据初步统计,到2019年底我国公共充电桩保有量51.64万台,较2018年增长了12.7万台,增长32%;充电站近3.5万座,较2018年增长了约7千座,增长25%;私人配建的充电桩70.3万台,配建率近68%;累计建成城际快充充电站2千余座,覆盖高速公路近5万公里,连接了19个省170多个城市,形成了十纵十横两环的高速公路充电网,充电基础设施的规模化发展为新能源汽车的推广应用奠定了坚实的基础。
另据初步统计,2019年我国新能源汽车销售量近120万辆,全国新能源汽车保有量接近400万辆,随着电动汽车规模的不断增长,电动汽车发生安全事故的数量也越来越多,给电动汽车的发展带来了一定的影响。
1月12日上午,来自政府、高校、整车企业、电池企业、充电桩企业和科研机构的专家,在2020电动汽车百人会论坛的名为“提升安全技术 完善政策保障”的电动汽车安全分论坛上,对电动汽车的安全问题分享了自己的经验,提出了改善电动汽车安全的建议。
国家能源局电力安全监管司司长童光毅在演讲中主要谈了电动汽车充电的安全问题。
他认为,电动汽车安全事故实际是一个系统工程,主要表现在由撞击、电路短路、过充等原因电池自燃引发车辆走火。目前我们电池的热失控机理研究和有效防控手段还需要进一步加强,需要企业行业组织政府紧密合作共同面对。
电动汽车生产企业电池生产企业应当担负起电池安全整车安全的主体责任,充电设施生产企业运营企业应当担负起充电设施安全的主体责任。在电动汽车使用过程中,充电设施的建设施工运营维护阶段要将消防安全贯彻始终,政府有关部门应该切实履行起安全监管责任。
他表示,通过各项工作,电动汽车充电基础设施的安全风险基本上是可控在控的,但是在安全问题上仍然存在一些突出的地方:
第一,技术水平亟需提高,电动汽车以及充电设施是新兴产业,由于起步的时间不长、技术经验积累还不够充分、标准体系还需完善,加之充电设备生产行业门槛较低,部分企业生产能力技术水平仍有待提高,所以在技术上还有需要提高的空间。
第二,监管问题问责机制不够完善。个别地区监管不到位,问责机制不明确,生产使用充电桩的违法成本低也是造成安全问题的重要因素。
第三,用户对充电桩的安全意识有待加强。用户对充电的安全意识不强,使用非常规的模式或者不合格的充电桩产品为电动汽车充电、充电过程中的操作不规范容易产生安全风险。
基于这些安全状况,童光毅提出了几点进一步强化充电设施安全的建议:
第一,明确充电设施安全责任,完善安全责任监督管理体制;第二,充分发挥各行业组织的作用,打通国家、地方、企业三级充电安全信息平台网络报送体系,实现行业自律与政府监管的有机统一;第三,充分完善充电基础设施的标准体系,建立健全安全技术标准;第四,不断提升安全水平和监测能力,终端安全接入与在线的行为审计能力,加强充电设施网络的安全建设;第五,加大充电设施安全的投入,把安全作为充电设施的最关键指标;第六,加大宣传力度,普及充电安全知识,引导社会正确认识充电安全的影响,增强用户对充电安全的意识。
中国工程院院士、北京理工大学教授孙逢春谈了新能源汽车大数据运行安全问题,他介绍说,国家建立了国家、地方、政府和企业的三级监管体系,同时强调了企业作为安全的第一责任人,来承担安全控制的主体责任。
根据大数据统计,到目前为止统计分析模型有223个,安全分析有124个。目前来讲,新能源汽车保有量约363万辆(截至2019年10月),国家平台接入量296万辆,车辆总运行里程为1137.9亿公里,每天在线率超过60%,实时在线率超过25%。
事故前10天,国家平台预警提醒率准确率能达到70%,燃油车的燃烧事故2-4万辆/年,这是全国的平均数。新能源汽车到目前为止万辆车的燃烧事故大概是0.9-1.2 /年。虽然新能源燃烧起来比较吓人,但是希望大家能够有比较好的心态去认识这个事情。
国家平台对于入网车辆现在基本上可以做到事故可发现、可预判、可处置。另外,乘用车目前来讲,在安全事故中占比比较高,达到57%,其次是专用车,公交车应该最好。
