4月21日，一輛特斯拉Model S在上海地下車庫發(fā)生自燃，自燃的視頻在網(wǎng)絡(luò)上迅速傳播。很多媒體強調(diào)：“從冒煙到起火只有4秒，根本來不及逃生”。這讓很多人覺得，電動汽車非常不安全。而且這么多電池，一旦一個電池故障，整輛車和車內(nèi)的人就都危在旦夕。
本文嘗試為大家做一個解讀。
什么是熱失控
先說什么叫熱失控，根據(jù)標準《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》里的定義，熱失控指的是電池單體放熱連鎖反應(yīng)引起的電池自溫升速率急劇變化的過熱、起火、爆炸現(xiàn)象。
新能源汽車的動力電池系統(tǒng)一般主要由電池模組、電池管理系統(tǒng)BMS、熱管理系統(tǒng)以及一些電氣和機械系統(tǒng)等構(gòu)成。
整車廠、或者動力電池系統(tǒng)的廠商，在設(shè)計生產(chǎn)電池系統(tǒng)時，要考慮多重因素。
為了便宜，他們希望電池系統(tǒng)成本低；為了車跑得遠，續(xù)航里程長，他們希望能量密度高；為了安全，他們希望電池系統(tǒng)安全性高。這些都是新能源汽車能否大規(guī)模推廣應(yīng)用的重要因素。但是，遺憾的是，往往這幾個因素之間是互相約束的，你不可能什么都追求極端。
我們可以看看下圖。為了追求更長的續(xù)航里程，我們不得不用能量密度越來越高的電池：從鉛酸電池、鎳鎘電池，到磷酸鐵鋰、三元電池，而且是能量密度越來越高的三元電池。
但是，能量密度越高的電池，熱穩(wěn)定性就更低。因此，為了能用好這些高能量密度的電池，安全性也得到了進一步地重視。
最主要的，就是防范熱失控。動力鋰離子電池在過充放電、針刺、碰撞情況下，都有可能引起連鎖放熱反應(yīng)，造成熱失控，形成冒煙、失火甚至爆炸等。
除了以上這些極端情形，常規(guī)情況下電池也會產(chǎn)生熱量，散熱設(shè)計不好，也可能導致熱失控。
單個電池（即電芯）由于其自身有一定的內(nèi)阻，在充放電的同時，就會產(chǎn)生一定的熱量，使得自身溫度變高。當自身溫度超出其正常工作溫度范圍間時，電池的性能和壽命會受到影響。
系統(tǒng)在不同的應(yīng)用工況下的工作過程中，也會產(chǎn)生大量的熱，聚集在狹小的電池箱體內(nèi)。熱量如果不能夠及時地快速散出，也會影響系統(tǒng)內(nèi)的電池壽命，甚至出現(xiàn)熱失控，導致電芯起火爆炸等。
特斯拉的車型，以長續(xù)航里程為特點，也是不斷提高電芯能量密度實現(xiàn)的。
目前特斯拉所采用的三元NCA電芯，由于能量密度高，在針刺測試時，會劇烈燃燒，和其他電芯比，自然不算好。而且從材料性質(zhì)上來看，三元電池的分解溫度要低于磷酸鐵鋰，在同樣的高溫環(huán)境下，發(fā)生熱失控的幾率要高于磷酸鐵鋰。因此，特斯拉電池熱失控的原因，可以從電芯本身和外部環(huán)境兩塊來看。后者對前者又會有一定的影響。
熱失控的產(chǎn)生原因
特斯拉這起自燃不是第一起電動汽車起火，也不會是最后一起。
從這幾年發(fā)生的電動汽車的安全事故來看，原因主要集中在外部撞擊形成針刺擠壓或者密封失效浸水，高溫環(huán)境下熱集中和過充放電過程，電芯本身漏液等，伴隨電芯內(nèi)部的短路造成熱失控。在研究電動汽車自燃案例過程中，可以看到充放電原因造成的熱失控不在少數(shù)。
