新能源車汽車的電池，是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)?？梢苑?個(gè)層面簡(jiǎn)單理解：
1. 電芯：正極材料、負(fù)極材料、電解液，構(gòu)成了電芯。
2. 電池包：數(shù)百至數(shù)千個(gè)電芯，組合起來(lái)成了電池包，俗稱Pack。
3. 系統(tǒng)：加上傳感器(眼睛與耳朵)測(cè)電壓、電流、溫度；用BMS(大腦)來(lái)思考決策；加上執(zhí)行器(手腳)來(lái)控制開(kāi)關(guān)，就成了系統(tǒng)。
自然而然地，電池系統(tǒng)的安全性也可從電芯、電池包、系統(tǒng)這3個(gè)層面來(lái)理解。
一、電芯層面的安全性
鋰離子電池的危險(xiǎn)性，主要體現(xiàn)在熱失控，俗稱失火。關(guān)于熱失控的分類與機(jī)理，@姚昌晟 曾有詳細(xì)論述：特斯拉自燃的幕后黑手——說(shuō)說(shuō)鋰電池?zé)崾Э亍?/p>
簡(jiǎn)單地說(shuō)，汽油再牛逼，燃燒也依賴氧氣；而鋰離子電池不一樣，封閉空間中既有還原劑又有氧化劑，不需要外界空氣就可以充分自燃 —— 燃燒，是鋰離子電池的固有癖好，我們必須阻止它。
或者，也許我們可以選用那些更為穩(wěn)定、不易燃燒的電芯？一般來(lái)說(shuō)：
· 磷酸鐵鋰(LFP)比三元鋰更穩(wěn)定。
· 在三元鋰中，鎳鈷錳酸鋰(NCM)比鎳鈷鋁酸鋰(NCA)更穩(wěn)定。
· 在NCM中，NCM622比NCM811更穩(wěn)定。
天不如人愿的是，能量密度越高的電池，越不穩(wěn)定。正如張無(wú)忌的媽媽所說(shuō)，漂亮的女人都更會(huì)騙人。
能量密度越高的電池，越不穩(wěn)定 [1]
若天意如此，我們只能盡力而為。在電池原理上未有突破的情況下，我們短期能做的就是盡可能地提高電芯穩(wěn)定性、安全性。
大牛博士馮旭寧，曾在他的博士論文[2]中概括過(guò)主要思路：
· 正極材料：對(duì)正極材料進(jìn)行摻雜和包覆[3]，或金屬原子替代的方式[4]來(lái)以提高正極材料的熱穩(wěn)定性。
· 負(fù)極材料：對(duì)負(fù)極材料進(jìn)行包覆[5]，或通過(guò)電解液添加劑提高負(fù)極SEI膜的穩(wěn)定性[6]。以及采用新型負(fù)極，如鈦酸鋰(Li4Ti5O12, LTO)負(fù)極[7]，合金負(fù)極[8]等材料提高負(fù)極的安全性能。
· 電解液：對(duì)于電解液采用阻燃添加劑，將液體電解質(zhì)換成固體聚合物電解質(zhì)，采用離子液體，電解質(zhì)鹽的替代等方式提高電解液熱安全特性，也可以通過(guò)在電解液中采用過(guò)充保護(hù)添加劑來(lái)提高電池抗過(guò)充的能力。
· 隔膜：采用高安全性隔膜，通過(guò)陶瓷包覆等手段，降低隔膜熱收縮率、提高隔膜崩潰溫度[9].