三元锂电池事故率占比最高,达到89%。在充电过程,充满电之后静止状态是着火事故主要构成的原因。车辆燃烧的事故大多发生在高SOC状态,其中在85%以上事故率占比达到57%,SOC为100%的占比是14%。
国家平台现在是7天24小时的实时监控,三级以上的故障直接实时推送给企业,上报工信部,一、二级故障是批次预警告诉企业。平台通过电压、温度、绝燃电阻,可以判定车辆是不是有问题。通过历史大数据的比较,精度可以达90%,这是非常好的结果。
蔚来汽车电动力工程高级副总裁黄晨东分享了蔚来在车辆电池包上安全策略方面的一些心得。
他认为,电池安全是电动车里面非常重要的议题,是电动车发展的生死线。
蔚来提出了电池安全设计的“三纵三横”原理:“三纵”是电芯、模组和系统,“三横”是从预防到监测再到灾害的控制。比如在电芯层面,一定要选不容易热失控的电芯,要做好电芯的评估,整车厂也要做电芯的评估;在模组方面,模组的设计、工作条件、电芯成组,都有适合的、能够用在车上;最后的系统,要考虑到机械、电气、BMS的设计,来把系统控制好。设计好了,预防的工作做完了就要做监测,除了最基本的电阻、电压、温度等等,还会监控发展趋势,从而才能够达到在后面的灾害控制。
在电芯方面,即使有个电芯出现热失控,要控制在电芯的内部,要把热尽量带走,不要把热蔓延到其它地方,就可以达到防止热失控的目的了。蔚来的优化设计,做了一些电芯、模组的热隔离,还有电池包的优化,从而达到热失控的控制。
在BMS控制方面,蔚来通过对SOC、SOH、SOE、SOF等多方面监测,实现安全的实时预警,提前发展问题。所有的电芯都可以联网,有全生命周期的管理,还有实时监控的管理系统以及退役系统的管理。
大数据监控,最重要的是统计型的工作和事件型的工作。事件型基本上就是基于参数,统计型的不是所有都能做到。比如电池包里面的电芯,如果确实有一个偏离了总的分布,就要把它抓回来,然后分析它。蔚来做的是可换电的系统,如果有问题可以抓回来以后就可以给用户换一个新的电池包,旧的拿回来我们换模组,进行分析。
中国汽车技术研究中心首席专家、检测认证事业部副总工程师王芳分享了基于国际法规和国内标准,从整车实际的应用需求要求出发,对电动汽车和电池的安全评价。
据她介绍,从2011-2019年样本数里看,电动汽车安全事故中,热失控的扩散导致的占了50%以上,另外两个比较大的原因是充电问题和机械的破坏。
热失控的诱因有很多,从材料、电芯、系统到实际使用。归类来说,有材料正负极材料或者隔膜的缺陷,电芯的制造过程中因为质量控制的水平的差异导致了电芯层面的异物或者内短路等隐患的存在,系统集成的层面比如焊接的工艺、线速的排布方式等等。
充电系统充电过程中会涉及到能源、车辆、充电的连接装置、充电的设备以及供电网络的状态,所以它是个非常复杂的整个跨产业链的系统,所以它的安全失效模式就会涉及到多维度的全寿命周期的不同的使用环境。
她从调查的事故里选两个例子来给大家分享一下她的理解。
第一,过充电,过充电的失效可能涵盖的内容包括车上所有的部件、电池的控制单元、整车的控制单元的失效带来的隐患,也基于整车设计对于电池安全的解析是不是到位;在实际的使用过程中,即使电池有很好的一致性,也会不断地出现分裂,一致性会降低,这个过程中如果充电的策略不及时调整,就有可能因为频繁的、微小的过充出现,导致集中的事故的发生。
第二,充电策略与电池特性不匹配,哪一种充电策略能够符合你的电池的实际特性,需要大家做大量的评价工作,要从它的全生命周期的温度、容量、功率特性的衰减来评判电池的控制策略是否准确是否恰到好处,如果有某个参数并不能满足电池特征的话,充电过程必然会影响到电动汽车的安全性。
机械的安全中,第一是碰撞的安全。现在的碰撞包括正碰撞、侧碰撞,有静态的挤压和动态的碰撞,但是实际发生的状态是综合的作用。所以她的团队现在发明了一个动态的挤压方法,带着速度进行挤压,要看它对电池的伤害值,正在跟一些企业合作做一些评价。第二是托底引起的底盘变形,如地面的障碍物,包括铁轨、马路牙子、软路面和硬物的冲击等情况下有可能对电池造成的伤害。
