钉子试验：电动汽车的电池安全

　　本文翻译自HANSER automotive

　　作者：Maurice Gonser

　　电动汽车电池系统的热失控（英文为Thermal Runaway，缩写为TR）实际上是一种较大的电池事故。热失控TR描述了汽车电池系统中温度迅速上升至1300摄氏度时的一种链式反应。出现热失控的原因可能是机械损坏、电池组内部损坏或者过热。

　　热失控带来的后果是非常严重的：电池组内部会因热失控而产生炙热气体和发热颗粒，有时候产生热量而发生火灾甚至殃及相邻的电池组和汽车零部件。由热失控TR而扩散到相邻零部件、电池组的情况称之为热传导TP。为了降低这种不希望出现的风险有各种不同的技术措施，例如使用活性较低的化学元素（磷酸铁锂）或者使用像锂镍锰钴氧化物（NMC811）那样更加有效的化学物质。

　　高能源密度-强化学反应

　　现在，Faras能源技术公司能够按照工业化规模生产方式生产能量密度高达330Wh/kg的电动汽车驱动电池了。图2所示Faras公司研发生产的P73和P79电池已经具有与竞争对手相抗衡的能力了。Batemo公司对这两种电动汽车驱动电池进行了测试和车用模型的开发，并根据电池的能量密度-功率密度进行了分类。与其他电动汽车用电池相比较，Faras公司研发生产的驱动电池有着非常高的单位重量和能量密度，明显优于其他竞争对手。

　　然而，很高的能量密度也容易带来更强的热失控反应，面对更大的热传导挑战。Faras能源技术公司已经成功地开发出了一种能够在能量密度高达250Wh/kg的两个电池组之后停止TP热传导的模块。

　　这一技术是通过虚拟原型开发出来的，并通过测试来保证其性能的。测试时，特意用钉子破坏电动汽车驱动电池，并对钉子破坏后的电池充电使其过载或者在受控条件下加热至TR热失控温度。这种测试确保了电动汽车驱动电池安全保护措施的有效性，例如图1所示的各条脱气通道。

　　现行法律法规规定了汽车出现意外时必须给车内乘员5分钟的安全预警时间（例如第三版电动汽车特殊要求的统一规定ECE R 100中的规定）。在这五分钟的时间里，汽车系统必须对车内乘客发出受到危险威胁的安全警告并确保车内成员有时间安全离开车辆。除了采取物理措施抑制车载电池热失控和热传导之外，汽车控制系统中的软件也有很大的帮助作用。

　　Faras能源公司自己开发的算法语言可以确保汽车控制系统能够早期检测到此类可能性、避免类似事件的发生。

　　Crash & Co.：确保安全可靠性

　　另一个涉及到电动汽车驱动电池的安全问题是电池的工作窗口。电动汽车的电池管理系统BMS负责监控和调节不同温度和充电状态下的蓄电池输出和输入功率。这可以防止充电过程中的过热或者过压带来的电池损伤，确保了车辆的安全行驶和车主对于使用寿命的要求。

　　电动汽车电池系统的安全可靠性必须在汽车的整个使用寿命周期内得到保证。因此Faras能源公司进行了电动汽车电池组的老化和性能测试并为其产品开发了预测老化的测试算法。这使电动汽车的驾驶者能够预测不同环境条件下电池组的实际情况，可以实现长达15年或者更长时间的驾驶和充电。

　　电池组模拟测试的基础还是全球范围内进行的、大量采集的所有测试数据。除了热传导TP以及热、电方面的作用之外，电池系统的机械完整性也是电池组安全的核心。电池组的安全性能是通过不断模拟电动汽车开发过程中的各种载荷情况（例如碰撞模拟）和严格的机械参数来确保的。这里的机械测试包括了压碎、突然冲击和震动测试。

　　为了进一步提高电动汽车的安全性，Faras能源公司开发了一种名为“Flipped Pack”的电池组设计方案。在这一设计方案中冷却板位于电池组的上方，它可以更好地防止侧面的冲击，避免外部的影响。在出现TR热失控时，电池组可以通过下方的通道排气散热，从而有效地保护车内成员的安全。

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