揭秘新能源汽车几个冷门的小知识

1、新能源车电安全引人担忧

近年来伴随新能源车市场的火爆， 社会 上已发生多起新能源车起火事故，电池安全渐渐成为了新能源电动 汽车 最重要的议题之一，也是各方关注的焦点。新能源 汽车 国家大数据联盟在2019年08月发布的《新能源 汽车 国家监管平台大数据安全监管成果报告》显示：2019年5月起3个月之内共发现79起安全事故，涉及96台车，情况很严重。已查明着火原因主要是电池自燃、车辆碰撞、车辆浸水、车辆不合理使用问题，它们导致了锂离子热失控。事故车辆中磷酸铁锂电池占比7%左右、三元锂离电池占比86%左右，剩余车辆电池不明。

图1 电动 汽车 起火相关案例

基于此，针对电动 汽车 的法规升级越加频繁，要求也越来越高。国标GB30381-2020《电动 汽车 用动力蓄电池安全要求》加入了电池热失控预警要求，要求车辆在热失控导致乘员舱发生危险前5min发出提示信息提示人员安全撤离，对热失控的检测以及蔓延抑制提出了紧迫而具体的要求。C-NCAP在2021年也引入了柱碰测试法规，国外机构Tesla、三洋、三星等在2014年前就电池热失控领域开展了大量研究，Tesla已申请60多份相关专利；国内机构如CATL、清华大学近几年均成立专门的技术团队研究电池安全特性；以清华大学为例，其热失控方面部分研究成果已用于宝马、戴姆勒、三星、长安、CATL等合作项目。

图2 电动 汽车 中涉及电池安全的相关标准

由于法规的升级和树立 汽车 品牌形象需要，目前国内越来越多的主机厂生产的新能源电动车也开始考虑了绝缘安全防护，如基本绝缘、外壳防护、漏电监测、手动断开等安全防护措施；除此之外，在新能源 汽车 安全开发过程中，GB 以及NCAP 工况只是基本的考核要求，为实现真正的新能源 汽车 的安全性，减小消费者对新能源车不安全的误区，我们需考虑更多的实际交通道路事故中所出现的碰撞工况，在所有测试工况下避免高压电防护失效导致的高压伤害。

图3 新能源车型电安全开发考核工况

2、动力电池简介

从系统的角度来说，电池分为化学电池、物理电池和生物电池三大类。对于我们比较熟悉的化学电池，则是按正负极材料进行分类，有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等车辆比较常用的动力电池。铅酸电池技术成熟、价格便宜，但其污染严重，比能量低，一般应用于大型不间断供电电源以及电动自行车；镍氢电池安全性高、耐过充过放性能好，但其比能量低、低温性能差、自放电率高，一般应用于混合电动 汽车 以及电动工具；锂离子电池相比以上2种电池具有比能量高、循环寿命长、充电功率范围宽、倍率放电性能好、污染小等优良特性，现今被电动 汽车 广泛采用，也是现今国网力推的一种电动 汽车 充电电池类型。

图4 电池分类

市场上常见的锂离子电池基本分为4类，其中磷酸铁锂电池的热稳定性最好，锰酸锂电池次优，三元锂LiNiCoMnO2电池略差，而钴酸锂电池最差。磷酸铁锂电池循环寿命长、毒副作用小、成本低廉、充放电倍率大、高温稳定性好，但一致性不好，能量密度低。锰酸锂电池成本低，毒害性较低，但热稳定性差，循环寿命短，应用较少。三元锂（LiMn2O4）电池能量密度高，但大功率充放电后温度升高，高温时释放氧气，热稳定性较差，寿命较短。钴酸锂电池热稳定性最差，它的正极在高温时容易分解，加速热失控，但能量密度高，续航更出色，特斯拉 汽车 采用了这种电池。

