Ⅰ 总报告
新能源汽车安全与大数据的技术运用与展望
◎岳刚 唐琳 刘洋[1]
摘要:中国培育和发展新能源汽车产业是应对能源安全和环境治理挑战的重要举措。近年来,随着新能源汽车产销量迅速增长,新能源汽车在使用、运营过程中的安全问题逐渐显露出来,在社会民众对新能源汽车的接受度方面形成了一定的负面影响。本文结合我国新能源汽车发展背景,基于新能源汽车大数据网络平台收集的安全事故案例,分析了近期新能源汽车起火的事故原因,系统地对提升新能源汽车电池安全设计方法和灭火措施进行了梳理,并介绍了大数据网络平台在提升动力锂电池安全设计水平、预防和协助消防救援方面的作用。最后对新能源汽车安全提升方式、大数据网络平台发展进行了总结和展望。
关键词:新能源汽车 安全设计 大数据网络平台
一 引言
在全球气候变化和化石能源具有不可再生特征的大背景下,为探索道路交通可持续发展模式,各国车企均制定了新能源汽车发展战略,并相继出台了对传统燃油车替代的路线图,全世界对新能源汽车的关注和需求持续增长。但随着越来越多的新能源汽车在全球投入使用,新能源汽车交通事故也随之增加。由于动力锂电池在受到损伤后可能起火燃烧,并且其火灾存在有毒气体释放、事故灭火后复燃等特点,消费者对新能源汽车安全性持谨慎怀疑态度,给行业发展带来不利影响。传统汽车的安全风险也是在其上百年的发展过程中逐步被发现并解决的。因此,新能源汽车在发展中,也必然有类似的过程。新能源汽车要进行大面积普及,首先需要时间来缩小它与传统汽车安全性的差距,尤其是认识其核心部件如动力锂电池方面的风险特征。当前汽车领域新材料的运用、开发流程的完善、新能源汽车大数据网络的建立和不断更迭的网络分析技术正使新能源汽车的安全进化时间不断提前。
二 我国新能源汽车产业状况
(一)发展新能源汽车对改善国家能源结构与安全有着重要意义
《BP世界能源统计年鉴》的数据显示,2018年全球探明石油总量为1729.7亿桶,中国已探明石油储量仅有25.9亿桶,占总量的1.5%(见表1)。中国从2011年起大力支持汽车电动化开发,其目的在于改善能源结构,减少过度依赖一次能源,解决石油消耗引发的国家石油储备安全、环境污染、大量经济支出上的问题。在能源使用安全方面,2018年中国已超过美国成为世界第一大原油进口国,中国大量原油需要进口,对外依存度高达72%。在环境污染方面,2018年全球二氧化碳排放量达到331亿吨,中国二氧化碳排放量接近100亿吨,其中交通领域二氧化碳排放量占8%以上。其次,燃油汽车在使用过程中会产生大量的细颗粒物(PM2.5),PM2.5是环境的首要污染物,对居民身体健康危害极大。在经济方面,2019年中国原油进口量达到5.06亿吨,在进口石油上花费超过2000亿美元。如果中国新能源汽车得到大规模推广,并在2050年达到约3.5亿辆,可替代车用燃油消费量约2.5亿吨,可节约现在石油进口消费一半的经济支出。
表1 2018年探明石油储量
(二)中国成为全球备受关注的新能源汽车消费市场
多年来,我国从中央政府到地方政府制定了一系列扶持政策,支撑我国新能源汽车产业持续向上发展。据EV sales及公开数据整理,2013年中国新能源汽车销量仅1.8万辆,到2019年增至120.6万辆,占全球新能源汽车销售市场的54.6%(见图1)。在新能源汽车全球销量前十大厂商中,中国自有品牌共五席,合计占据全球31.7%的市场份额。中国新能源汽车保有量已达到381万辆,保有总量超过美欧国家。
图1 2013~2019年新能源汽车销量
资料来源:据EV sales及公开数据整理。
如今全球知名车企已纷纷开始布局中国新能源汽车市场,从零部件到整车,再到产品营销、产品使用和售后服务,以及出行市场。如松下、LG、三星已先行在华进行了动力电池产业投资;特斯拉在上海建成生产规模25万辆纯电动整车工厂;宝马、大众汽车分别联合长城、江淮开发电动汽车,与宁德时代、国轩电池企业开展紧密合作,并加入充电和出行服务行业。
