况时,应该第一时间将车停到紧急车道,然后开门让乘客下车。由于此时嘅12V电池还是有电嘅,所以千其唔好慌张,出现热失控报警时,需要第一时间处理并停车。
同时,新能源汽车嘅失火和车内操作嘅失灵并无直接关系。汽车起火之后,正常嚟讲虽然高压电池存喺一啲问题,但12V电池喺短时间内唔会受影响,所以基本嘅功能喺短时间内依然能够用。但是如果火烧出电池仓,低压线束和车身第啲部分嘅功能可能会受到一啲影响。
Q8:有边啲信号表明新能源车起火嘅风险好高?车主需要点样注意?
(图片来源于网络)
如上述嘅问题,最新嘅电动汽车都会有电池热失控预警嘅信号,如果车主睇到上图呢个标志时,首先唔好住急,请立即处理车辆将车停喺路边,然后让乘车人员尽快下车,然后联系厂家和消防部门进行应对。
Q9:如果长期处于高温环境下,新能源车起火嘅概率系咪会提高?
根据对2020年事故按地域划分嘅数据分析,通过对比各个省份、直辖市嘅行业内烧车事故数量可以明显睇出,南方省份嘅事故数量明显多于第啲省份,其中一个好重要嘅原因是南方城市夏季温度更高。从事故月度统计图和区域统计图中可以睇出,除咗车辆保有量外,高温是导致车辆发生自燃嘅一个重要诱因。事故月份统计分布图度,夏季明显比冬季事故要几,而夏季和冬季嘅唯一明显区别就是气温。喺高温嘅情况下,电池嘅热失控反应会更迅速,所以从整体概率来睇高温下新能源汽车嘅起火概率会增高。
Q10:续航能力越长嘅新能源汽车,起火概率系咪会越高?
客观嚟讲这两者存喺一定嘅联系,续航能力越长嘅电动汽车,意味住喺同样嘅车上要装能量密度更高嘅电池,而能量密度高意味住电芯嘅安全边际和热稳定性要低一啲。能量密度高嘅电池,和之前所说嘅高比能嘅三元电池是相似嘅,材料体系更活跃意味住电芯喺更低嘅温度下会触发热失控(大致喺45度左右)所以从统计学上起火嘅概率会高一啲。
我哋能睇到从2017年开始国家开始补贴高续航嘅车辆,呢令到电动汽车起火事故率也高好多,当然技术嘅唔成熟还是主要原因。随住电池安全技术嘅唔断进步,续航越长和起火概率喺未来是没有直接关系嘅。
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2021-04-26 14:07:10
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