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隨著新能源汽車的快速發(fā)展與國(guó)內(nèi)保有量飛速提升，頻繁發(fā)生的新能源汽車起火事故備受社會(huì)各界關(guān)注，因此對(duì)于動(dòng)力電池安全管理的要求愈加嚴(yán)格。我國(guó)高度重視新能源汽車安全問(wèn)題，并從國(guó)家政策、標(biāo)準(zhǔn)等方面做出了一系列具體要求。然而在技術(shù)層面，如何更好地解決動(dòng)力電池安全問(wèn)題仍然是較大的難題。

在今年世界新能源汽車大會(huì)期間，北京航天航空大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)楊世春教授接受了《產(chǎn)品安全與召回》記者的采訪，他指出當(dāng)前動(dòng)力電池安全性能評(píng)估與預(yù)測(cè)的一些難點(diǎn)，并提出了一種電池全生命周期管理系統(tǒng)的數(shù)字化解決方案——賽博鏈（CHAIN），該方案著眼于電池的全生命周期精確化管理，可提高電池狀態(tài)估計(jì)、故障診斷、熱失控預(yù)測(cè)等性能，將更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電池的安全性。

新能源汽車起火預(yù)測(cè)難

經(jīng)過(guò)十年換道先行，我國(guó)新能源汽車實(shí)現(xiàn)了高速發(fā)展，產(chǎn)銷數(shù)據(jù)節(jié)節(jié)攀升，并在多年內(nèi)成為全球最大的新能源汽車市場(chǎng)。然而隨著新能源汽車產(chǎn)銷量與保有量逐年提升，逐年多發(fā)的新能源汽車起火、自燃等安全問(wèn)題也緊隨其后。近兩年，新能源汽車起火、自燃等事故頻繁見(jiàn)諸于報(bào)道，引發(fā)社會(huì)關(guān)注。

楊世春表示，據(jù)新能源汽車國(guó)家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)新能源汽車起火概率為0.49?，2020年僅為0.26?，而傳統(tǒng)燃油車為1?~2?。從大數(shù)據(jù)角度分析，新能源汽車起火概率并不比傳統(tǒng)燃油車高。此外，特斯拉發(fā)布的安全報(bào)告表明，2012~2019年，每行駛2.8億公里就發(fā)生一起特斯拉車輛燃燒事故。而國(guó)內(nèi)根據(jù)2018-2019年新能源汽車國(guó)家監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)，我國(guó)新能源汽車每行駛4.47億公里才發(fā)生一次燃燒事故，總體安全性水平較高。

對(duì)比來(lái)看，我國(guó)新能源汽車并不存在明顯的安全問(wèn)題，為何會(huì)引發(fā)社會(huì)的廣泛關(guān)注？

對(duì)此，楊世春指出：“傳統(tǒng)汽車起火的原因我們非常清楚，涉及汽車的改裝，線束的老化，零部件的機(jī)械損傷等等。但是新能源汽車起火存在不確定因素，而且是在各個(gè)工況中都可能突然起火。另外，在起火過(guò)程中，整車的BMS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都沒(méi)有明顯異常。也就是說(shuō)，目前基于傳統(tǒng)方法對(duì)于新能源汽車起火的預(yù)測(cè)非常困難?！?br>

動(dòng)力電池的能量密度與安全相互矛盾

動(dòng)力電池故障是電動(dòng)汽車起火的主要原因，而熱失控是動(dòng)力電池安全事故的主要表現(xiàn)。

楊世春指出，引發(fā)熱失控的原因主要包括：機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用導(dǎo)致的內(nèi)短路，鋰枝晶生長(zhǎng)造成局部高溫引發(fā)正反饋，以及正極釋氧擴(kuò)散至負(fù)極后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)劇烈生熱。熱失控觸發(fā)機(jī)理仍有待深入研究。