(三)面对竞争压力,国内企业需要提升产品质量和安全水平
首先以特斯拉为代表的国外先进新能源汽车制造企业进入中国,它们具有较强的创新能力,现在已经形成明显的竞争优势;随着整车进口关税下调、合资股比放开,我国新能源汽车企业面临的外部竞争压力越来越大。另外,近年来国内部分企业在追求车辆动力电池高能量密度时,忽略产品安全设计;因缺乏设计考虑带来的车辆起火事故不断上升(见图2),给消费市场带来不利影响。面对当前困境,国内企业需要在把控产品质量安全、提升创新能力上下足功夫,一方面需要加大研发投入和攻关力度,在电池关键原材料、核心元器件、电控技术上有所突破,从根本上提高新能源汽车质量安全水平;另一方面需要充分利用车联网、人工智能、大数据、云计算等新一代技术工具,发展新能源汽车安全要素。
图2 2015~2019年媒体报道新能源汽车起火数量(不完全统计)
三 新能源汽车起火原因分析
新能源汽车燃烧事故与传统燃油汽车燃烧事故有明显差异。传统汽车燃烧事故通常是由车辆非正规改装、线路老化、纵火等造成的,而新能源汽车燃烧事故大多数是电池的热失控引发的,具有如下特征。
(1)燃烧事故发生场景多种多样,如车辆行驶、充电、停放、碰撞等情形下均有案例发生。
(2)电池热失控发生迅速且产生连锁反应,火势凶猛。
(3)常规灭火方式难以处理电池包燃烧。
(一)2019年新能源汽车安全事故统计
2019年国内外报道的新能源汽车起火事件多达76条(见表2),《新能源汽车国家监管平台大数据安全监管成果报告》(2019年5月至8月事故统计)显示,在现已查明的起火原因中,动力锂电池引发的起火事故占比58%。
表2 2019年新能源汽车安全事故统计清单
表2 2019年新能源汽车安全事故统计清单-续表1
表2 2019年新能源汽车安全事故统计清单-续表2
(二)事故场景分析
从事故场景统计来看,事故发生场景主要包括动力锂电池充电自燃、停放自燃、行驶自燃、碰撞自燃和浸泡自燃5种场景。根据近年来中国新能源汽车评价团队(CEVE)事故调查统计,停放自燃、行驶自燃和充电自燃所占的比例最高(见图3)。调查中有部分车辆在无事故预兆下出现自燃事故,说明相关生产厂商在设计过程中缺乏车辆起火自燃失效模式的考虑。
图3 近年新能源汽车起火事故场景分类占比
电池热失控是造成新能源汽车起火的主要原因,表3分析了各事故场景下动力锂电池热失控起火潜在过程。
表3 电池起火潜在过程
(三)动力锂电池热失控反应过程
新能源汽车动力锂电池电芯主要由电池外壳、正/负极、隔膜、电解液、正/负极极片构成。不同电池类型电池正极材料可分为钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、镍钴锰酸锂(LiNiMnCoO2或NMC)、镍钴铝酸锂(LiNiCoAlO2或称NCA)、磷酸铁锂(LiFePO4)和钛酸锂(Li4Ti5O12)。负极材料目前主要是石墨类材料,包括人造石墨、天然石墨。电池隔离膜结构为微孔性及多孔性薄膜,材质以PP、PE为主。电解液则主要采用LiPFs的乙烯碳酸脂(EC)、丙烯碳酸脂(PC)和低粘度二乙基碳酸脂(DEC)等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系,含有碳酸酯基成分的电解液具有闪点低、易挥发、高度易燃的特点。