图5 主流锂离子电池性能比较

这些种类的锂离子电池最大的区别就是正极材料的不同, 实际上正极材料是影响锂离子电池性能和成本的关键因素，目前国内新能源 汽车 动力电池应用最多的是磷酸铁锂电池和三元锂电池。

图6 磷酸铁锂刀片电池

图7 三元锂硬壳电池

图8 一般动力电池包结构形式

3、电池存在的安全风险

各种电池起火的共性原因是电池热失控，隐患总体可以分为三大类，一类是环境高温，引起电池正负极的剧烈反应，反应会向可燃的电解液中释放大量的能量，并析出氧气，导致电池膨胀、过热甚至失火；一类则是外部的物理性破坏，导致电池隔膜贯穿，正负极直接接触使得电池内短路，短时间内释放大量电能（可转换成热能），导致电池热失控；最后一类则是电池过充、过放导致的内部结构损坏，从而引发电池的热失控。

热失控(Thermal runaway)是指由于锂离子液态电池在外部高温、内部短路，电池包进水或者电池在大电流充放电各种外部和内部诱因的作用下，导致电池内部的正、负极自身发热，或者直接短路，触发“热引发”，热量无法扩散，温度逐步上升，电池中负极表面的SEI(Solid Electrolyte Interface)膜、电解液、正负极等在高温下发生一系列热失控反应(热分解) 。直到某一温度点，温度和内部压力急剧增加，电池的能量在瞬间转换成热能，形成单个电池燃烧或爆炸。引起单个电池热失控的因素很多、很复杂，但电流过大或温度过高导致的热失控占多数，下面重点介绍这种热失控的机理。

以锂离子电池为例，温度达到90 时，负极表面SEI膜开始分解。温度再次升高后，正负极之间的隔膜（PP或PE）遇高温收缩分解，正、负极直接接触，短路引起大量的热量和火花，导致温度进一步升高。热失控时，230 250 的高温导致电解液几乎完全蒸发、分解了。它含有大量易燃、易爆的有机溶剂，逐步受到热失控的影响，最终分解发生燃烧，是热失控的重要原因。电解液在燃烧同时，产生一氧化碳等有毒气体，也是重大的安全隐患。电解液如果泄漏，在外部空气中形成比重较大的蒸汽，容易在较低位置大范围扩散，这种扩散范围极易遇火源引起安全事故。清华大学的研究显示：正极中含镍越多则热稳定性越差，碳素材料的负极在寿命的前期较稳定，但是寿命衰减后变差。这从侧面说明三元锂电池的高镍比例，虽然容量更大，但会导致更大的热失控风险。

图9 热失控随温度的变化过程

4、应对电池可能存在的电池安全风险

应对电池可能存在的电池安全风险，可以从四个层级、七个维度来考虑电池的安全，四个层级指电芯、模组、电池包、整车，七个维度包括可靠连接、高压防护、机械挤压、过充、布置形式、短路和热失控，在每个维度跟层级都有对应的防护措施，全方位有效的保护电池安全。

新能源 汽车 发生冒烟起火的场景一般为车辆静置时充放电和车辆行驶中发生碰撞，下面我们基于锂离子动力电池在机械挤压这个维度来讲解下目前开展的一般研究方法，探究整车碰撞中电池包的受力形态与损伤（失效、起火、爆炸）机理。

本研究从卷芯到单体到模组再到电池包共4个层级，每个层级的研究又分为试验和仿真两个方面，通过不同加载方向、不同加载速度的试验来研究卷芯、单体和模组的各向异性和应变率效应，以及加载方向和加载速度的不同给动力电池变形行为和失效行为带来的影响，全面认识动力电池在不同载荷工况下的响应规律和内在失效机理；借助对试验结果的认知，开发能够表征其应变率效应、各向异性和失效行为的卷芯模型，并以卷芯模型为基础，逐级向上开发兼顾仿真精度和计算效率的电池单体模型和模组模型，以试验结果为参考对各仿真模型的仿真精度进行验证，为电动 汽车 电池包碰撞安全保护的开发提供虚拟仿真工具。

