动力电池系统构成及所面临安全风险

近年来，随着电动汽车的快速发展，如何解决电动汽车所带来的安全问题，又成为汽车行业的新的话题和难点。由于人们对新事物的认知有个过程，初期难免抱有怀疑和不信任的态度，所以任何一次有关电动汽车的安全事故，都会导致公众对电动汽车安全性的疑虑进一步加深，阻碍电动汽车的发展和普及。

其实，传统的燃油车由于碰撞或自燃所导致的车辆起火事故，每年在全球都会发生很多起，造成严重人员伤亡的也为数不少，并不会造成公众的广泛关注和质疑。公众之所以对电动汽车的安全事故这么敏感，除了电动车发生事故时，通常会伴有火、声、光、烟雾等“特殊效果”，很重要的原因是出于对高能量载体“电池”的恐惧。手机电池起火爆炸，炸伤甚至炸死人的事情尚且有之，更何况那么巨大的电动汽车动力电池呢?

电动汽车(包括混合动力汽车)与传统的燃油车有很多相同之处，又有一些不同之处。其运行工况、使用环境、车身结构、内外造型等基本没有什么差异，最大的差别在于驱动方式和能量的来源。因为引入了电力驱动，所以就存在诸如“电击”和“短路”之类的风险，因为有高能量载体的存在，就存在能量瞬间释放(显然不是我们期望的)所造成的起火和爆炸风险。因为化学电池本身的稳定性问题，又会带来许多超出人们“传统”认知的风险。

新生事物总是脆弱的，要经受各种怀疑，更何况是与人身安全息息相关的车辆呢?愿意拿自己的生命做赌注，去尝试和接受不可靠不安全产品的人，我想毕竟是少数吧。所以，不管是国家层面的法规和标准，还是企业层面的产品和技术研发，都必须做到以人为本，切实的解决产品的风险和隐患，消除民众的疑虑，从而推动新能源汽车的发展。我们，没有任何理由拿不成熟不可靠的产品，来忽悠公众和消费者，为企业或个人的私利服务。下文将从动力电池的各项参数详细解析动力电池的安全要素。

一、动力电池系统的构成

作为电动汽车的动力来源，或动力来源之一，动力电池系统通常由电芯(Cell)、电池管理系统(BMS)、冷却系统(Coolingsystem)、线束(Harness)、外壳(Housing)、结构件(mechanicalparts)等相关组建构成，如下图所示：

可以看出，动力电池系统的构成还是相当复杂的，既有电芯这类化学物体，也有复杂的电子电气系统和热管理系统，还有传统的各类机械部件，涉及到的专业种类非常的多，加上恶劣的运行环境，所面临的安全风险也很广泛。

二、动力电池系统所面临的安全风险

动力电池系统所面临的安全风险，主要与其内部部件的特性和外部的使用和运行环境相关，构成了产品安全设计的主要挑战。

1)电芯会不会起火爆炸?

动力电池系统所采用的电芯，其能量密度非常高，以磷酸铁锂电芯为例，能量密度可达120Wh/kg，换算成焦耳，1千克的磷酸铁锂电芯含有 120×3600焦耳=0.43MJ。那么TNT炸药释放的能量有多少呢?1克TNT炸药可释放4184焦耳的能量，换算下来，1千克的磷酸铁锂电芯蕴含的能量相当于103克的TNT炸药。

一辆纯电动汽车，其使用的电芯通常重达几百公斤，以100公斤电芯计算，总能量就相当于10公斤TNT炸药。换着是谁，心里都会发毛，这东西会不会不稳定，会不会起火，甚至爆炸啊?

2)会不会产生电击事故?

为了提升整车的驱动效率，动力电池的直流输出电压通常都在100V以上，有时高达400V以上，有一定电气常识的人都知道，直流电压超过60V，就是危险电压。

每年，因为电器、电线、电力设备等漏电所造成的电击事故，都会发生很多，也经常见诸媒体。我小的时候就被裸露的220V电线电击过，那种滋味永生难忘。那么，人们也有理由疑虑，电动汽车里面的高压带电部件，会不会漏电，并进而造成电击事故?

3)能不能经受各种恶劣的环境?

车辆的运行和使用环境非常复杂，既要经受高温高湿的考验，也有高原高寒的折磨，有平坦的铺装里面，也有崎岖不平的非铺装路面，既有极其干燥的地区，也有需要经常涉水的地方。

车辆在行驶过程中，要经历高低温的循环考验，要经历沿海的腐蚀性气候，要经历暴雨洗礼和大水浸泡，要经受各种冲击、振动、跌落、甚至碰撞和翻滚。那么，在这些客观的环境面前，动力电池系统能够经受考验，不产生严重的安全风险吗?

4)能不能经受各种滥用?

当产品销量足够大的时候，产品的使用，总有超过规定极限的情况或一些意外的情况，这是不可避免的。以手机为例，当充电保护失效的时候，手机电池可能因为过充而起火或爆炸。如果手机电池被尖利的金属穿刺，也有可能发生爆炸。

那么，电动汽车的动力电池系统能够经受类似的滥用考验，不造成安全事故吗?这些滥用的情况，既有人为造成的，也有客观环境造成的。

5)电池管理系统失效了怎么办?

动力电池系统有一套复杂的管理和控制系统，时刻采集整个动力电池包的各种运行参数，进行计算、诊断、通信和开关控制。系统越智能化，当其发生故障时，后果也就越严重。

举个例子，如果动力电池包内部的某个电芯过热，热管理系统失效，电芯存在热失控的风险，而这个时候的温度传感器坏了怎么办?软件程序不能正常判断并下发切断指令怎么办?又或者本该执行断开动作的开关，不能正常的断开怎么办?风险是否会蔓延，并造成严重的安全事故?

三、动力电池安全设计的目标

动力电池系统的安全设计，基本上围绕以上提到的内部组件构成和可能发生的安全风险展开，确定合理的目标和框架，指导具体的产品开发工作。

1)化学安全

电芯发生热失控，可能会产生电解液泄漏、起火和燃烧等现象，但其破坏力是远远不能与炸药相比的。炸药爆炸时，能量在极短的时间内释放出来，所以威力巨大，而电芯的热失控，其能量的释放是一个渐进的过程，加上电动汽车的电池包是由很多个电芯串并联组成的，通常仅有1个或几个电芯发生故障，有足够的预警和处置时间。