电池热失控是指单体蓄电池放热连锁反应引起电池自温升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象。当锂电池内部或外部短路、电池过充、电池受热、外部机械故障等原因引起电池放热反应,如果产生的热量得不到有效释放,电池内的温度会持续升高,首先造成电芯负极SEI膜分解。负极SEI膜分解以后,裸露的负极材料于电解液中发生剧烈的还原分解,带来大量的可燃性气体和热量,进而正极材料发生分解反应。正极材料分解时会释放大量的热量,产生活性极高的氧原子,导致电解液直接氧化分解燃烧。
四 新能源汽车锂电池自燃起火的安全研究
为了预防和减少新能源汽车电池引起的燃烧事故,合理地设计流程、安全规范的要求是企业必须要具有的。通常在进行动力锂电池开发时,都会遵循可实践运用的开发流程和安全设计规范;车联网大数据分析技术的发展,也给汽车技术改进和安全运营提供了优化的可能。而在事故救援方面,具有新能源汽车监控与预警功能的大数据网络平台可以成为城市智慧消防体系的一部分,为事故救援赢得更多时间,挽救受灾人员的生命,减少财产损失。
(一)动力锂电池系统开发中的安全设计考虑
通常国内主流整车企业会运用到“V”字形流程进行整车和零部件开发。“V”字形流程的重要特点是:面向客户、效率高、质量预防意识强等,能帮助我们建立一套更可靠有效的、更具有可操作性的开发过程,保障产品性能质量与安全性。产品开发流程主要分为产品定义、产品开发和产品验证三个阶段。三个阶段的工作从产品定义到整车—系统—零部件目标分解,再从零部件—系统—整车目标逐一验证。图4展示了电池系统作为子系统的“V”字形开发流程。
在整个开发流程中,产品安全设计的意识始终贯穿其中。在概念设计阶段,整车和零部件安全目标来自法规标准、产品数据库案例、类似工程经验等。正式开发阶段,通常会运用到一些常规的分析方法来确定具体的安全设计目标和参数,如头脑风暴、故障分析法(FTA)、系统失效模式和后果分析(SFMEA)、设计失效模式和后果分析(DFMEA)、过程失效模式和后果分析(PFMEA)、仿真分析等。产品安全性最后在验证试验阶段得到最终评价,开发者视结果进行产品性能优化调整或进行投产。
图4 “V”字形开发流程
(二)动力锂电池安全设计要点概述
动力锂电池设计涉及电芯、箱体、电气部件、热管理、电池管理系统(BMS)及系统集成的开发,从安全设计角度可以分成机械防护安全、电气安全、功能安全和电化学安全这四个方面进行归纳(见图5)。
(1)机械防护安全设计的目的是防止电池包箱体和内部的结构件在各种机械载荷或外部破坏因素作用下发生重大变化,进而防止带电部件破损短路或电池单体受到挤压等情况造成的电池热失控事故。设计要点有:整车布置设计时,应结合整车碰撞安全设计一同考虑电池包有足够的离地间隙、碰撞间隙,避免高压接插件处于碰撞暴露状态,在电池包四周车身结构件设计吸能结构,可通过加装电池底部防护板、喷涂底盘装甲油漆等方式来减少底部球击/碎石冲击对电池包的危害;同时应考虑电池箱体结构强度和刚度、内部电池模组固定方式和强度、电池与整车连接强度;并进行相应的仿真测试。安全事故预防设计还包括箱体防水防尘、设置气压平衡/防爆阀、采用阻燃上盖材料、布置主动灭火装置等方面。最终产品需要通过电池系统和整车级安全测试验证。
图5 动力锂电池安全设计关注方向
(2)电气安全设计是为了保护产品使用安全,维护人员安全,避免人员受到电伤害,从国标GB 18384《新能源汽车安全要求》可知基本的设计要点有:一是直接接触防护,如绝缘设计、屏蔽防护(遮拦/外壳,IPXXB/IPXXD等);二是间接防护,包括等电位连接、电气隔离(电气间隙、爬电距离)等。此外电池系统中高压继电器、熔断器/安全开关、模组单体高压连接部件等应符合设计选型规范,考虑有一定熔断步骤和高压断开机制;从系统上对有必要的高压连接器的互锁(HVIL)、碰撞信号、高压继电器粘连信号、绝缘信号等进行监控。
