​动力电池安全性能如何评估与预测？——访北京航空航天大学交通科学与工程学院院长 杨世春

随着新能源汽车的快速发展与国内保有量飞速提升，频繁发生的新能源汽车起火事故备受社会各界关注，因此对于动力电池安全管理的要求愈加严格。我国高度重视新能源汽车安全问题，并从国家政策、标准等方面做出了一系列具体要求。然而在技术层面，如何更好地解决动力电池安全问题仍然是较大的难题。

在今年世界新能源汽车大会期间，北京航天航空大学交通科学与工程学院院长杨世春教授接受了《产品安全与召回》记者的采访，他指出当前动力电池安全性能评估与预测的一些难点，并提出了一种电池全生命周期管理系统的数字化解决方案——赛博链（CHAIN），该方案着眼于电池的全生命周期精确化管理，可提高电池状态估计、故障诊断、热失控预测等性能，将更准确地预测电池的安全性。


新能源汽车起火预测难

经过十年换道先行，我国新能源汽车实现了高速发展，产销数据节节攀升，并在多年内成为全球最大的新能源汽车市场。然而随着新能源汽车产销量与保有量逐年提升，逐年多发的新能源汽车起火、自燃等安全问题也紧随其后。近两年，新能源汽车起火、自燃等事故频繁见诸于报道，引发社会关注。

杨世春表示，据新能源汽车国家大数据联盟统计，2019年我国新能源汽车起火概率为0.49‱，2020年仅为0.26‱，而传统燃油车为1‱~2‱。从大数据角度分析，新能源汽车起火概率并不比传统燃油车高。此外，特斯拉发布的安全报告表明，2012~2019年，每行驶2.8亿公里就发生一起特斯拉车辆燃烧事故。而国内根据2018-2019年新能源汽车国家监控平台数据，我国新能源汽车每行驶4.47亿公里才发生一次燃烧事故，总体安全性水平较高。

对比来看，我国新能源汽车并不存在明显的安全问题，为何会引发社会的广泛关注？

对此，杨世春指出：“传统汽车起火的原因我们非常清楚，涉及汽车的改装，线束的老化，零部件的机械损伤等等。但是新能源汽车起火存在不确定因素，而且是在各个工况中都可能突然起火。另外，在起火过程中，整车的BMS监测数据都没有明显异常。也就是说，目前基于传统方法对于新能源汽车起火的预测非常困难。”

动力电池的能量密度与安全相互矛盾

动力电池故障是电动汽车起火的主要原因，而热失控是动力电池安全事故的主要表现。

杨世春指出，引发热失控的原因主要包括：机械滥用、电滥用和热滥用导致的内短路，锂枝晶生长造成局部高温引发正反馈，以及正极释氧扩散至负极后发生化学反应剧烈生热。热失控触发机理仍有待深入研究。

电动汽车起火有两个特点：一是起火事件一般集中发生在新车出厂后的1~2年，二是磷酸铁锂电池的安全性相对较好。清华大学发布的《2019年动力电池安全性研究报告》显示，2019年起火电池中，三元电池占60%，磷酸铁锂占5%。

近年来，无论车企，还是电池厂，都在防止热失控和热蔓延方面做出了巨大努力。然而既已知道起火原因和过程，又知道电池的类型和特点，为何仍无法攻破动力电池起火难题？杨世春告诉《产品安全与召回》记者，目前新能源汽车动力电池的能量密度与安全存在一定矛盾。

目前，电动汽车使用的动力电池都是锂离子电池，主要结构包括正、负极、电解液、隔膜和其他一些附件，正极材料是研究的重点。动力电池正极材料种类包括磷酸铁锂、三元锂、钛酸锂和锰酸锂。其中，钛酸锂和锰酸锂由于能量密度较低，成本和循环寿命又无优势，逐渐退出了主流行列。

三元锂和磷酸铁锂电池最主要的区别在于，前者能量密度高，但高温结构不稳定；而后者高温稳定性好，但能量密度较低。简言之，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。

当前，无论是国家补贴，还是用户使用，对于电动汽车的续航里程都有很大期待。要提高续航里程，可行方向包括提高电池的能量密度；然而为了提高电池的能量密度，就要提高电池的比能量，进而与动力电池的安全性存在一定的矛盾。

