發展電動汽車以來,大家十分關心的問題就是其安全性高不高?各地組織的高峰論壇,都要涉及到電池安全的討論。鋰離子動力電池安不安全?電動汽車到底安不安全?許多專家演講時,對2015-2016年兩年來的電動汽車尤其公交客車的出現安全實例進行了統計,既有特斯拉的,也有國內廠家的電動汽車發生的著火事件。這些事件是真實的,于是一些專家給出的結論是,中國的電動汽車是不安全的,主要原因是鋰離子電池不安全的。筆者的觀點是,安全措施到位,電動汽車是安全的,否則是不安全。
此文是基于電動汽車是在傳統汽車基礎之上的,下面的討論也是基于傳統汽車安全措施已經能保障其安全的前提下,來討論電動汽車的安全技術及措施。
一、鋰離子電池是安全的、是綠色的依據是什么?
鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料的發明人,鋰離子電池的奠基人之一,被業界稱為“鋰電之父”的,目前為美國德州大學奧斯汀分校,機械工程系教授,著名固體物理學家,今年94歲高齡的John B. Goodenough(約翰·班寧斯特·古迪納夫)說“未來幾年電池會取得重大的改進,包括電池安全性,價格,能量密度,使用壽命,充放電速度等。
筆者理解,未來幾年鋰離子電池會越來越安全。目前說鋰離子電池是安全的、是綠色的主要依據是:
(1)鋰離子電池與汽(柴)油、與天然氣相比,在自然(常態)條件下,不會自燃,沒有泄露。
(2)與鉛酸電池相比,在自然(常態)條件下,對空氣、對土壤沒有污染。
一些專家再三強調,鋰離子電池也不是安全的、不是綠色的。說的是超出了”自然(常態)條件“的情形下可能會發生的事件。比如說,電池質量差、受到外力打擊、充(放)電過渡等極端情景。
二、中國電動汽車是安全的、是環保的主要依據是什么?
(1)中國電動汽車(新能源汽車)規定必須使用鋰離子電池,不得使用鉛酸電池。普通人對鉛酸電池不環保已經了解和認識。
(2)中國電動汽車(新能源汽車)規定必須是”純電驅動“模式。鋰離子電池是具有劃時代意義的科學發明。中國純電動汽車使用的動力的類別與世界科學技術進步是同步的。
(3)電動汽車生產廠家采購的鋰離子的動力電池,其生產廠家都是政府許可的廠家,其產品質量的好壞,是有政府背書的,政府對動力電池廠家是嚴格管控的。
(4)中國電動汽車采用的是鋰離子動力電池,其安全性、環保性,這是相對燃油(燃氣)汽車而言的。
三、中國動力電池包產品質量(安全性)進步日新月異的
5年前,電動汽車生產是小批量的,整車生產技術不成熟,側重于對工程應用方案的驗證,處于市場驗證階段的。從圖1看出,電池包的線束集成比較簡單,導線將極柱測量點延長至接插件,再由接插件與LECU連接。采樣線束長、接插點。存在采樣線束凌亂,線束磨損短路將有電芯短路的風險。
圖1 五年前的動力電池包
5年后,電動汽車生產開始上批量了,整車生產技術基本成熟,側重于市場放量階段。部件模塊化程度已經很高了。主要由Module、BMU、PDU、水冷系統、MSD、結構件、高低壓線束組成,采用了電路板代替部分采樣線。
圖2 五年后的動力電池包
四、中國純電動汽車主要高壓器件質量(安全)技術介紹
下面是純電動汽車高壓系統原理圖,從原理圖上,主要高壓器件有電池包、高壓盒、電機、DC/DC、A/C等5種高壓器件。從工程上講,高壓器件的質量以及彼此聯接件質量做到位了,電動汽車的安全就能得到保障。安全指標持續提升是永恒的課題,具體問題,再具體探討。
