锂电着火、氢气爆炸,新能源汽车到底安不安全?

2018-12-20 09:57  来源:氢云链  浏览:  
12月15日万钢在《人民日报》撰文再次表明发展新能源汽车是国家战略!我国新能源汽车全面替代燃油车已是定局!以电动车为例,2018年,在国内车市整体下滑的情况下,电动车销量逆势上升,未来交通电气化带来的新能源汽车市场空间巨大。
 

图1 国内新能源汽车销量

 
 

然而,随着电动车销量火爆,电动车起火事故也越来越多。据不完全统计,截止到今年10月份,国内就有40多起电动汽车起火事故,考虑到国内电动车保有量在200万辆左右,这40起事故已经足够引起消费者对电动车安全性的恐慌。新能源汽车到底安不安全?上述锂电着火原因究竟是电动车技术不够安全,还是电池企业生产不过关导致?

图2 电动车起火事故盘点

 
 

受锂电着火负面影响,消费者对氢燃料电池汽车也充满恐惧,如网络上流传的天然气汽车爆炸视频、辛登堡飞艇氢气爆炸的惨烈画面等,让消费者心惊胆战,常常是谈氢色变!虽然丰田、巴拉德已经对氢燃料电池汽车的安全技术做过十分详细报道,国外也有多年整车安全运营经验,但这些还不足以完全消除普通费者内心疑虑!氢燃料电池汽车中高达35MPa甚至70MPa的储氢罐压力会不会爆炸?尤其在极端碰撞(见图3),如高速公路两车相撞、大卡车追尾的极端情况下,氢燃料电池汽车是不是比燃油车更不安全?这些问题是网络、论坛和业内工程师之间讨论最多的话题。

图3 碰撞车祸

 
 

虽然中国新能源汽车是世界电动车发展潮流领跑者,但相比国外汽车强国的百年积淀,我们还在路上,或者说万里长征只走了第一步。中国电动车正在面临市场化考验,中国氢燃料电池车也正在接受产业化检验。氢云链问卷调查结果显示,相比续航里程不足,新能源汽车用户真正的焦虑点是安全隐患!如何让消费者接受或者理解新能源汽车跟燃油车一样安全,是实现电动车市场化、氢燃料电池车产业化的基本前提。为此,本文专门讨论上述锂电着火、氢气爆炸这两个新能源汽车安全问题,给普通消费者分析下新能源汽车到底安不安全。

我们先看一下锂电自燃危险来源。

 

锂电池汽车着火通常发生在以下四种情况:

 

1)充电过程中燃烧;2)电池行驶或放置过程中发生的燃烧;3)汽车事故引发的燃烧;4)涉水引发的燃烧。这四种场景中,充电过程中的燃烧是最为常见的。

 

锂电池汽车着火原因可以概括为以下三类:

 

(1)机械电气问题,如碰撞、穿刺、浸水、引燃等。碰撞会导致锂电池内部结构损坏或外壳破损,严重情况下会导致锂电池的电极暴露在空气中;穿刺会导致隔膜破损,导致内部短路;浸水后若水进入电池,会与锂发生剧烈的化学反应。

 

(2)电化学和产品质量问题,比如过充过放、过热、内部短路。过充过放容易造成膨胀鼓包、电极析锂刺破隔膜等;过热可能由于热管理失效引起,短时间内电池释放大量热量导致热失控;内部短路则是由于内部结构破损引起。

 

(3)厂商和消费者的问题,如厂商为了减少成本,降低生产安全要求,偷工减料,防护措施不到位,或是为了追求补贴,缩短电池产品测试验证时间,技术验证周期偏短导致了技术验证不足、工程解决方案不成熟。而消费者私自改装,使用和保养不当,也会增加电池着火风险。

 

 

 

如何解决目前锂电池汽车的着火问题?