鋰離子動力電池在發(fā)生熱失控的過程中，隨著溫度不斷升高將會依次經(jīng)歷以下的過程，并不是一個瞬間就完成的過程：高溫容量衰減→SEI 膜分解→負極-電解液反應(yīng)→隔膜熔化過程→正極分解反應(yīng)→電解質(zhì)溶液分解反應(yīng)→負極與粘接劑反應(yīng)→電解液燃燒等。
從鋰離子電池單體的構(gòu)成部分來看，熱失控的可能原因主要出現(xiàn)在電解液、正負電極材料的熱穩(wěn)定性能上。比如鋰離子電池在充電時，金屬鋰的表面會沉積枝杈狀鋰枝晶，積累到一定程度就會刺穿電池隔膜，造成正負極直接接觸而短路導致熱失控。再比如，過充時，鋰離子會從正極溢出與電解液溶劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生熱量。熱量會反過來繼續(xù)加熱電池觸發(fā)金屬鋰與溶劑、嵌鋰碳與溶劑混合反應(yīng)，在極小空間內(nèi)產(chǎn)生無法立即排出的熱量與氣體，于是電池爆炸。
為了防止熱失控，要對電芯、模組、系統(tǒng)都做隔熱防控，但是電芯和模組級別的隔熱防控，此前并沒有被業(yè)界過多關(guān)注。因此，在電池系統(tǒng)的整體設(shè)計中，就必須考慮電芯單體和電池模塊所在位置的溫度環(huán)境的影響。在設(shè)計電池模塊排列時，若單體電池或者模組之間排列緊湊，且沒有散熱和隔熱措施的話，電池組在充放電時溫度會急劇上升帶來嚴重的安全隱患。
為了提高動力電池的安全性，還需避免或抑制熱失控的發(fā)生。整體來看，業(yè)界解決鋰離子電池熱失控問題，主要從系統(tǒng)保護和電芯改進兩個方面進行。
解決熱失控的工作
為了解決熱失控，在單體電芯材料層面可以做改進。比如對正負極材料進行包覆處理，電解液添加阻燃劑，或者往固態(tài)電池方向發(fā)展等。
重點敘述一下國內(nèi)外一些公司，在電池熱失控方面做的工作。
首先看對電芯的熱管理。
國內(nèi)動力電池老大寧德時代，則在電芯之間放置氣凝膠。氣凝膠兼具高效的隔熱性能和超薄的厚度，可在極其有限空間中進行保溫隔熱，并且一定的厚度可以對熱失控有較好的延緩作用。包括上汽時代也有同樣的方案。
而通用汽車的方案，類似于特斯拉和寧德時代的結(jié)合。他們在電芯之間放置冷卻片和泡棉，使得冷卻片的散熱和泡棉的隔熱作用同時實現(xiàn)。但在現(xiàn)有的研究范圍內(nèi)，泡棉主要用提高電芯的循環(huán)使用壽命，而不是熱失控的延緩。
再來看系統(tǒng)級的防護。
另外，動力電池行業(yè)最早常用灌封膠，也可以看做是一種浸泡式方案。這一方案，在能量密度方面沒有優(yōu)勢，因此在補貼政策鼓勵能量密度的背景下，失去了市場。在補貼退出之后，灌封膠方案能否贏回一點市場，尚待觀察。
老牌動力電池企業(yè)比亞迪，采用液冷板方案，能保證電池工作在正常的溫度范圍內(nèi)。冷卻板可以用釬焊、攪拌摩擦焊、埋管等幾種方式。但是在外部撞擊和長期振動使用環(huán)境下，如何保證不漏液也是需要考慮的。
為了更進一步節(jié)省空間和提高效率，液冷箱也開始有一定的市場。不過，液冷箱一旦被碰撞，形變和異物侵入，反倒可能傷及電芯。因此液冷箱方案用于商用車較多，因為商用車電池包一般有電池倉的保護，而不像乘用車那樣直接放置在底盤，能與外界直接接觸。
除去這三種常見的方案，一種新的熱管方案也開始嶄露頭角。它可以滿足電池組的高溫散熱與低溫預(yù)熱雙工況要求,響應(yīng)快,溫度均勻性好。