· 保護(hù)裝置：某電芯企業(yè)設(shè)計(jì)了針刺安全保護(hù)裝置(NSD, Nail Safety Device)與過(guò)充安全保護(hù)裝置(OSD, Overcharge Safety Device),來(lái)降低針刺與過(guò)充下熱失控的可能性。
總之，在電池往高能量密度前進(jìn)的道路上，如何提高電芯穩(wěn)定性、安全性，是一個(gè)涉及到材料學(xué)、電化學(xué)的問(wèn)題。對(duì)于一名汽車工程師來(lái)說(shuō)，透徹理解材料與電化學(xué)很困難，若您還是有興趣，推薦去看專家 @土豆泥 的文章，例如：土豆泥：如何評(píng)價(jià)法拉第未來(lái) FF91 的首輛預(yù)產(chǎn)車下線？。
二、PACK層面的安全性
如果說(shuō)電芯層面是在關(guān)注電池本身的特性，那么PACK層面則重在關(guān)注電池與環(huán)境的關(guān)系，包括加熱、擠壓、針刺、浸水、振動(dòng)等等。
PACK層面的安全性，主要由國(guó)家/國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保證。
· 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：如GB/T 31485-2015，GB/T 31467.3-2015，GB/T 31498-2015等。
· 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：國(guó)外相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)包括ISO 12405-2014，IEC 62133-2015, UL 2580-2010，SAE J1929-2011，JIS-C 8715-2-2012等。
· 核心：以GB/T 31485-2015，IEC 62133，SAE J2464為核心。
注：這些測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)不僅測(cè)了PACK，也測(cè)了單體。所以，上述“電芯層面”與“PACK層面”的分類僅是為了科普方便，并不嚴(yán)謹(jǐn)，也許以“電池特性”、“電池與環(huán)境的關(guān)系”劃分更好。
為了給大家一個(gè)直觀的印象，下表是各標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)簡(jiǎn)單對(duì)比：
為了滿足嚴(yán)苛的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，需要在機(jī)械與電氣方面做一些安全設(shè)計(jì)：
· 機(jī)械安全設(shè)計(jì)：防護(hù)結(jié)構(gòu)、防水設(shè)計(jì)、防呆設(shè)計(jì)、防火阻燃設(shè)計(jì)等。
· 電氣安全設(shè)計(jì)：接觸防護(hù)、外短路防護(hù)、過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)、高壓互鎖檢測(cè)、絕緣檢測(cè)等。
總體上來(lái)說(shuō)，在PACK層面的國(guó)標(biāo)挺全面、挺嚴(yán)格的，國(guó)內(nèi)的電池包，能過(guò)國(guó)標(biāo)測(cè)試的，都是英雄好漢。
然而，由于電池包并沒(méi)有年檢規(guī)定，三五年之后，老化的電池包是否還滿足國(guó)標(biāo)呢？那是另外一個(gè)故事了。
三、系統(tǒng)層面的安全性
電芯組成了電池包，雖然可以抗得住水火等各種嚴(yán)苛測(cè)試了，但它仍然是一個(gè)死物。
BMS，則賦予了它耳目(傳感器)、大腦(決策)、手腳(執(zhí)行器)，才能為新能源汽車提供功能。功能分兩大類：
· 本職功能：例如，輸出與接收能量(從而驅(qū)動(dòng)車輛行駛)，為是電池的基本功能。
· 監(jiān)控功能：例如，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T-27930在規(guī)定非車載充電時(shí)電池管理系統(tǒng)與充電機(jī)的通訊協(xié)議時(shí)，就設(shè)計(jì)了過(guò)流、過(guò)壓、通訊中斷等故障下的安全措施，實(shí)際上就是電池系統(tǒng)的一種安全監(jiān)控設(shè)計(jì)。
如果對(duì)自己、對(duì)充電樁的本職功能特別有信心，這些“非本職功能”可以不做，車也能充電、能行駛。當(dāng)然，沒(méi)有任何廠家會(huì)有這樣的盲目自信。
