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深评:起火频发 特斯拉电池策略可靠吗?
发布时间:2019-05-09 09:37:35
关键词:动力电池 锂电池

深评:起火频发 特斯拉电池策略可靠吗?


电车之“火”已有燎原之势,近日来特斯拉、蔚来、荣威和比亚迪等接二连三的起火事件,正在震动整个新能源汽车行业。这场引发用户对新能源汽车信任危机的事故背后,不仅仅是表面起火那么简单,更关键的“导火索”是车企对动力电池技术的策略选择。我们就以特斯拉为样本,来分析一下事故背后的深层次原因以及防范可能性。


60S快速了解核心论点:


1、此次特斯拉自燃事故主要问题在于电池的选择。特斯拉选用的三元锂电池,能量密度高且技术先进,但安全性争议较大。

2、上海车库自燃事件是特斯拉命运的一个缩影,这不仅仅是因为特斯拉在纯电动车EV领域累计交付数量最多,更主要是特斯拉的激进策略。

3、尽管马斯克曾表示固态电池“有一定前景”,但是距离技术成熟还需要时间,目前也不足以“改变特斯拉的战略”。


特斯拉起火事件回顾


特斯拉在上海车库自燃的一把火,想不“火”都难。因为这次起火的特殊性在于“三合一”:车处于静态非行驶状态+非充电状态+电池自燃,加上又有视频监控公开,顺便还点燃了旁边的奥迪等小伙伴们。紧跟着还不到24小时,西安蔚来授权服务中心的蔚来ES8也自燃一把(官方解释说底盘撞击导致电池包挤压变形),相当于又添了把柴火。


虽然特斯拉曾多次强调过自己获得“双五星”安全评级,但享受聚光灯的同时,特斯拉和马斯克也要忍受被人们用放大镜来观察其错误。毕竟新能源汽车还是新生事物,消费者对电池特性、起火原因和后果都缺乏清晰认知,也会有更多担心。


从2012年起,特斯拉开始大规模交付,但是车辆自燃,更确切来说电池起火,早已经不是新鲜事了,光是被公开报道出来的特斯拉电池起火就近50起。


特斯拉起火事件汇总
时间车型地点事故
2013年10月Model S美国西雅图底盘碰撞到金属物体,电池起火
2013年10月Model S墨西哥高速行驶时撞混凝土墙和树,电池起火
2013年11月Model S美国田纳西州底盘碰撞到拖车挂钩,电池起火
2013年11月Model S美国加州车库充电时起火
2014年2月Model S加拿大多伦多在私人车库起火
2016年1月Model S挪威在充电站充电时起火
2016年8月Model S法国试驾期间起火
2017年1月Model S中国合肥在地下车库自燃
2017年3月Model S中国上海使用充电桩充电时起火
2017年4月Model S美国纽约行驶中突然起火
2017年12月Model S美国被拖到维修店之后起火
2018年6月Model S美国洛杉矶行驶中突然起火
2018年12月Model S美国加州行驶中突然起火
2019年1月Model S中国重庆在地下车库突然起火
2019年2月Model X美国匹兹堡在车库突然起火
2019年3月Model S中国上海在超充站充电时起火
2019年3月Model S中国广州在小区地下停车场自燃
2019年4月21日Model S中国上海在小区地下停车场自燃
2019年5月3日Model S美国旧金山在私人车库自燃
制表:汽车之家行业评论员


以上事故列表排除了一些人为超速或酒驾撞车造成的自燃事故,比较令人庆幸的是,主责为特斯拉公司的自燃事件,还没有造成重大人员死亡事故,否则那更是大新闻了。


然而,本文想探讨的不仅仅是这件事本身。上海车库自燃事件是特斯拉命运的一个缩影,虽然看上去是偶发的,但从墨菲定律来看——如果坏事情有可能发生,不管这种可能性有多小,它总会发生。当然,大家知道让墨菲定律成立的前提有两个:1、大于零的概率;2、时间足够长。特斯拉不仅在纯电动领域交付数量多,而且对于电池技术方案的选择策略也很激进。


激进的电池技术策略是否靠得注?


现在电动车电池主流方案分为两大阵营,区分在于电池正极材料:一种是磷酸铁锂电池——能量密度有限、重量相对较高,但是具备价格更低、循环使用寿命更长以及耐高温更安全等特质;另外一种是三元锂电池,能量密度高且技术先进,但是安全性方面不如磷酸铁锂稳定。


如果说磷酸铁锂电池像乖乖女,那三元锂电池像辣妹:磷酸铁锂电池的储能最高仅150Wh/kg,而特斯拉采用的18650三元锂电池储能密度达到了250Wh/kg,最新采用的21700电池则超过了300Wh/kg,两者相差一倍之多。


由于磷酸铁锂电池的能量密度上限不高,制约了磷酸铁锂电池发展。在2016年之前,磷酸铁锂电池作为主要动力电池正极材料,产量和产能都迅速扩大,但在2016年之后,三元锂电池取代了磷酸铁锂电池成为了动力电池正极材料的主要发展方向。说白了就是磷酸铁锂电池由于天花板不够高过时了,三元锂电池流行当道。


特斯拉不仅是最早选用“辣妹”的企业,而且还是“穿着最大胆的辣妹”。为什么这么说?三元锂电池方案也被分为两大流派。一是国内常用的镍钴锰(NCM):按照三者含量不同,NCM材料可分为NCM111、NCM523、NCM622、NCM811等,其中后面的数字代表的就是三者的比例,高镍化能带来更高的能量密度,也就越不稳定。另外一大流派是特斯拉选用的镍钴铝(NCA),常见的配比为8:1.5:0.5,已经跟NCM体系中的高段位811有得一拼。


深评:起火频发 特斯拉电池策略可靠吗?