(3)电池单体的安全性提升技术分为三个方向。一是通过电池单体材料技术的提升,包括通过热稳定的电极材料开发、阻燃电解液及添加剂开发和隔膜改性、正极温度系数元件开发等技术提高电池本身的安全性;二是对电池进行防护设计,如采用阻燃耐火材料、相变材料、防爆材料,设计泄压排烟通道等措施防止电池过热出现热失控连锁反应、火势蔓延、连锁爆炸等现象,减轻人员伤害,防止事故扩大;三是进行电池热管理系统设计,为单体电池创造舒适的运用环境,避免单体发生热失控事故。目前国内长安、吉利、上汽等新能源乘用车逐步开始采用水冷/热电池热管理系统,并关注空调热泵、正温度系数热敏材料(PTC)、快插水冷管路、导热等产品及计算流体力学(CFD)仿真和综合热管理台架的运用。
(4)电池系统功能安全主要是围绕电池管理系统(BMS)进行设计的。BMS功能安全设计主要目的是避免BMS系统电子/电气功能异常引发的危害而导致严重人身伤害事件(起火、爆炸、排气、电击)的风险。国内早期BMS产品考虑功能失效模式相对单一,主要实现电池的基本功能与安全保护。随着电池运行时间逐渐加长,电池老化、性能不一致性情况开始浮现,部分BMS厂家的能量管理算法未贴近电池实际状况,导致电池系统出现质量和安全问题。目前国内部分企业已经在防护电池过充、过放、温升保护、绝缘防护等安全控制方面做了积极探索和实际运用,随着国内外整车企业对功能安全要求加强和《电池管理系统功能安全要求与试验方法》推荐标准出台,越来越多的企业、科研机构会参与这方面的研究,推动国内新能源汽车电池管理系统向更加安全、可靠的方向发展。
(三)大数据运用提升动力锂电池安全性
汽车在驾驶过程中会产生海量运行数据,对这些数据进行采集、储存、分析、挖掘,成为当下新能源汽车行业一个研究方向。欧美国家对新能源汽车大数据运用案例以自分时租赁市场为主,对车辆进行了实时运行与安全监控;主要分析与预测车载电池组的状态参数,与用户共享停车位数量、充电桩数量、电池续驶里程等数据信息。我国于2017年根据工信部对新能源汽车安全生产和推广的相关规定,对新生产的全部新能源汽车安装车载终端,通过企业监测平台对整车及动力锂电池等关键系统运行状态和车辆安全事故进行监测。随着新能源汽车监控数据不断地累积,企业逐步将这些数据运用到研发领域和车辆安全预警研究方面。
1.基于大数据输入进行迭代设计
随着新能源汽车运行时间的推移,相关监控数据不断被累积和归类,这些数据可成为产品迭代设计持续不断的输入信息源。
通常开发人员会在产品生产之前建立模型进行提前仿真测试。图6展示了BMS迭代开发案例,图中实车采集数据被汇集到大数据网络平台,大数据库里内建的管理与分析工具对大数据参数进行整理分析,提取有效的数据信息并结合相关分析模型进行参数校准和模型迭代优化。在测试与验证阶段调用虚拟模型库中的模型完成模型在软硬件在环测试等验证工作,最终实现产品在新项目运用。对已经上市销售的车辆,基于各种不断更新大数据分析的结果,软件工程师可以对不同产品软件系统进行优化,并通过OTA进行升级,实现对客户的精准服务,提升整车产品质量安全和用户体验感。
图6 基于大数据输入的电池管理系统迭代开发案例
2.基于大数据的电池系统故障诊断与预测运维平台建设
中国汽研数据中心在2019年4月建成重庆市新能源汽车预警监测平台。截至2020年5月,平台已接入17万余条实时车辆数据,实现了整车及电池系统的故障诊断、安全预警、企业数据运维管理等服务内容。
