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隨著新能源汽車的快速發展與國內保有量飛速提升，頻繁發生的新能源汽車起火事故備受社會各界關注，因此對于動力電池安全管理的要求愈加嚴格。我國高度重視新能源汽車安全問題，并從國家政策、標準等方面做出了一系列具體要求。然而在技術層面，如何更好地解決動力電池安全問題仍然是較大的難題。

在今年世界新能源汽車大會期間，北京航天航空大學交通科學與工程學院院長楊世春教授接受了《產品安全與召回》記者的采訪，他指出當前動力電池安全性能評估與預測的一些難點，并提出了一種電池全生命周期管理系統的數字化解決方案——賽博鏈（CHAIN），該方案著眼于電池的全生命周期精確化管理，可提高電池狀態估計、故障診斷、熱失控預測等性能，將更準確地預測電池的安全性。

新能源汽車起火預測難

經過十年換道先行，我國新能源汽車實現了高速發展，產銷數據節節攀升，并在多年內成為全球最大的新能源汽車市場。然而隨著新能源汽車產銷量與保有量逐年提升，逐年多發的新能源汽車起火、自燃等安全問題也緊隨其后。近兩年，新能源汽車起火、自燃等事故頻繁見諸于報道，引發社會關注。

楊世春表示，據新能源汽車國家大數據聯盟統計，2019年我國新能源汽車起火概率為0.49?，2020年僅為0.26?，而傳統燃油車為1?~2?。從大數據角度分析，新能源汽車起火概率并不比傳統燃油車高。此外，特斯拉發布的安全報告表明，2012~2019年，每行駛2.8億公里就發生一起特斯拉車輛燃燒事故。而國內根據2018-2019年新能源汽車國家監控平臺數據，我國新能源汽車每行駛4.47億公里才發生一次燃燒事故，總體安全性水平較高。

對比來看，我國新能源汽車并不存在明顯的安全問題，為何會引發社會的廣泛關注？

對此，楊世春指出：“傳統汽車起火的原因我們非常清楚，涉及汽車的改裝，線束的老化，零部件的機械損傷等等。但是新能源汽車起火存在不確定因素，而且是在各個工況中都可能突然起火。另外，在起火過程中，整車的BMS監測數據都沒有明顯異常。也就是說，目前基于傳統方法對于新能源汽車起火的預測非常困難?！?br>

動力電池的能量密度與安全相互矛盾

動力電池故障是電動汽車起火的主要原因，而熱失控是動力電池安全事故的主要表現。

楊世春指出，引發熱失控的原因主要包括：機械濫用、電濫用和熱濫用導致的內短路，鋰枝晶生長造成局部高溫引發正反饋，以及正極釋氧擴散至負極后發生化學反應劇烈生熱。熱失控觸發機理仍有待深入研究。

電動汽車起火有兩個特點：一是起火事件一般集中發生在新車出廠后的1~2年，二是磷酸鐵鋰電池的安全性相對較好。清華大學發布的《2019年動力電池安全性研究報告》顯示，2019年起火電池中，三元電池占60%，磷酸鐵鋰占5%。

近年來，無論車企，還是電池廠，都在防止熱失控和熱蔓延方面做出了巨大努力。然而既已知道起火原因和過程，又知道電池的類型和特點，為何仍無法攻破動力電池起火難題？楊世春告訴《產品安全與召回》記者，目前新能源汽車動力電池的能量密度與安全存在一定矛盾。

目前，電動汽車使用的動力電池都是鋰離子電池，主要結構包括正、負極、電解液、隔膜和其他一些附件，正極材料是研究的重點。動力電池正極材料種類包括磷酸鐵鋰、三元鋰、鈦酸鋰和錳酸鋰。其中，鈦酸鋰和錳酸鋰由于能量密度較低，成本和循環壽命又無優勢，逐漸退出了主流行列。

三元鋰和磷酸鐵鋰電池最主要的區別在于，前者能量密度高，但高溫結構不穩定；而后者高溫穩定性好，但能量密度較低。簡言之，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。

當前，無論是國家補貼，還是用戶使用，對于電動汽車的續航里程都有很大期待。要提高續航里程，可行方向包括提高電池的能量密度；然而為了提高電池的能量密度，就要提高電池的比能量，進而與動力電池的安全性存在一定的矛盾。

