电动车的锂电池不安全?这四个办法,让你远离危险!

2020-01-09 17:14:24

随着电动自行车新国标的实施,整车的重量受到了严格的限制,能量密度更高的锂离子电池被大规模地应用于电动自行车中。但是,电动两轮车市场上的锂离子电池质量参差不齐,且大部分门店导购和消费者都缺乏对锂离子电池的了解,由此可能会导致安全事故。这也是为什么近日某两轮车头部品牌,发文禁止其线下门店参与换电项目、囤放大量锂电池的原因。

那么,锂电池到底有什么安全隐患呢?首先要了解锂电池的工作原理。


电动车的锂电池不安全?这四个办法,让你远离危险!
 
一、锂离子电池的工作原理

锂离子电池以碳素材料为负极,以含锂的化合物为正极(根据正极化合物不同,常见的锂离子电池有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元锂等)。中间有一层膈膜,避免正负极短路。在充放电过程中,Li+在正负极间往返:充电时,锂离子从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极;放电时则相反。在锂离子的嵌入与脱嵌过程中,同时伴随着等当量的电子的嵌入和脱嵌,也就产生了电流。


二、电动车锂电池为什么会爆炸?
 
了解了锂电池的工作原理,也就能知道锂离子电池会爆炸的原因了,主要分为以下两点。
 
1、过充导致放出的锂过多,负极部位容量不足,充电时产生的锂就无法插入负极石墨的间层结构中,会在负极表面形成金属锂。时间一久,这些锂原子会由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过膈膜纸,使正负极短路。有时在短路发生前电池就先爆炸,这是因为在过充过程,电解液等材料会裂解产生气体,使得电池外壳或压力阀鼓涨破裂,让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应,进而爆炸。
 
2、充放电时,电流的限制也很有必要。电流过大时,锂离子来不及进入间层结构中,也会汇集在负极材料表面。这些锂离子获得电子后,会在材料表面产生锂原子结晶,这与过充一样,会造成危险性。
 
因此,一般在锂电池组内,除了锂电池芯外,都会有一片保护板,也就是我们常说的BMS(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM),中文名字叫电池管理系统。它能够监测锂电池的电压、电流和温度等信息,并根据锂电池的状态,在需要的时候进行干预。
 
不论是电动汽车还是电动自行车,锂电池事故已不再是新鲜事。在老国标时代,电动车行业已经有少量的锂电池应用,就已经发生了不少安全事故,其主要原因是锂电芯不稳定,PACK工艺不成熟,还有对锂电池知识匮乏导致的不良使用习惯等。随着新国标时代锂电池的用量激增,如果不采取一些措施,其事故概率可想而知。

三、锂电池安全措施
 
1、安全措施一:软件BMS保护板,远程安全监控
 
如今国内电芯制造水平还达不到日韩一致性精度,电芯本身就存在一定的安全隐患,如果仅仅搭配纯硬件BMS板做保护,这类电子部件都存在失效的概率,一旦BMS失效,则必定会发生安全事故。
 
解决方案是,加入远程数据传输模块,实现整车关键电气部件数据互联,其中就包括锂电池的充放电数据。通过总部的数据监控平台,预判电池失效模式,提前告知用户并快捷服务,将安全隐患消除在萌芽中。

电动车的锂电池不安全?这四个办法,让你远离危险!
 
2、安全措施二:改良结构,提升锂电池安全性
 
与电动汽车相比,电动自行车的锂电池使用环境更加恶劣。整车减震性能差;骑行路况复杂;整车经常被置于户外,电池也会直接暴露在外,经历风吹、日晒、雨淋。
 
解决方案是自主设计了全密封透气干燥防进水、防潮气结构,内部采用高导热系数硅胶填充,在提高内部电芯和BMS板抗震等级的同时,也进一步加强了防水、防潮性能。同时做到了电池内部各电芯之间实现均温目的,保障电芯一致性,进而提高整组电池的使用寿命。
 
3、安全措施三:双向握手识别电路,确保电池不乱用
 
市场上电动自行车基本都是直通式输出方案,给用户滥用电池提供了便利。如将锂电池用于铅酸车,即铅改锂销售;或用作试车宝,用于铅酸车试骑;还会出现维修人员用铅酸控制器或充电器替代出现故障的锂电车控制器和充电器。这些都是铅酸电池时代留下的不良习惯。锂电池一旦误用在铅酸车上,由于铅酸控制器存在EABS反充电,且与锂电欠压点不一致等均会给锂电池造成安全隐患。
 
解决方案是,在锂电池BMS板和控制器之间、在BMS板和充电器之前均增加了双向握手识别电路,只要不互相匹配,锂电池就会关闭充放电回路,不允许非法控制器放电、非法充电器充电,减少因外部因素导致的锂电池安全事故。
 
4、锂电安全措施四:PGR电机避免锂电池反充电
 
EABS反充电,对于铅酸电池是一个非常好的利益点,但对于锂电池来说,反而成为安全隐患点。
 
锂电池反充电有什么危害?前面我们已经介绍过锂电池的充电原理,即锂离子从正极脱出,经过膈膜和电解液迁移至负极多孔石墨的过程。如果锂离子迁移速度不够快、迁移数量太多,就会滞留在负极表面形成金属锂枝晶,累积到一定程度就会刺破膈膜发生短路爆炸。而影响充电过程中锂离子迁移的数量和速度的因素,主要是环境温度和充电电流大小。

电动车的锂电池不安全?这四个办法,让你远离危险!
 
虽然锂电车都取消了EABS功能,但在下坡滑行过程中,还是会出现反向充电电流:现有行业锂电电动自行车普遍采用低速轮毂直驱电机,该电机在骑行过程中是电动机,而在下坡高速滑行时,就成为了发电机。当电机转速超过额定转速时,反电动势电压就会高于电池电压,将能量反灌至电池中,整车下滑速度越快,其感应反电动势就越高,即反充电电流就会越大。
 
尤其是在新国标电动自行车最高限速25公里每小时情况下,在下坡路段滑行速度轻易就会超过最高车速25公里每小时,反充电电流极大,尤其是在寒冷的冬天,电解液的导电率下降,锂离子迁移速率降低,负极表面形成金属锂枝晶的概率就更大了,刺穿膈膜更容易发生,轻则出现电池容量急剧下降,寿命加速衰退,重则出现大面积短路发热,最终失控爆炸燃烧。

因此,在锂电车型上搭载了自主设计的PGR电机,带有离合器装置,滑行过程中,内部电机与外轮脱开,停止转动,即不会产生感应电动势,当然就不会出现反充电了。
 
通过深入剖析锂电池失效机理,通过以上多项技术改进,才能确保锂电安全可靠,才有可能让锂离子电池在电动自行车上普及开来,同时让用户使用时更加安心、可靠、麻烦少。

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