雷洪钧博士：动力电池智能安全保护系统的 基本原理及实例介绍
电动汽车推广应用规模越来越大，客户要求其续航里程与燃油汽车接近，如果采用到“刀片”电池技术，在车上能装更多电池，但是汽车是运客、运货的交通车辆，自然受到其整备质量符合法规的限制，不允许装质量太多动力电池。
比较可行的做法是，采用高比能量动力电池，如配备三元电池。接下来的困惑是，比能量高的电池，其热失效和热扩散机理越来越复杂，与低能量的动力相比，更存在安全隐患。
如何解决这错综复杂的矛盾呢？研发动力电池智能安全保护系统，确保动力电池系统在车辆使用周期内，符合法律、法规要求，确保乘客及车辆财产的安全的必然的要求。下面对动力电池智能安全保护系统的基本原理及实例介绍，供同行参考。
一、动力电池智能安全保护系统研发背景
由南京市人民政府、江苏省工业和信息化厅、中国国际贸易促进委员会机械行业分会、中国电工技术学会主办，南京市溧水区人民政府、北京中汽四方会展有限公司、南京中汽智行会展有限公司、南京空港会展投资管理有限公司共同承办，中国汽车工业咨询委员会、中国电动汽车百人会、中国汽车人才研究会、德国汽车工业协会等单位支持的“全球智慧出行大会暨中国（南京）国际新能源和智能网联汽车展览会”于2020年9月20日-22日在南京空港国际博览中心举行。中国工程院院士孙逢春介绍，2019年保有量约381万辆，事故涉及187辆，中国新能源汽车起火概率万分之0.49。
2020年9月20-22日，全球智慧出行大会（GIMC2020）上，由中国科协、海南省政府、科学技术部、工业和信息化部、国家市场监督管理总局联合主办的2020世界新能源汽车大会，于2020年9月27日至30日在海口市举办，应急管理部消防救援局副局长曹奇发言时介绍，据不完全统计，2019年全国发生新能源汽车火灾560余起，2020年前三季度已经达到700起，火灾车辆几乎涉及所有的新能源汽车品牌。
在新能源汽车起火事故中，动力电池事故起火占比70%以上。其中三元电池在动力电池事故起火占比86%。随着动力电池能量密度加大，火灾 破坏力也在成倍增加。截至今天三元电池还是被禁止用于电动客车，于是长途客车电动化还是遥遥无期，高比能量如622/811三元电池，用于电动乘用车被一而再、再而三推迟。
二、动力电池发生安全事故基本原因分析
动力电池，无论是充电还是放电，都是电化学变化过程。充电还是放电过程，都是一个发热过程，导致动力电池单体温度升高，长期高温环境必然导致动力电池内部的电解质、隔膜等材料性质变坏，进一步导致热失控和热扩散。如果环境出现异常变化，就一定会导致动力电池安全事故的发生。2019年中国新能源汽车起火概率万分之0.49，总体是安全的，但是一年却发生了700多起安全事故，其社会负面影响还是比较大的。
有专家指出，动力电池系统发生热失控安全事故对在建和拟建动力电池项目、投融资渠道等都会带来一定的负面影响。相关方不仅担心资产的损失，而且担心给周边设施带来安全风险，更担心造成人身安全事故，阻碍了整个储能产业可持续发展。
安全无小事，不拍一万，却怕万一。必须有万全之策，确保电动汽车的安全。在电动汽车续航里程还是短板的情况下，必须持续才用新的高比能量的电池，也是一个基本趋势，但是电动汽车安全性却越来越差，这绝对不允许的。
动力电池是一个高能量体，加上其充电还放电，是一个剧烈发热过程，随着车载动力容量越来越大，发热剧烈程度也是越来越高，如果没有科学预防措施，其安全隐患也是必然的。
基于以上论述，必须研发出动力电池智能安全保护系统，以适应动力电池比能量越来越高、车载动力容量越来越多、电动汽车续航里程越来越长的发展趋势。
三、动力电池智能安全保护系统研发的有关标准
国家立法制订新能源汽车及锂电池安全规范，对安全要求趋严趋紧。有关标准如下：
1）《电动汽车安全要求》（GB 18384-2020）5.2.2.3 REESS 热事件报警。
如果 REESS将要发生热失控的安全事件时，应通过一个明显的信号（例如∶声或光信号）装置向驾驶员提示。
2）《电动汽车用动力蓄电池安全要求》（GB 38031-2020）5.2.7 电池包或系统按照8.2.7进行热稳定性试验，镍氢电池包或系统除外。包括∶
a）按照8.2.7.1 进行外部火烧试验，应不爆炸；
b）按照8272进行热扩散乘员保护分析和验证。电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散，进而导致乘员舱发生危险之前5min，应提供一个热事件报警信号。