“既要長續航，又要高安全，這就成了新能源汽車發展面臨的一個非常大的挑戰。”楊世春指出。

強標將解決動力電池安全困局

動力電池熱失控會引發熱蔓延，導致整車起火，危及消費者及社會公共安全。產業發展，標準先行，建立完善且先進的標準體系可為提高動力電池安全性提供方向指導?，F有的標準體系能否為新能源汽車動力電池安全問題的解決提供支撐？

楊世春指出，我國動力電池標準雖然起步較晚，但發展快，目前標準內的測試覆蓋面已經非常廣。特別是今年5月12日，國家市場監督管理總局、國家標準化管理委員會批準發布了三項強制性國家標準——GB 18384-2020《電動汽車安全要求》、GB 38032-2020《電動客車安全要求》和GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》。

GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》在優化電池單體、模組安全要求的同時，重點強化了電池系統熱安全、機械安全、電氣安全以及功能安全要求，試驗項目涵蓋系統熱擴散、外部火燒、機械沖擊、模擬碰撞、濕熱循環、振動泡水、外部短路、過溫過充等。其中，特別增加了電池系統熱擴散試驗，要求電池單體發生熱失控后，電池系統在5分鐘內不起火不爆炸，為乘員預留安全逃生時間。

“強標實施后，將有效保障大批量電池生產制造的質量?！睏钍来罕硎尽?br>

離群分析可用于熱失控預警

與大批量對應的是偶發現象。受到檢測時長、成本等限制，某些缺陷電池雖然在進行產品檢測時并無異常，之后可能會發生小概率的熱失控事件。針對這種問題如何防范？

楊世春提出，基于全生命周期數據的離群分析可用于動力電池的熱失控預警。

舉例來看，某地一輛純電動汽車停泊時突然起火，起火前無異?；蚺鲎?，行車數據無直觀特征，經事故現場探查找到電池包內起火點。通過經典BMS采樣數據分析并無異常：最大電壓差約12mV，最大溫度差約3℃，無內阻突降，特征峰一致性較好。這意味著經典熱失控探查方法失效，無法實現安全預警。

“我們基于行車數據的信息梯度分析，發現靜置過程中17號總為電壓較低單體，同時，其電壓下降的速率也遠高于其他電池。因此，懷疑17號單體可能存在內短路導致持續電壓下降過快并低于其他電池。”楊世春繼續說道，離群分析可實現24小時前故障電池檢測，而后對事故當天的行車數據做特征提取與離群分析，尋找存在故障的電池單體，并對事故車做現場分析，“最終找到起火點為17號電池，與事故前10秒內電壓突降趨勢一致?！?br>

構建電池安全數字化解決方案

為構建高強度、輕量化、高安全、低成本、長壽命的動力電池及管理系統，楊世春提出了一種電池全生命周期管理系統的數字化解決方案，即構建基于數字孿生技術的云端管理技術平臺——賽博鏈（CHAIN），該方案著眼于電池的全生命周期演化，可提高電池狀態估計、故障診斷、熱失控預測等性能，將更準確地預測電池的安全性。

賽博鏈的核心思路是構建與物理電池系統映射的虛擬電池系統，從云端實現微觀演化與安全評價，反饋至物理實體管理策略更新，電池的物理實體和數字虛擬模型協同聯動，構建基于數字孿生技術的云端管理平臺，可提高電池狀態估計、故障診斷、熱失控預測等關鍵技術性能。

動力電池系統在數字孿生模型“信息感知”的基礎上演化出“反饋調解”能力，不僅能夠在賽博物理系統完成“數字孿生”和“數字主線”，還能更好地進行多源信息融合，大大提升賽博鏈架構的自適應性和集成能力，滿足電池系統精細化管理和未來能源互聯網構建的需求。

“基于賽博鏈，我們在做兩件事，一是動力電池安全性能的評估，希望找到更好的表征動力電池內部變化的參數，這個參數要具代表性，能更提前且準確地預測電池的安全性。二是希望利用賽博鏈系統，實現電池梯次利用的評估評價，完善動力電池回收、梯級利用和再資源化的全生命周期循環利用體系?！睏钍来鹤詈笳f道。

本文刊登于《產品安全與召回》2020年10月刊