圖3 純電動汽車高壓系統原理圖
電動汽車通常配備有300V以上和電流可達200A以上的電源系統。這與傳統汽車只配有12/24V的電源系統,其安全等級是完全不一樣的。電動汽車的這種高電壓和大電流的特點,可能危及高壓零部件的使用安全性和人身安全。從工程上講,必須把安全措施做到位,下面分別予以介紹:
(1)高壓配電盒安全技術
圖4 高壓配電盒外形及內部結構
有企業工作經驗的人都知道,每一個工廠都有一個配電房。一輛汽車比作一個工廠,高壓配電盒(見圖4)就是工廠的配電房。電動汽車高壓箱(PDU)的功能是動力電池與各高壓設備的電源和信號傳遞的橋梁,并隨時檢測整個高壓系統的絕緣故障、斷路故障、接地故障及高壓故障等,是整車系統動力電能安全傳輸的保障性措施。
純電動汽車高壓配電盒里面有銅排、斷路器、空開、接觸器、軟啟、變頻器、變壓器、接觸器、高壓繼電器、熔斷器、浪涌保護器、互感器、電流表、電壓表、轉換開關等。
a)設計高壓配電盒的基本目的:確保汽車運行安全、駕乘人員安全和汽車運行環境安全。
b)設計高壓配電盒的必要性:動力電池作為電動汽車的能量存儲裝置,受到整車尺寸小,可用空間非常有限、且布置困難的影響,于是工程上,將各回路的接觸器及保險絲等集成起來,一方面能滿足整車動力驅動要求,二是便利動力電池系統的維修,減少不用拆卸動力電池包。
c)高壓配電盒設計要求:器件布置緊湊、易于拆卸和裝配
d)安全措施是,注重散熱布置,嚴防溫度聚焦升高。
與高壓配電盒相連接的高壓部件包括:動力電池、電機控制器、變頻器、逆變電源、電動空調、電動除霜、充電座等。目前一般采用鑄鋁外殼和接插件,防護等級達到IP67水平。后續的發展趨勢是,朝體積小、輕量化、智能化方向發展。
(2)高壓連接器及高壓線束線安全措施
傳統連接器設備已經難以滿足其大電流、高電壓的要求,電動汽車連接器必須是大功率連接產品。如果不符合要求,電動汽車發生火災事故的必然的。電動汽車連接器必須是汽車級的產品,工業級的產品是不符合要求。主要指標有IP等級、絕緣等級、低電阻性、防錯性、鎖止功能。
圖5不同規格的高壓連接器
線束是指由銅材沖制而成的接觸件端子(連接器)與電線(電纜)壓接后,外面包裹塑壓絕緣體或外加金屬殼體等,對線束進行捆扎形成連接電路的組件。從功能上來分,有運載驅動執行元件(作動器)電力的電力線和傳遞傳感器輸入指令的信號線二種。電力線上分為低壓線束(見圖5)和高壓線束(見圖7)二種。
圖5 汽車低壓線束
高壓線束是電動汽車里面的連接器與連接器之間的線纜,是支持整個汽車安全運行的、非常關鍵的連接件。一是要求屏蔽、有IP等級、防過熱或燃燒,汽車使用是環境是惡劣的,如果不符合要求,是最容易出現自燃的部件。
圖6汽車高壓線束
五、ISO26262國際標準引導下,中國電動汽車會愈來愈安全
ISO26262定位在汽車行業中特定的電氣器件、電子設備、可編程電子器件等專門用于汽車領域的電子、電氣產品功能安全的國際標準。ISO 26262為汽車安全提供了一個生命周期(管理、開發、生產、經營、服務、報廢)理念,并在這些生命周期階段中提供必要的支持。該標準涵蓋功能性安全方面的整體開發過程(包括需求規劃、設計、實施、集成、驗證、確認和配置)。
隨著中國新能源汽車發展,廠家的技術水平越來越高,通過積極貫徹ISO26262國際標準,中國新能源汽車安全的生態圈必將形成,人們對電動汽車安全的憂慮也會慢慢消除的。