由全球电动车起燃意外,来看锂电池组的安全性

若综观超过百年的全球车坛演进史,就能清楚理解,各项日后终究成熟且普及运用地的汽车科技,于实验开发测试阶段难免遇到挫折与瓶颈,这条路,以前如此,现在与未来也必不可免。

以当今全球车坛各车厂倾力开发的重要技术,除自动驾驶技术之外,另一个领域正是替代能源科技的发展,而作为完全取代石化燃料的「电动车」领域,当然是各家车厂的重要竞逐场域,任何产业新动向与意外事件也格外引起关注。

尤其,2016年8月份的电动车界相当不平静,在不到一週的时间,国内外连续传出两起火烧电动车的事件, 欧洲部分,则是美国电动车厂Tesla所属车款, 因为行驶时充电系统异常而造成起火,国内部分,则是自主开发电动车的台湾车厂Luxgen,旗下电动车在充电时造成火烧车意外。

儘管电动车的起火原因可能相当複杂,同时,一如前言所提的,新科技的研发运用难免会遭遇非预期的意外事故,并需要一连串系统工程端的除错,才能逐步让系统趋于稳定,因此,本篇并非着眼放大电动车意外事故的能见度,而是回归电动车系统结构面的专题报导,来为各位读者针对电动车安全性与电池系统稳定度,来探讨电动车起火的分析。

了解电动车的安全性,先从锂离子电池与电池组讲起

就纯电动车与採用传统内燃机动力的车款相比,最重要的差异点,当然是动力系统的迥然不同。内燃机的动力来源为引擎燃烧汽柴油,将燃烧热能转换成为驱动能,至于纯电动车,则以电力为能量来驱动电动马达,产生车辆移动的驱动能,而传统引擎车款的起火意外,绝大多数的源自引擎系统产生的「热源」,结合极易燃烧的「燃油」,另外,传统引擎车辆仍需要车用电池作为机电系统供电,因此,机电系统不稳定的产生电线走火,也是传统引擎车辆的起火源。

那幺,没有内燃机引擎的纯电动车,照理少了引擎热源与燃油这两项,应该大大降低起火意外的可能,那为什幺还是会有起火意外呢? 要谈论这个问题,就必须对电动车安全性有基础的了解,而首要大事,先得从锂离子电池与电池组讲起。

此次两款酿祸的车型分别为Tesla Model S 90D与 Lexgen EV MPV,两款车型都是使用18650卷绕式锂离子电池,并由数百甚至数千颗18650电池串併联组成电池组,作为车辆的动力来源。

    Tesla电动车所使用之电池组深入分析影片
广  告了解锂离子电池的特性,并掌握组成电池组后的关键技术

锂离子电池之所以能够脱颖而出,成为众多车厂开发电动车所用之动力来源,优点自然不胜枚举,包括开路电压高、能量密度高、续航力强,自放电低、使用寿命较长等等,但是锂离子电池要达成如此多的优点,内部的材料与製程就是关键。

下方影片为锂离子电池充放电原理,锂离子在充放电的过程看似简单,实际上则是会产生升温或是许多不可预期的化学变化。

    锂离子电池充放电原理说明影片

由于锂离子电池为了达到本专题前述之优点,其内部的材料及製程必然相当複杂,可能包括数种高分子化学材料或配方,所以特性难以掌握,因此各厂家对于电池的外部强度,及充放电的控管都必须相当要求,因此每一颗出厂的锂离子电池都会标明充放电的规格,以增加电池在使用上的安全性。

下方的影片为18650电池接受不正常供电的影片,从影片中可以发现电池爆炸时产生的威力。许多车厂通过紧密排列18650电池的方式组成电池组,以作为车辆的动力来源,因此每一颗电池的充放电监控都有其必要性,因为只要电池组内其中一颗电池异常,就会有摧毁整个电池组的可能性。

    18650电池不正常供电产生爆炸影片
广  告了解温度对于锂离子电池的影响

温度对锂离子电池性能影响也非常大,因为锂离子电池的充放电是锂离子经由电解液在电池的正负极嵌出嵌入的过程,而电极与电解液的活性与环境温度有关,这也是为什幺锂离子电池在工作温度上有所限制的原因。(一般锂离子电池工作温度为-20度到60度)

电池在充放电的过程中,势必会引发电池内部材料产生化学反应并释放出热量,因此各车厂都致力于车辆行驶或充电时电池组热交换的研究,以确保电池在使用上能够保持在正常的工作温度範围内,增加电池的充放电效率与使用的安全性。

下图为Tesla电动车所使用之电池组的热交换方式,图中散热水道会通过电池组内每一个电池,除了让电池能够保持在正常的工作温度外,更能确保每个电池在温度上的均匀性一致,使电池组的效率与安全性更佳。

反之,若电池组的散热不佳,使电池热量累积速度大于散热速度,温度就会逐步升高,进而不可收拾。这种电池自行加热,温度骤升的现象,称为热失控,将导致电池内不可逆反应的发生,甚至产生电池起火或是爆炸的风险,例如下方影片正是18650电池加热实验,藉此说明温度变化对于电池组的风险。

    18650电池的加热实验影片
广  告了解外力冲击对于电池安全性的影响

锂离子电池的内部为易燃的高分子材料,为确保其安全性,电池厂家都会在电池内设有精密的电路装置,以保护锂离子电池的充放电。而在外部方面也会使用高强度的外壳包覆电池材料与电路装置,下方影片为18650电池的拆解过程。

    18650电池保护装置拆解影片

但是当较大的外力,例如撞击、压碎,使异物穿入电池内部或破坏电路装置时,就可能会有电池内部瞬间局部短路的情况发生,进而造成电池升温或是产生爆炸的风险。因此许多厂家也都在致力研究如何保护锂离子电池组不受外力影响,又同时能兼顾到散热的设计。

    18650电池受外力破坏后,电池产生冒烟现象说明影片
广  告提升电动车效率与安全性的良方:BMS电池管理系统

这次的Tesla火烧车意外,所幸车内预先警示充电系统异常,而没有造成人员伤亡,得归功于目前的电动车在充放电方面都有BMS电池管理系统(Battery Management System )加以监控,其机制为侦测电池组内每一颗电池内的温度与电量,将资讯回馈给电脑,以达成行驶或是充电时的安全性。

良好的电池管理系统不只能够使电动车的安全性提升,甚至可以更有效率的使用电池组当中的电池,使电动车的效率更加提升,并延长电池组的使用寿命。因此电池管理系统的开发也成为各车厂努力的目标。

电动车时代的序幕即将揭开

早在19世纪许多科学家就开始着手研发电动车,甚至量产上市,但最终因燃油汽车的兴起而使电动车在市场上转为低调,而近年来因为严重的能源问题又使电动车在市场上东山再起。
电动车在具有零排放、低汙染的优点,而在性能上也逐渐追上燃油汽车的脚步,目前科学家与众多车厂还在寻找最佳的电池材料,或者设计更全面的电池管理系统,象徵着电动车在安全性及性能上还有相当大的进步空间。