電動(dòng)汽車起火有兩個(gè)特點(diǎn)：一是起火事件一般集中發(fā)生在新車出廠后的1~2年，二是磷酸鐵鋰電池的安全性相對(duì)較好。清華大學(xué)發(fā)布的《2019年動(dòng)力電池安全性研究報(bào)告》顯示，2019年起火電池中，三元電池占60%，磷酸鐵鋰占5%。

近年來(lái)，無(wú)論車企，還是電池廠，都在防止熱失控和熱蔓延方面做出了巨大努力。然而既已知道起火原因和過(guò)程，又知道電池的類型和特點(diǎn)，為何仍無(wú)法攻破動(dòng)力電池起火難題？楊世春告訴《產(chǎn)品安全與召回》記者，目前新能源汽車動(dòng)力電池的能量密度與安全存在一定矛盾。

目前，電動(dòng)汽車使用的動(dòng)力電池都是鋰離子電池，主要結(jié)構(gòu)包括正、負(fù)極、電解液、隔膜和其他一些附件，正極材料是研究的重點(diǎn)。動(dòng)力電池正極材料種類包括磷酸鐵鋰、三元鋰、鈦酸鋰和錳酸鋰。其中，鈦酸鋰和錳酸鋰由于能量密度較低，成本和循環(huán)壽命又無(wú)優(yōu)勢(shì)，逐漸退出了主流行列。

三元鋰和磷酸鐵鋰電池最主要的區(qū)別在于，前者能量密度高，但高溫結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定；而后者高溫穩(wěn)定性好，但能量密度較低。簡(jiǎn)言之，使用前者能量密度高，但安全性差；使用后者安全性好，但能量密度低。

當(dāng)前，無(wú)論是國(guó)家補(bǔ)貼，還是用戶使用，對(duì)于電動(dòng)汽車的續(xù)航里程都有很大期待。要提高續(xù)航里程，可行方向包括提高電池的能量密度；然而為了提高電池的能量密度，就要提高電池的比能量，進(jìn)而與動(dòng)力電池的安全性存在一定的矛盾。

“既要長(zhǎng)續(xù)航，又要高安全，這就成了新能源汽車發(fā)展面臨的一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)?！睏钍来褐赋?。

強(qiáng)標(biāo)將解決動(dòng)力電池安全困局

動(dòng)力電池?zé)崾Э貢?huì)引發(fā)熱蔓延，導(dǎo)致整車起火，危及消費(fèi)者及社會(huì)公共安全。產(chǎn)業(yè)發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)先行，建立完善且先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)體系可為提高動(dòng)力電池安全性提供方向指導(dǎo)?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)體系能否為新能源汽車動(dòng)力電池安全問(wèn)題的解決提供支撐？

楊世春指出，我國(guó)動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)雖然起步較晚，但發(fā)展快，目前標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的測(cè)試覆蓋面已經(jīng)非常廣。特別是今年5月12日，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)發(fā)布了三項(xiàng)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——GB 18384-2020《電動(dòng)汽車安全要求》、GB 38032-2020《電動(dòng)客車安全要求》和GB 38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》。

GB 38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》在優(yōu)化電池單體、模組安全要求的同時(shí)，重點(diǎn)強(qiáng)化了電池系統(tǒng)熱安全、機(jī)械安全、電氣安全以及功能安全要求，試驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋系統(tǒng)熱擴(kuò)散、外部火燒、機(jī)械沖擊、模擬碰撞、濕熱循環(huán)、振動(dòng)泡水、外部短路、過(guò)溫過(guò)充等。其中，特別增加了電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散試驗(yàn)，要求電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)在5分鐘內(nèi)不起火不爆炸，為乘員預(yù)留安全逃生時(shí)間。

“強(qiáng)標(biāo)實(shí)施后，將有效保障大批量電池生產(chǎn)制造的質(zhì)量。”楊世春表示。

離群分析可用于熱失控預(yù)警

與大批量對(duì)應(yīng)的是偶發(fā)現(xiàn)象。受到檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)、成本等限制，某些缺陷電池雖然在進(jìn)行產(chǎn)品檢測(cè)時(shí)并無(wú)異常，之后可能會(huì)發(fā)生小概率的熱失控事件。針對(duì)這種問(wèn)題如何防范？