通常新能源汽车预警监测平台收集的数据存在重复、遗漏、噪点等问题。首先,数据中心运用数据信息开发数据预处理技术提高数据质量,包括去重与补漏、插值与平滑、异常点剔除、数据降维等。基于电池组结构和电池的不一致性,提取关键性电学和热学特征,如电压偏差、温度异常、SOC下降、参数不一致性、相关系数、熵值等,并进行特征融合和特征降维。其次,数据中心开发数据驱动和基于模型的多故障诊断算法,实现电芯、传感器、电池连接、电池冷却系统等多种故障检测、故障分离甚至故障估计;并且利用大数据网络平台历史故障前或早期衰退信息等关键特征,建立大数据网络分析平台与多物理场耦合模型相结合的预测模型,以及运用机器学习算法弥补机理知识缺失的部分,用以实现对电池初始故障到完全失效的发展过程中的状态判断、运行状况预测以及剩余寿命预测。最后,数据中心通过大数据平台收集的电池运行信息、老化衰退信息和早期微弱故障信息,建立多源信息融合的电池运维信息分析体系,分析多故障耦合机制,依据故障诊断和故障预测判断的电池状态,对电池系统进行电池性能评估、故障相关性分析和危险性分析,做出基于规则的系统报警、容错控制、主动的视情维修计划等决策。数据中心通过建立多源信息融合的多层级电池运维管理体系,保证了电池系统安全、高效运行的性能。
(四)新能源汽车火灾事故灭火措施与大数据预警运用
对于新能源汽车着火的电池,普遍使用的灭火剂二氧化碳或干粉难以应对。这是由于电池热失控后有氧气从电池正极材料化学反应产生,形成自供氧。用此类灭火剂仅能暂时压制火焰,无法隔绝可燃气体和对电池组进行冷却,阻止其他电池受热复燃。因此救援时选用合适的灭火剂显得格外重要。本文总结了不同灭火剂对锂电池的灭火效果(见表4),具有高比热容和低粘度的水是较为常用的灭火剂。但是水的导电性会使其他完好电池发生短路,可能出现复燃。因此消防队常采用大量水灌入电池包内进行灭火,并反复对电池包进行冷却操作。
表4 不同灭火剂对锂电池灭火效果
另外锂电池燃烧时,会产生易燃/爆炸性气体和有毒烟雾,例如氢气、甲烷、一氧化碳和氟化氢等,可能会给相关人员带来危险。在新能源汽车停车场建设前应考虑(尤其是地下停车场或多层停车场),将充电站设置在入口、出口附近或其他通风良好的地方,最好有充足的用水来源,可以最大限度地减少火灾和有毒气体对人员带来的危害。本文总结了当前不同国家和地区新能源汽车消防操作规范,具体如下。
图7 基于新能源汽车大数据平台的城市智慧消防安全体系
(1)识别车辆信息;消防救援中心从报警电话获取车牌信息,查询了解车辆及电池信息,选择灭火器材。
(2)根据情况确定消防计划。
(3)首先保护现场人员安全。
(4)火势控制,进行灭火;确保事故车辆断电,在充电场地应关闭充电设施。
(5)灭火后,保持车辆原地不动。
(6)现场清理。因为电池包存在复燃可能,建议火灾后采取防控措施。
按新能源汽车消防操作规范,当新能源汽车火灾事故发生时,事故救援部门收到报警电话信息,需要及时分析车辆状况,组织针对性救援。结合到新能源汽车大数据网络平台具有实时采集车辆数据和分析功能,可以实现车辆与平台、平台与救援单位的互联互通。未来大数据网络平台有希望成为消防救援体系中的一部分。
图7是由车辆感知和远程监控模块、通信网络、新能源汽车预警监测平台、应急救援平台和消防、医疗救援机构构成的城市智慧消防安全体系。平台有如下功能和特点。
(1)拥有及时的车辆事故感知和上报功能。当新能源汽车启动运行时,整车控制器会下达各系统自检命令,包括BMS在内的各级控制系统会通过传感器自动检查各个系统安全状态,一旦发现安全事故或隐患,整车控制器接收下级信息后通过远程监控系统(T-Box)上报相关车辆信息和告警信息。
(2)可进行车辆事故隐患排查和监管。新能源汽车预警监测平台通过车辆历史信息归类整理、故障信息建模进行危险性分析,可做出基于规则的安全隐患预警,为车辆所有者或车辆监管单位提供维护信息通知,同时为政府或行业监管部门提供车辆防火监督信息。
(3)提供灭火救援指挥辅助决策。新能源汽车预警监测平台能够与城市消防救援体系无缝对接,从事故车辆发出火灾危险故障信号开始,大数据网络平台立即向消防数据平台发出车辆位置信息、故障零部件(如电池)类型和实时状态信息,便于应急管理部门及时制定救援方案,进行救援。
