中国工程院杨裕生院士：试论提高电动汽车安全性之道
2014-04-17 16:06:53
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据科学网2012年8月10日讯 近几年，示范运行的纯电动汽车发生多起冒烟、着火事故，有些官员就认为“纯电动车不成熟”，于是在今年7月9日发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012－2020年）》（以下简称《规划》）中，纯电动汽车就“退居二位”了。
毫无疑问，电动汽车的安全性确实是首先要考虑的因素，但是如何提高中国电动汽车的安全性呢？
《规划》在“主要任务”中特别强调，要“开发电池自激活电压控制和热控制等新技术，提高电池安全性”。笔者认为，针对电动汽车安全性提出这样的技术措施，当然很重要，但却还不够。
实际上，电动汽车的安全性基本上就是电池的安全性，这是个复杂的问题。为了促进政府部门组织并部署系统性的研究，本文提出一些设想，以抛砖引玉，引起讨论。
几个基本观念
首先，要承认电池组像汽油箱那样，是一种含高能物质的部件。而且，锂离子电池中的电解液是用易燃的溶剂配制而成，正、负电极上的氧化剂和还原剂只隔一层约20微米厚的隔膜，在达到一定温度时氧化剂和还原剂均易与电解液发生大量生热的化学反应，何况电池组又是在高电压、大电流下运行。因此，电池本质上是具有危险性的，且随着电池比能量和比功率的提高，发生事故的危险性将增大。
其次，要将使用电池作为使用易燃、易爆物品和高电压器件一样对待。要制定并严格执行安全设计标准和使用规范。
再次，要认识到的一点是，安全性是一个事故概率问题，安全因素控制得好，发生危险事故的概率就降低。
影响安全的因素
一、电池的品种。在各种动力电池中，锂离子电池的比能量*高，化学副反应放热量大，*易造成电池内气压升高，重则爆炸，轻则电解液泄漏而易燃烧。金属氢化物/镍电池和铅酸电池的电解液分别是碱性和酸性的水溶液，泄漏时有腐蚀的危险，不过燃、爆性要低得多，但是也并非绝对不出问题。
二、电池的设计水平。锂离子电池正极材料如用磷酸亚铁锂，安全性要高于其他正极材料，但也会发生问题，近些年发生的事故大多数用的就是磷酸亚铁锂做正极的电池；负极用硬碳，安全性可优于石墨类；电解液、隔膜的优选均有可能提高电池的安全性。但是这些技术往往以牺牲电池的比能量和比功率为代价，应该综合考虑。今年4月山东淄博的镍氢电池公交车发生大火，原因可能是企图追求高功率而将负极的储氢合金以过多的活性炭替代，造成正极活性物质过量，导致电池中积累了氢气。铅酸电池在过度充电时也会发生水电解成氢气和氧气，这个问题已经得到较好解决。
三、电池的质量。有些厂家电池试制出来不经长期充分考验，连单体电池的故障率参数还无法统计就急于交付装车演示，电池组的安全性从何谈起？同样以磷酸亚铁锂做正极的锂离子电池，有些厂家生产的电池发生的事故多些，有的就少些，还有的根本没有发生事故；同一个厂，改进生产工艺、加强质量管理后，电池发生事故的概率明显下降。这些都充分说明提高生产质量对改善安全性的重要作用。此外，电池单体的品质还表现在寿命、容量、内阻和自放电率的一致性，它们也与安全性密切相关。
四、电池的总容量。电池的总容量是指电池的单体数与每个单体容量的乘积。不言而喻，这是与事故概率成正比的基本因素。为了追求电动汽车的续驶里程和*高速度而过多装载电池，不仅浪费能量和材料，价升而市场小，充放电中的热量更难散发，而且增加了事故发生的概率。这是传统汽车专家们“燃油车惯性思维”下，不顾当前的电池水平盲目追求高指标而误导出的严重安全隐患。
五、使用时间的长短。也可用充放电次数或行驶里程来表达此因素。电池组持续使用后，各单体的容量下降和内阻升高的程度不同，而且使用时间越长此等差别越大，发生问题的概率随之上升。