“既要长续航，又要高安全，这就成了新能源汽车发展面临的一个非常大的挑战。”杨世春指出。

强标将解决动力电池安全困局

动力电池热失控会引发热蔓延，导致整车起火，危及消费者及社会公共安全。产业发展，标准先行，建立完善且先进的标准体系可为提高动力电池安全性提供方向指导。现有的标准体系能否为新能源汽车动力电池安全问题的解决提供支撑？

杨世春指出，我国动力电池标准虽然起步较晚，但发展快，目前标准内的测试覆盖面已经非常广。特别是今年5月12日，国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会批准发布了三项强制性国家标准——GB 18384-2020《电动汽车安全要求》、GB 38032-2020《电动客车安全要求》和GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》。

GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》在优化电池单体、模组安全要求的同时，重点强化了电池系统热安全、机械安全、电气安全以及功能安全要求，试验项目涵盖系统热扩散、外部火烧、机械冲击、模拟碰撞、湿热循环、振动泡水、外部短路、过温过充等。其中，特别增加了电池系统热扩散试验，要求电池单体发生热失控后，电池系统在5分钟内不起火不爆炸，为乘员预留安全逃生时间。

“强标实施后，将有效保障大批量电池生产制造的质量。”杨世春表示。

离群分析可用于热失控预警

与大批量对应的是偶发现象。受到检测时长、成本等限制，某些缺陷电池虽然在进行产品检测时并无异常，之后可能会发生小概率的热失控事件。针对这种问题如何防范？

杨世春提出，基于全生命周期数据的离群分析可用于动力电池的热失控预警。

举例来看，某地一辆纯电动汽车停泊时突然起火，起火前无异常或碰撞，行车数据无直观特征，经事故现场探查找到电池包内起火点。通过经典BMS采样数据分析并无异常：最大电压差约12mV，最大温度差约3℃，无内阻突降，特征峰一致性较好。这意味着经典热失控探查方法失效，无法实现安全预警。

“我们基于行车数据的信息梯度分析，发现静置过程中17号总为电压较低单体，同时，其电压下降的速率也远高于其他电池。因此，怀疑17号单体可能存在内短路导致持续电压下降过快并低于其他电池。”杨世春继续说道，离群分析可实现24小时前故障电池检测，而后对事故当天的行车数据做特征提取与离群分析，寻找存在故障的电池单体，并对事故车做现场分析，“最终找到起火点为17号电池，与事故前10秒内电压突降趋势一致。”

构建电池安全数字化解决方案

为构建高强度、轻量化、高安全、低成本、长寿命的动力电池及管理系统，杨世春提出了一种电池全生命周期管理系统的数字化解决方案，即构建基于数字孪生技术的云端管理技术平台——赛博链（CHAIN），该方案着眼于电池的全生命周期演化，可提高电池状态估计、故障诊断、热失控预测等性能，将更准确地预测电池的安全性。

赛博链的核心思路是构建与物理电池系统映射的虚拟电池系统，从云端实现微观演化与安全评价，反馈至物理实体管理策略更新，电池的物理实体和数字虚拟模型协同联动，构建基于数字孪生技术的云端管理平台，可提高电池状态估计、故障诊断、热失控预测等关键技术性能。

动力电池系统在数字孪生模型“信息感知”的基础上演化出“反馈调解”能力，不仅能够在赛博物理系统完成“数字孪生”和“数字主线”，还能更好地进行多源信息融合，大大提升赛博链架构的自适应性和集成能力，满足电池系统精细化管理和未来能源互联网构建的需求。

“基于赛博链，我们在做两件事，一是动力电池安全性能的评估，希望找到更好的表征动力电池内部变化的参数，这个参数要具代表性，能更提前且准确地预测电池的安全性。二是希望利用赛博链系统，实现电池梯次利用的评估评价，完善动力电池回收、梯级利用和再资源化的全生命周期循环利用体系。”杨世春最后说道。

*本文刊登于《产品安全与召回》2020年10月刊——深度栏目，转载请标明来源。