图10 研究总体框架

1）卷芯层级研究

卷芯是组成单体进而构成模组的基础，也是电池包里面最基本的电化学单元，了解卷芯的力学性能，及其力学失效和电化学失效之间的联系，有助于深入认识电池包在碰撞挤压载荷下的响应规律和失效机理。锂离子电池的正极材料通常以铝质集流体为基底，涂布钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）和磷酸铁锂（LiFePO4）等锂离子活性物质。负极材料通常以铜质集流体为基底，涂布石墨或硅层。而隔膜则常为由聚乙烯或聚丙烯等材料制成的多孔薄膜。通过对卷芯中的正极复合体、铝箔、隔膜、负极复合体、铜箔等进行拉伸、压缩、穿孔试验，得到相应材料的材料卡片，为卷芯的精细化建模搭好基础。

图11 卷芯组分研究流程图 研究总体框架

2）单体层级研究

电池单体是向下集成卷芯、向上构成模组的结构，每一个单体都是一个可以独立工作的电化学集合体。目前车用锂离子动力电池单体，通常采用卷绕或叠片式卷芯（交替布置的正负电极和电极间的隔膜）和液态电解质，用金属外壳封装成圆柱形（a）或方形硬壳电池（b），或用镀金属塑料膜封装为软包电池（c）单体层级研究。

图12 (a) 圆柱形硬壳电池单体 (b) 方形硬壳电池单体

(c) 软包电池单体

为了全面了解电池单体在碰撞挤压载荷下的响应规律和失效机理，研究同样对单体进行了不同加载方向和不同加载速度的挤压试验。

图13 （a）Z向圆柱挤压 (b) Y向圆柱挤压 (c) X向圆柱挤压

(d) Z向球头挤压 (e) Z向锥面挤压

通过实验，可以得到对应的力-位移-电压曲线，结合对样件电镜扫描结果，来研究响应规律和失效机理，和建立了单体的有限元模型。

图14 某工况下单体力-位移-电压曲线

对于电池单体，我们通过多种方向和多种不同的加载速度的组合试验对其力电响应进行了测试，可以发现，单体也有着明显的各向异性和应变率效应。其次，单体的短路行为也具有明显的各向异性，相比于Y向和X向，Z向是单体最容易发生短路失效的挤压方向。借助对试验结果的认知，开发能够表征其应变率效应、各向异性和失效行为且兼顾仿真精度和计算效率的单体模型。

图15 单体有限元模型

3）模组层级研究

模组是将一个以上电池单体按照串联、并联或串并联方式组合，并作为电源使用的组合体。其研究方法与单体基本一致，但由于其结构比单体更加复杂多元，研究中需要考虑多种失效形式，包括单体之间的粘胶，壳体撕裂，端板断裂的现象。

图16 模组测试系统

图17 模组试验形式及样件变形情况

通过研究发现，相比单体内短路（卷芯断裂）压降失效而言，模组试验中更多的是由于结构失稳或外部侵入而发生的外短路；由于蓝膜、胶层和铝合金在冲击下韧性明显下降，更易发生失效破坏，而这些失效形式是导致模组发生外短路的关键因素，进而使得模组压降对应的力和位移的响应在准静态和存在较大差异。

图18 某工况下单体力-位移-电压曲线

通过模组多工况试验标定，建立模组有限元模型。

图19 模组有限元模型

4）电池包层级研究

通过对锂离子从卷芯到单体到模组的研究，对电池本身具备充分的了解，包括电池在冲击下的变形和失效规律，内部损伤发生的历程和机理，在发生严重损伤前所能承受的载荷、变形、能量等的最大限度，以及损伤发生过程中机电热的相互耦合和作用关系等。基于仿真模型，便可以开展多工况下电池包层级的研究与对标工作。