這些安全監(jiān)控功能做得是否充分、是否全面，就決定了電池系統(tǒng)應(yīng)對(duì)故障、將熱失控扼殺在搖籃之中的能力。因?yàn)闊崾Э爻３０l(fā)生在滿電、過(guò)充狀態(tài)下，所以特別關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是充電，已經(jīng)做成了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T-27930。
四、還有第4個(gè)層面嗎？—— ISO26262與功能安全
請(qǐng)大家思考一下，若電芯、PACK、系統(tǒng)3個(gè)層面都做到位，還有哪些可能導(dǎo)致熱失控呢？
· 不可抗力：惡劣的交通事故導(dǎo)致電池劇烈變形；新能源車駛?cè)氪蠡?；駛?cè)胨薪?個(gè)月；去街邊小店隨意拆卸……
· 老化：上文已提到，由于沒(méi)有年檢，所以有可能出廠時(shí)還是金剛葫蘆娃，三五年后就成了年邁的老爺爺了。
來(lái)想去，這應(yīng)該是最主要的兩個(gè)因素了吧。
然而，調(diào)查結(jié)果卻是大跌眼鏡：如今已經(jīng)2018年了，充電事故依然占據(jù)近1/3的比例，這還是國(guó)家專門針對(duì)充電環(huán)節(jié)制定了標(biāo)準(zhǔn)的情況下。
是無(wú)良廠家無(wú)視國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)嗎？并不是，大多數(shù)廠家是規(guī)規(guī)矩矩按照GB/T-27930來(lái)設(shè)計(jì)的。那為什么按標(biāo)準(zhǔn)做，還是會(huì)出事故呢？
原因很簡(jiǎn)單：任何硬件都可能會(huì)失效；任何軟件都是人寫(xiě)的，是人就可能犯錯(cuò)誤。具體來(lái)可能是：
· 系統(tǒng)架構(gòu)不合理 ：對(duì)外部系統(tǒng)有依賴、所設(shè)計(jì)的架構(gòu)開(kāi)發(fā)難度過(guò)高
· 可靠性未達(dá)標(biāo) ：硬件的可靠性未達(dá)到相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)格程度
· 開(kāi)發(fā)流程不合理 ：軟件開(kāi)發(fā)流程、開(kāi)發(fā)人員資質(zhì)、測(cè)試驗(yàn)證的獨(dú)立性
美國(guó)國(guó)家工程、耗材數(shù)十億美元哥倫比亞號(hào)都可能失事，更何況十幾萬(wàn)、幾十萬(wàn)一輛的汽車呢？
哥倫比亞號(hào)
針對(duì)此情況，航天領(lǐng)域的對(duì)策是： 不惜代價(jià)保證硬件的可靠性；不惜代價(jià)保證軟件的可靠性。
汽車也是復(fù)雜工程，與航天很相似，也有不同：
· 相似點(diǎn)在于：汽車也想提高硬件與軟件的可靠性。
· 不同點(diǎn)在于：汽車不能不惜代價(jià)。
不讓馬吃草，又想馬兒跑……
于是，汽車領(lǐng)域使用了略有不同的思路：
· 在成本可控的情況下，盡可能地提高可靠性。
· 若可靠性保證不了，則需要在故障發(fā)生時(shí)，保證人身安全(駕駛員、乘客與車外的人)。
這就是所謂的第4個(gè)層面：功能安全(function safety)。注意，功能安全并不是“保證功能是安全運(yùn)行的”，則是“在功能失效的情況下保證安全”。
為了方便大家理解，舉個(gè)例子。
大家都知道，“不踩油門但車子瘋狂加速”是一件很危險(xiǎn)的事情，大家評(píng)一評(píng)，下面兩種方案，哪種更適合汽車呢？
· 采用航空級(jí)的芯片，保證永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生“不踩油門但車子瘋狂加速”的情況。
· 采用汽車級(jí)的芯片，盡可能避免“不踩油門但車子瘋狂加速”的情況；并做診斷設(shè)計(jì)，保證一旦這種情況發(fā)生，立刻中斷動(dòng)力(譬如斷開(kāi)電池)并提示駕駛員靠邊行駛。
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34590，規(guī)定了功能安全工作的開(kāi)展方式。這是一個(gè)大話題，限于篇幅不再展開(kāi)。若有興趣，可以看 @木城 這個(gè)科普：知乎用戶：ISO26262 中 ASIL 與 DFMEA 有什么區(qū)別？
功能安全在國(guó)內(nèi)開(kāi)展的如何了？ 剛剛起步，穩(wěn)步進(jìn)步。
結(jié)語(yǔ)
個(gè)人淺見(jiàn)，電池的安全性，需要從電芯、PACK、系統(tǒng)、功能安全這4個(gè)層面去考察。
以一個(gè)比喻，作為本文的結(jié)尾：
· 在不出意外的情況下：電芯是細(xì)胞、PACK是骨骼、系統(tǒng)是神經(jīng)系統(tǒng)，這3個(gè)層面就構(gòu)成了完整的功能。
· 而凡事皆有意外：第4個(gè)層面的功能安全，則是善于反省來(lái)規(guī)避錯(cuò)誤、凡事都要有Plan B、危機(jī)情況果斷止損的思維習(xí)慣。