天津力神电池股份有限公司常务执行副总裁王念举分享了对动力电池安全的一些理解。
动力电池,或者新能源车,一旦失控危害非常大,传统车一年有3万起着火,几百起的新能源车就引起这么大的反映,主要是这个原因造成的。据他的理解,各种场景都有可能产生热失控,经过统计,静置、充电、行驶过程中,大概占30%左右,剩下的10%是由于碰撞,进水造成的。因此,如何保障动力电动汽车在全生命周期不同场景下的安全性研究,这是业界面临的首要问题。
从系统设计来讲,电池有六大关键技术,包括BMS控制技术、热管理技术、仿真分析以及测试验证的技术、轻量化技术、快充技术和热安全技术。影响热安全的主要是四点,机电热化,“机”是机械设计,“电”是电子电气的安全设计,“热”是分布不均匀,刚开始一致性还行,随着电池内部的不均匀,越来越加大,到最后跟化学都是直接相关的。因此,力神做系统研究的时候,要针对机电热化多维度、多层次的热安全解决方案。
从动力电池系统热的安全技术上讲,撞击、高压、低压、快充,都可能造成电池内部的化学反应。因此,电池的热安全技术是非常非常关键的,主要集中在电芯。电池企业能做的只能是在这个过程中通过多元参量耦合探测技术,SOH,SOE,SOF,包括内阻的变化,去探测它。我们提前10分钟、20分钟,可以给洗车有非常明确的一个反馈信号,这样就可以避免热失控,当然了一旦热失控,只能主动或者被动地去进行扑灭。
从电子电气系统的安全设计来讲,力神基于ISO26262的标准,优选BMS,优选ASIL-C/D安全芯片,硬件层面上采用适度的冗余设计,建立故障容错机制,在软件层面,采用AUTOSAR软件架构,根据安全需求分解,制定全方位的安全诊断机制,采用多极故障报警处理恢复机制。
2020年,力神侧重于电芯安全以及高压安全故障诊断,BMS系统功能安全ASIL-C/D(乘用车选C级),SOC/SOP全生命周期宽温度范围估算精度提升(原先是10%、后来是5%、今年要达到3%)。2021年力神侧重于电芯安全及高压安全故障管理及预测,智能能量管理、维护保养、预约管理,车联网智能驾驶应用,电池寿命周期耐久性管理。到2023年侧重BMS及整车控制器的高度集成管理,BMS系统信息安全,云平台大数据深度学习修正,新型电池智能管理。
特来电新能源有限公司董事长于德翔分享了对充电安全的想法。
他认为安全已经成为电动汽车发展的死穴,他个人理解当电动汽车衰老的时候,比如到了电池后30%寿命的时候,电动汽车烧车的事故才会频繁出现,这就像当一个人年轻的时候不得病,老的时候总要去医院。在这种情况下会出现严重问题,事故频发,用户恐慌,政府焦虑,车企害怕,电池企业担忧。
现在基本上80%的烧车都是在充电的过程中和充满了电,由于电池、电机或者BMS系统导致的。唯一的解决办法是提前预防,把烧车的事故控制在萌芽状态。
每次充电的时候,特来电为汽车安全做了两层防护,一层是从设备层,另外一层是从数据层和平台层做这样一个防护,它的机理就是CMS系统,汽车有BMS系统。
在做能源和数据交互的时候,特来电做了19个安全模型,对汽车安全进行诊断。如果发现你的车可能有安全隐患了,就快速采集,把电流、电压、温升、温控所有数据采集到平台里,同时今天数据和昨天的数据、前天的数据、历史的数据做大数据分析和对比,再把全国同一时刻、同一时间、同一型号充电的车再做一个平台的大数据分析,当超过安全阀值的时候停止充电,这个车如果停止充电的话会烧吗?当然不会烧。
这样,特来电从充电侧、车端侧、空间的数据和历史的数据四个维度,做大数据分析和模型,并在去年对这个产品做了鉴定,世界首次通过充电网实现对动力电池的冗余安全防护,将防护范围BMS扩展到充电侧、能源侧、用户侧。
特来电还建立了规模最大动力电池充电过程数据库,大数据自学习和模型持续优化,使得充电过程对汽车安全隐患,做到可监视、可预警、可控制、可追溯。小的问题可以预警,大的问题可以停止充电,可以控制。还可以追溯原因。