电池材料本身不够稳定,而且特斯拉又采用了大容量长续航的方案,一辆车的电池包集成了7000-9000余节18650型或21700型号电芯,每组电芯都有2个正负极触电,连接电芯的触电就多达14000-18000余个,可见监控难度之大。据公开资料显示,特斯拉采用的NCA三元锂电池热失控温度不超过200度,再加上三元材料在达到一定温度时,还会分解释放出极其活泼的初生态氧,即使没有外界氧气供应情况下,电池内部同样具备了燃烧三要素,这也是特斯拉起火后迅速蔓延而难以扑灭的原因所在。


虽然特斯拉在NCA选择策略上是激进的,但是到底整体电池方案是否安全,还需要考虑电池管理系统BMS(Battery Management System),如何避免电芯发热甚至燃烧造成的事故呢?有两点在电池管理系统设计上需重点考虑:


1、要隔离开发生热失控的电芯。当热失控发生,如果能够将发生问题的电芯或模组隔离开,就能够有效降低损失,避免自燃。设计方案包括表面连接汇流结构优化散热、下表面流道散热设计、电芯连接间隔面的隔热处理、以及电池包侧面布置半导体加热片的低温加热算法设计。这一系列设计保证了整个电池包有较为均匀的热状态,降低了热失控发生的风险。


2、电池状态的精确估计,有助于实时监测电池的充放电状态,避免过充放造成的热失控。通过状态估计与电池内短路模型的结合,可以有效识别是否发生了内短路,进而在热滥用发生之初,就对系统发出警告。


说实话,特斯拉在以上方面做过大量努力(拥有200多项相关专利),要说整个电池系统是否比燃油车的更容易自燃呢?马斯克的回应是:“每年有超过百万起燃油车自燃事件和数千人死亡,但是只要一辆特斯拉自燃并且没有人受伤,就会成为头条。为什么要双重标准呢?特斯拉和大多数电动车一样,自燃的可能性比燃油车低500%,为什么没人提起?”


深评:起火频发 特斯拉电池策略可靠吗?

马斯克在社交媒体上的回应


特斯拉事故被人们经常放大,这是事实。特斯拉在汽车行业内,一直是扮演着“小钢炮”式的角色——拥有一技之长,但整体素质有待提高。马斯克风格激进,敢于尝试新技术新方法。同时也有被动原因,在超百年积累的汽车行业,2012年才算量产交付的特斯拉确实手中牌不够多,无论是技术积淀还是资金积累都有限,只能在各种领域新技术探索中赌一条最优路线,迅速跑起来,不像其他汽车巨头们拥有更多试错成本。


整体而言,汽车的起火事件概率比发展了一百多年的油车概率要低,但接二连三的起火事故也说明新能源汽车技术仍有瑕疵,电池安全性还需加强。虽然顶着续航里程焦虑的压力,车企也不能把能量密度作为第一指标,而是要继续提高电芯、管理系统等方面的安全设计和测试验证。


未来电池技术路线改如何选?


特斯拉目前在电池领域总共拥有300件左右专利,但主要集中在电池系统、电池包和充电领域。而在材料方面专利较少,材料方面就赌NCA了,也没有太大精力和资源投入到其他方向,比如未来可能普及的固态电池和燃料电池。


马斯克曾表示固态电池“有一定前景”,不过距离技术成熟还需要时间,目前也不足以“改变特斯拉的战略”。但是用更长远的角度去看,动力电池对整车性能起着决定性的作用,在当前三元锂电池体系下,依靠高镍三元正极、硅碳负极和电解液的组合将在3-5年内达到性能极限(能量密度上限350Wh/kg),仍无法彻底满足动力电池对安全性、能量密度与成本的要求。


而固态电池除了在能量密度上具备优势(有望达500Wh/kg)之外,还更安全。全固态锂电池基于固态材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题,所以在避免热失控方面更有优势。丰田已经在固态电池领域拥有大量专利(252件,占比 13%,全球第一),同时计划在2030年前向电池领域投入研发资金130亿美元,2022年推出搭载全固态电池的电动车型,2025年实现量产。


同时,中国动力电池的领头企业——比亚迪和宁德时代,也在固态电池领域进行了布局。比亚迪2016年确定固态电池为发展方向,已经开始小规模尝试使用;2017年8月申请了一项全固态锂离子电池正极材料发明专利,在未来10年、最快5年内提供该类型产品。而宁德时代已经设计制作了容量325mAh的聚合物电芯。


所以,行业内的汽车公司们,到底是蒙眼跟着特斯拉专注三元锂电池路线,3-5年达到性能极限,还是早点跟随丰田重点研究新型电池材料——固态电池,甚至是更激进的燃料电池?这不仅仅是选择问题,更是生存问题。


稿件来源: 汽车之家
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