六、安全措施的有效性。管理系统是保证电池组正常工作的有效部件，管理系统失灵可能产生严重后果。电池的泄压机构（安全阀等）可有效地防止电池爆炸，其可靠性越高，发生爆炸的概率越低。但是，从泄压机构泄出的电解液或气体与空气相遇后仍有燃烧的危险性，这可能就是软包装和塑料壳电池不爆炸而会燃烧的原因。
七、使用的合理性。不按电池组的特性行事，后果严重。目前，电池组的使用存在快充电、充满电、放完电、超负载等问题。过充和过放不仅会损伤电池的寿命，而且也增加发生事故的危险性。即使是按标称容量全充全放，也不应受到鼓励。超限的载重和速度均需用过大的电流，电池温度将陡然上升，如过流保护机构缺失或失灵，将可能触发安全事故的发生。
八、其他因素。例如，电动汽车对各种意外因素（如对严重的撞击、意外事故危害）的调控力和适应性等等。
安全性的衡量尺度
安全性的实质就是事故概率。既然是概率，它就可以用数值来表示。例如核反应堆设计时，安全性要达到10^-5或10^6/堆·年。如此低的事故概率，除了要有高水平的设计、制造能力外，还要在运行中有一套严密的操作规程和严格的维修保养制度来保障。电动汽车和电池设计、制造中必然要考虑许多安全措施，也应该有量化的形式来*后集中表达其安全程度，例如10^10（100亿）车·公里发生燃烧、爆炸事故不超过一件，或10^-10/千瓦时·公里等其他表达形式。
我国现有约1亿辆燃油汽车，平均每天发生一起自燃事故；每辆汽车平均按每天行驶100公里计，事故概率正是1010车公里发生一起燃烧事故。现在媒体和公众对这样的事件频率已不感到惊奇和可怕，似乎是可以接受的一个安全指标。如果电动汽车的事故概率也降到这样的水平，也就不会引起大的轰动了。
但是，如何将此指标落实（分配）到电动汽车（主要是电池）的各项设计措施中，又如何通过汽车实际达到的各项性能计算出该汽车的安全水平（或事故概率），更如何通过计算出的各汽车事故概率指导该汽车提高安全性，将是一个相当复杂的课题。笔者建议政府有关部门及早部署，以系统地研究电动汽车安全性提高之道。
已可采用的安全措施
一、采取增程技术，从技术路线上提高安全性和节油率。
现有电池水平下，纯电动大、中型汽车的合理设计里程仅约150公里，电池组常常满充满放，性能衰退快；电池量大，散热困难，解决安全问题的难度加重。
纯电驱动的增程式车，用小功率发电机在行驶途中以watechliuhede工况发电，不仅节油率高，而且不必配太大容量的动力电池就可远行；特别是电池组运行于“半充”与“半放”状态之间，淡化了不一致性问题，且内阻小，发热量小；电池不过充、不过放，循环寿命长，安全性好，尤其适用于大、中型车辆。
二、发展安全性高的微、小型纯电动汽车。
微、小型纯电动汽车用的电池容量小，从根本上降低了电池的事故概率。这种车还可用铅酸电池，不仅价廉，而且安全性比锂离子电池好。
三、提高电池的安全性能。
要推广应用对水不敏感的电解质、减少溶剂用量的聚合物（或凝胶）电解质，电解液中添加阻燃剂、防过充或防过热的聚合物单体等，涂有陶瓷微粉的耐热、不收缩隔膜。
减低电池的内阻有利于减少电池的温升，十分重要，全极耳和极耳与极柱一体化等专利技术应该推广。
四、电池组防火功能设计。
优良的管理系统、牢靠的连接方法、有效的散热途径、稳妥的空气隔绝、及时的监测报警和正确的灭火措施等等，贯彻这些防火设计原则和相应的技术措施，将有助于提高动力电池组的安全性。
电池组有效散热和隔绝空气相结合的专利技术，对于防止电池燃烧很有价值。
结束语
笔者认为，要提高电动汽车安全性，需要立项系统地研究电动汽车的安全性规律和用数值来表达安全性（即事故概率）；要以电池发展为依据规划电动汽车发展；要用好现有的各种电池，生产相应的车；在持续治理铅污染的同时，大力支持研制高比能量、长寿命、高功率等新技术铅酸电池。