3）《电动客车动力锂电池电池箱火灾防控装置通用技术要求》中对电池热失控抑制要求最终目的是持续降温，抑制介质喷放后30min，要求电池箱内部温度不大于90℃。
4）《电动客车安全要求》（GB 38032-2020）4.4.6 异常报警要求
可充电储能系统在由于单个电池热失控引起热扩散，进而导致乘员舱发生危险之前5min，应提供一个热事件报警信号。
5）《机动车运行安全技术条件》（GB7258-2017）12.10 客车的特殊要求:
12.10.1 客车在设计和制造上应保证发动机排气不会进入客厢，
12.10.2 客车的灭火装置配置应符合 GB34655的规定。
12.10.3 车长大于或等于6m的纯电动客车、插电式混合动力客车，应能监测动力电池工作状态并在│【发现异常情形时报警，且报警后5 min 内电池箱外部不能起火爆炸。
12.10.4 安装有客舱固定灭火系统的公共汽车，其客舱固定灭火系统的性能应符合 GA1264的规定。
有关标准实施时间，如下表。
总之，车载动力电池系统安全性，必须满足的有关国家和行业标准，电动汽车安全才会有保障，电动汽车安全形势才明显好转。中国新能源汽车起火概率才会再降一个数量等级。
四、动力电池智能安全保护系统研发基本理念
动力电池智能安全保护系统基本要求必须满足国家和行业标准的规定。如何能满足上述标准要求呢？
主要目标：要保持电芯性能一致性持续稳定。
主要工作：选择好电芯、高标准进行电池包的组装生产和检测、成包后保护并“伺候”好电芯。
电池包壳体设计：
①采用强度钢制作，横纵向加强筋结构，御碰撞和挤压带来的冲击；
②电池包壳体内部边沿和四角设置缓冲区，受到严重碰撞冲击，外壳溃缩，确保电池不被伤及；
③内模组采用铝制中空外保护设计，矩阵式双框架电池舱结构，IP68等级的防水防尘；
④实时双ECU多层级监控，应急防爆泄压设计，确保了电池的安全。
电池包恒温热管理技术：
将电芯温度更加稳定地控制在高效、安全的温度区间。每个电芯模组内布置两个温度传感器，精确监测每个模组内部电芯温度，并通过BMS和BTMS精确管理所有电芯，电芯温差控制在±2℃，确保电芯温度均匀性。
具体措施：对电池工作温度、充放电深度、充放电倍率、内外部应力的实行智能数据监控。
五、动力电池智能安全保护系统研发原理
动力电池智能安全保护系统由三个子系统组成：
1) 锂电池智能热管理系统；
2）锂电池复合型火灾探测器
3）锂电池火灾抑制装置。
通过移动通信技术，可行实现云监控和管理。
电动客车锂离子动力电池（箱）火灾防控技术，采用国际首创的全氟己酮不导电液体，通过了应急管理部消防产品合格评定中心，消防产品技术认证，能满足极大容量电芯（271Ah）热失控的锂离子动力电池（箱）火灾抑制的需要，已应用于北京、上海、广州、杭州、天津等全国最有影响力的公交集团、氢燃料车企业以及宇通、比亚迪、金龙、中车等主流客车厂。
动力电池智能安全保护系统目前正与国内主流乘用车厂合作开发验证。
六、动力电池智能安全保护系统研发技术来源
1）哲弗智能系统（上海）有限公司 （别名：泽福智能）李飞董事长领导的哲弗热失控管理技术研究院；
2）哲弗热失控管理技术研究院与中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室合作成立了的火灾科学国家重点实验室新能源火灾消防试验基地；
3）哲弗热失控管理技术研究院与清华大学欧阳明高院士领衔的清华大学电池安全实验室合作建立的哲弗智能-清华大学电池燃烧安全测试基地。
七、动力电池智能安全保护系统技术先进性和商用性
该系统致力于解决动力锂离子电池寿命短、冬季续航里程低、热失控起火爆炸等全球新能源汽车动力电池安全的痛点问题。动力电池智能安全保护系统成功地把动力电池管理系统和热管理系统有机地融为一体了，其技术先进性和产品商用成熟性，第三方权威机构给出结论和评价：
1）液冷锂电池箱温控系统被科技部评定为达到国际先进水平；
2）气体（液态）锂电池箱灭火系统被科技部评定为达到国际先进水平；
3）新能源汽车动力总成全面安全智能管理系统科技部评定为达到国际先进水平；
4）工信部颁发的《科学技术成果登记证书》；
5）应急管理部为此颁发了《消防产品技术鉴定证书》。
八、总结
汽车电动化、推进加快、续航里程提升是一个明显趋势。采用高比能量动力电池也必然要求。消除动力电池的安全隐患是一个基本要求。研发动力电池智能安全保护系统也是长期的任务。
中国企业成功研发的动力电池智能安全保护系统，为中国新能源汽车发展做出新的贡献。中国的电动汽车一定会叫用户买得起、用得安心。
作者：雷洪钧博士