楊世春提出，基于全生命周期數(shù)據(jù)的離群分析可用于動(dòng)力電池的熱失控預(yù)警。

舉例來(lái)看，某地一輛純電動(dòng)汽車停泊時(shí)突然起火，起火前無(wú)異常或碰撞，行車數(shù)據(jù)無(wú)直觀特征，經(jīng)事故現(xiàn)場(chǎng)探查找到電池包內(nèi)起火點(diǎn)。通過(guò)經(jīng)典BMS采樣數(shù)據(jù)分析并無(wú)異常：最大電壓差約12mV，最大溫度差約3℃，無(wú)內(nèi)阻突降，特征峰一致性較好。這意味著經(jīng)典熱失控探查方法失效，無(wú)法實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警。

“我們基于行車數(shù)據(jù)的信息梯度分析，發(fā)現(xiàn)靜置過(guò)程中17號(hào)總為電壓較低單體，同時(shí)，其電壓下降的速率也遠(yuǎn)高于其他電池。因此，懷疑17號(hào)單體可能存在內(nèi)短路導(dǎo)致持續(xù)電壓下降過(guò)快并低于其他電池?！睏钍来豪^續(xù)說(shuō)道，離群分析可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)前故障電池檢測(cè)，而后對(duì)事故當(dāng)天的行車數(shù)據(jù)做特征提取與離群分析，尋找存在故障的電池單體，并對(duì)事故車做現(xiàn)場(chǎng)分析，“最終找到起火點(diǎn)為17號(hào)電池，與事故前10秒內(nèi)電壓突降趨勢(shì)一致?！?br>

構(gòu)建電池安全數(shù)字化解決方案

為構(gòu)建高強(qiáng)度、輕量化、高安全、低成本、長(zhǎng)壽命的動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)，楊世春提出了一種電池全生命周期管理系統(tǒng)的數(shù)字化解決方案，即構(gòu)建基于數(shù)字孿生技術(shù)的云端管理技術(shù)平臺(tái)——賽博鏈（CHAIN），該方案著眼于電池的全生命周期演化，可提高電池狀態(tài)估計(jì)、故障診斷、熱失控預(yù)測(cè)等性能，將更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電池的安全性。

賽博鏈的核心思路是構(gòu)建與物理電池系統(tǒng)映射的虛擬電池系統(tǒng)，從云端實(shí)現(xiàn)微觀演化與安全評(píng)價(jià)，反饋至物理實(shí)體管理策略更新，電池的物理實(shí)體和數(shù)字虛擬模型協(xié)同聯(lián)動(dòng)，構(gòu)建基于數(shù)字孿生技術(shù)的云端管理平臺(tái)，可提高電池狀態(tài)估計(jì)、故障診斷、熱失控預(yù)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)性能。

動(dòng)力電池系統(tǒng)在數(shù)字孿生模型“信息感知”的基礎(chǔ)上演化出“反饋調(diào)解”能力，不僅能夠在賽博物理系統(tǒng)完成“數(shù)字孿生”和“數(shù)字主線”，還能更好地進(jìn)行多源信息融合，大大提升賽博鏈架構(gòu)的自適應(yīng)性和集成能力，滿足電池系統(tǒng)精細(xì)化管理和未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的需求。

“基于賽博鏈，我們?cè)谧鰞杉?，一是?dòng)力電池安全性能的評(píng)估，希望找到更好的表征動(dòng)力電池內(nèi)部變化的參數(shù)，這個(gè)參數(shù)要具代表性，能更提前且準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電池的安全性。二是希望利用賽博鏈系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電池梯次利用的評(píng)估評(píng)價(jià)，完善動(dòng)力電池回收、梯級(jí)利用和再資源化的全生命周期循環(huán)利用體系?！睏钍来鹤詈笳f(shuō)道。

本文刊登于《產(chǎn)品安全與召回》2020年10月刊