(4)提供科学翔实的事故溯源信息。新能源汽车预警监测平台可提供车辆火灾发生前后指定时间范围内隐患数据、充电数据、报警数据、灭火救援报警数据,配合消防部门进行火灾现场调查,为火灾溯源与调查提供翔实的、科学的信息支撑。
(5)消防知识宣传平台。新能源汽车大数据预警分析平台通过建立平台网站、开发App、开通微博与微信账号等手段,对车辆所属个人/单位进行社会化消防知识宣传,实现信息的双向与多向传播,提升消防知识的传播和互动能力;并通过大数据的汇集和第三方权威平台的支撑,实时收集公众热点话题,进行舆论引导,为大众提供贴近实际需要的汽车消防服务。
(6)新能源汽车资讯服务平台。新能源汽车预警监测平台结合车辆运行数据、维修记录、事故等信息可与保险公司开展车辆风险评估、费率计算、灾害理赔等服务,为二手车交易商及退役电池梯次利用和资源回收单位提供残余价值讯息,为新能源产业相关单位提供行业咨询服务。
五 总结与展望
新能源汽车产业在我国正在飞速发展,动力电池安全问题不可小觑。按新能源汽车技术路线图,锂离子电池在一段时间内仍然是最常见的能量存储装置。可以通过改良电池化学材料、采用新技术、优化产品设计使锂电池保持安全合适的电压和温度范围内。大数据监控与预警平台的出现,给新能源汽车使用者增添了安全信心,为产品开发者提供了产品改进的思路和方法。车联网和大数据、云计算是当前行业关注的焦点,被赋予了帮助汽车行业转型发展的希望。但实际上文中所涉及的新能源汽车大数据网络平台也面临一些实际问题困扰,我们对问题进行了下列讨论和建议,探索新能源大数据网络平台发展之路。
当前新能源汽车平台大数据存在模型和算法单一、计算精度不足的情况,这是由于上报数据稀疏、残缺,不支撑分析模型建立或运算。例如,现行《电动汽车远程服务与管理系统技术规范标准》规定的最低上报间隔为30秒,上报间隔时间较长,平台无法捕捉动力电池等零部件关键参数的迅速变化,影响了模型计算精度。为了有效实施新能源汽车安全管控,需制定专门的数据接入标准,通过数据全面反映动力锂电池安全特性。并且在新能源汽车补贴取消的情况下,需要有相应的政策法规保障车企继续向车辆安全监管平台传输数据。
在新能源汽车数据采集合法性上,当前对于信息安全收集方面没有立法保护,存在租赁、金融贷款车辆用户毁坏新能源汽车车载远程终端设备状况,仅仅以企业或者单位的管控力度较小。建议相关部门出台公共采集车辆信息标准法规,可将特殊新能源车辆装配远程装置的要求纳入交通管理法规,对个人或特定单位车辆的采集方式设置公共采集区域,定时、定内容地进行采集,建议建立新能源汽车定期检验、排查制度,增强车辆运行安全。
另外,行业现阶段需要增加基础设施和产业人员投入。基础设施和人员配备是大数据时代的海量数据汇集、传达、存储和应用的关键。我国新能源汽车领域数据网络平台基础设施建设主要为国家、地方、科研单位提供支撑,有待建设一条完整的产业链。产业链包括数据采集商、数据储存商、分析和挖掘商,以及应用企业等,其中企业往往只有应用能力,缺乏数据采集、存储、分析与挖掘大数据的能力。而数据采集、存储分析等前段服务商还处于行业探索阶段,基础设施不健全、缺乏技术人员是普遍问题,需要政府进行相关扶持。
新能源汽车大数据网络平台目前面对的客户群较为单一,产业融合是解决当前汽车产业发展困境的一条出路。与金融保险、政府、批发贸易、信息服务等各领域开展合作,挖掘商业模式将是平台持续发展的路径。
参考文献
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[1] 岳刚,中国汽车工程研究院股份有限公司新能源汽车技术工程师,主要研究方向为新能源汽车动力电池系统设计;唐琳,中国汽车工程研究院股份有限公司咨询工程师,主要研究方向为新能源汽车大数据分析;刘洋,中国汽车工程研究院股份有限公司高级咨询工程师,主要研究方向为新能源汽车产业研究。