以上幾種，都可以說是液冷方案。采用液冷方案時，需要將箱體隔熱考慮進去，意義在于：一、保持系統(tǒng)內(nèi)部溫度，有利于低溫充放電，延長使用壽命；二、降低高溫路面熱輻射對系統(tǒng)內(nèi)部溫度的影響；三、外部出現(xiàn)火燒或者高溫時，保持電池包內(nèi)正常溫度，延緩電池熱失控，提高安全性。
整體來看，單獨或者綜合以上若干熱失控方案并不能完全避免熱失控的發(fā)生，比如箱體的密封隨著環(huán)境不斷變化失效，導致漏水，也可能會產(chǎn)生熱失控，導熱材料的選擇不當也會有風險。這些又是另外需要深入研究的課題了。
關(guān)于熱失控方面的標準
熱失控不僅是業(yè)界重視，國家主管部門、行業(yè)標準也提出了要求。
目前，中國在電池安全涉及熱失控方面的標準，包括《電動汽車安全要求》、《電動客車安全要求》和《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》（意見稿階段，將會盡快發(fā)布）等。
《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》在引言部分就強調(diào)了在確定電動汽車用鋰離子電池單體、電池包或系統(tǒng)采用何種設(shè)計方案時，需遵守以下的優(yōu)先次序：首先，如有可能，優(yōu)先選擇安全性高的材料，盡量避免使用容易出現(xiàn)絕緣失效、熱失控或燃燒起火的材料；其次，如果無法實行以上原則，那么需制定保護措施，減少或消除危險發(fā)生的可能性。標準里也明確規(guī)定鋰離子電池單體和電池系統(tǒng)在按照規(guī)定的測試方法進行過充放電、短路、加熱、溫度循環(huán)和擠壓試驗時，應(yīng)不起火、不爆炸。
標準要求鋰離子電池包或系統(tǒng)制造商可選擇以下兩種方式之一進行鋰離子電池包或系統(tǒng)熱擴散分析或驗證。按照附錄完成熱擴散乘員保護分析和驗證或者參照附錄完成熱擴散試驗。在熱擴散乘員保護分析與驗證報告這個規(guī)范里規(guī)定：鋰離子電池包或系統(tǒng)在由于單個電池熱失控引起熱擴散、進而導致乘員艙發(fā)生危險之前5分鐘，應(yīng)提供一個預(yù)先警告信號（服務(wù)于整車熱事故報警），提醒乘員疏散。
如果熱擴散不會產(chǎn)生導致車輛乘員危險的情況，則認為該要求得到滿足。
但熱擴散乘員保護分析與驗證報告和熱擴散試驗這兩個方面，只是作為附錄在最后，只要求廠家提供最后的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)說明，并沒有統(tǒng)一的技術(shù)標準要求。我認為后續(xù)應(yīng)該有一個統(tǒng)一的標準去認證合格與否，關(guān)于熱失控的試驗記錄與披露必要性提醒廠家要做好相關(guān)工作。
另外《電動客車安全要求》要求可充電儲能系統(tǒng)（或安裝艙體）與客艙之間應(yīng)使用阻燃隔熱材料隔離，阻燃隔熱材料的燃燒特性應(yīng)符合GB 8624—2012中規(guī)定的A級要求，并且在300 ℃時導熱系數(shù)應(yīng)小于等于0.04 W/(m?K)。
綜上，國內(nèi)外眾多企事業(yè)單位和國家標準，在解決熱失控方面做了很多的工作。大家沒必要提到電動汽車就談虎色變，要相信電動汽車的安全性在不斷提高。也希望有更專業(yè)的人士來普及更多的東西，讓熱失控得到更好的防范和控制。