 

(1)高安全性的固态电池技术:固态电池最大优点是电解质为固体,没有漏液、挥发、膨胀的风险,其高机械强度能够阻止锂枝晶穿透造成内部短路,并且可以将负极的锂与空气隔绝,可以大幅提高安全性能,从而解决锂电自燃问题。

 

(2)提高BMS,热管理系统水平:通过持续性提高BMS水平可以解决电池过充过放问题,改进热管理系统可以解决电池过热问题,从而解决锂电自燃问题。例如增加电池的监控传感器,空冷系统改为水冷等。

 

(3)加强产品监管和追责力度:加强电池产品、汽车产品出厂安全检测,提高事故追责力度可以大幅降低厂商生产方面的问题。尽可能杜绝锂电自燃问题。

 

综上,未来固态电池技术能否解决当前电池着火的问题,要取决于技术水平、厂家品控、监管力度等各方面因素。

 

氢燃料电池方面,人们质疑35/70MPa的储气罐爆炸是因为相关知识匮乏,对氢燃料当前的技术水平、产业标准、性能指标没有明确的认识。下面大体介绍下氢燃料电池在安全方面的现状:

 

(1)产业标准:在车载储氢系统领域内,早已存在各种标准,包括我国的国标、ISO标准、美国SAE标准、日本JIS标准等。标准中不仅定义了压力数据,同时也规范了安全性能(具体安全性能包括应力、腐蚀、泄漏、震动等规范及实验方式),在标准层面已经保证了安全。

 

(2)阀门自动控制系统:氢燃料电池汽车使用的氢气浓度比为99.99%,远高于遇明火爆炸的4.0-75.6%浓度比,如果遭遇来自外界的明火燃烧,系统则会自动关闭多级阀体。当车载检测系统侦测到储氢罐或管路出现氢燃料泄漏,控制系统会即刻关闭氢气输出,避免与氧气混合,确保不会自燃。

 

(3)储氢罐结构设计及应急处理系统:储氢罐本身也有着很高的强度,以丰田Mirai为例,储气罐由三层结构组成,最内层材料是高强度聚合物,中层是强化碳纤维和高强度聚合物的混合材料,外层是玻璃纤维和高强度聚合物的混合材料,静止状态下不会由罐壁泄露氢气,即使受到枪击被贯穿之后也能保持瓶体结构,使氢气泻出而不爆炸;在车辆着火的时候,一个叫易熔塞的阀门会受热熔化,强制性地按照一定速度排出氢气。

 

图4 丰田mirai监控方法

 
 

由于氢气有快速逃逸的特性,泄压后就不易燃烧或爆炸。因此有业内人士提出,在极端汽车碰撞冲击情况下,可以通过监控关键部件加速度等指标,通过系统确认发生碰撞之后开启泄压阀释放氢气、降低气罐压力来避免爆炸。目前来看,实现量产的氢燃料电池安全技术成熟,使用安全有保障。丰田mirai工程师在访谈中甚至公开保证,丰田氢燃料电池汽车在时速80公里碰撞,气罐绝对不会爆炸。

锂电着火、氢气爆炸,新能源汽车到底安不安全?

 

通过以上分析可知,锂电着火不是技术问题,而是与厂家的品控和设计缺陷有关,例如,宁德时代、比亚迪电池两者在市场占比达60%以上,却很少听到电池着火事故发生(哪些电池会着火这里不点名)。下一代固态电池技术安全性会大幅提高,基本会消除锂电自燃现象。

相比之下,氢燃料电池安全技术已经成熟,全世界已经有数千辆日本丰田未来的乘用车在路上运营,大部分分布在美国和日本市场。就目前来看,这款车型还没有收到一例因为氢气爆炸恶性事故发生的信息,对比特斯拉刚上路面时频频发生着火事故的情况,推测丰田mirai的安全性达到安全使用要求,至少与燃油车一样安全,甚至更安全。(玖牛研究院)  (作者:风氢扬,管理学博士)

 

 

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