图20 电池包系统多工况研究

在新能源 汽车 安全开发过程中，电池包作为更加复杂的系统，不同的试验工况下，会有多种不同的失效形式，其产生的原因和所造成的危害也不尽相同。

图21 常见的动力电池失效形式

5、结语

锂离子电池凭借其能量密度大、循环寿命长、充电效率高等优点，被广泛应用于纯电动或混合动力 汽车 的储能系统。然而，锂离子电池在能量密度迅速增长的同时，对于整车的安全性设计又提出了新的挑战。特别是在经受复杂且严峻的碰撞工况时，为最大程度地发挥电池系统防护结构的作用，最大限度地在碰撞防护和轻量化设计之间寻求平衡，必须首先深入研究锂离子电池的机械性质和碰撞安全性，不但能够对新能源车辆设计和制造提出指导性的建议，也有利于新能源车辆的后期维护和事故处理等工作的进行。

为解决电池单体在机械加载下的力学响应与损伤行为预测问题，开发预测电池包力学响应和失效行为的工具，最终服务于电动 汽车 碰撞安全设计，第一阶段针对典型的车用动力电池开展了从卷芯到单体再到模组共三个层次，逐步深入的研究。每个层次的研究又分为试验和仿真两个方面，通过不同加载方向、不同加载速度的试验来研究卷芯、单体和模组的各向异性和应变率效应，以及加载方向和加载速度的不同给动力电池变形行为和失效行为带来的影响，全面认识动力电池在不同载荷工况下的响应规律和内在失效机理；借助对试验结果的认知，开发能够表征其应变率效应、各向异性和失效行为的卷芯模型，并以卷芯模型为基础，逐级向上开发兼顾仿真精度和计算效率的电池单体模型和模组模型，以试验结果为参考对各仿真模型的仿真精度进行验证，为电动 汽车 电池包碰撞安全保护的开发提供虚拟仿真工具。

纯电动汽车算新能源车，新能源是广义的非常规可再生能源，不同于煤炭、石油、天然气等常规的不可再生能源。科技部主办的中国科普网将新能源定义为通过光、风、水、地热能、生物质能、海洋能、核能等新方式获得的能源。，而这些物质本身是不能作为动能转发的，它们有一个共同点，就是转化为电能后可以作为能量使用。

因此，新能源可以理解为通过一种新的方式，从自然界中可获得的无限能量中创造出电能。所以可以定义为新能源从消耗常规能源到使用新电能的转变。而同一项同时消耗两种能源，应该有不同的定义，于是就有了燃油汽车和新能源汽车的分类。

电动汽车的核心是储能电池，在汽车上称为动力电池，但不管怎么叫，其核心功能是储电；汽车使用多年后，这些电池的容量会下降，内阻会增大。在严重情况下，这些电池不适合用作动力电池。但这些电池适合做新能源发电行业的储能电池，循环从此形成。这些电池不断补充储能，容量的增加并不限制发电量的增长。所以新能源和电动汽车是相辅相成的，只有电动汽车充分普及，形成有效循环，才能共同发展。

但从消费者的角度来看，短期内电动车很难成为首选。动力电池制造成本高导致电动汽车价格结构整体偏高，在价格与燃油汽车持平之前，很难激发消费者的积极性。短期(过渡期)只能寄希望于混合动力汽车的模式逐渐丰富，或者动力电池能像摩尔定律一样快速发展。现如今社会也倡导新能源汽车，这样可以减少固定资源的消耗，开创新的能源，还是比较不错的，希望大家也可以加强对新能源的关注。

所谓新能源，是对已成熟的常规能源而言的。一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，即传统能源之外的各种能源形式。新能源十分多种多样，风能，水能，太阳能，核能等都是新能源。而这一次我们要介绍的，是一种十分新兴的能源，叫做“可燃冰”。“可燃冰”的名字使人一听就感到一头雾水，冰怎么可能燃烧？原来，“可燃冰”并不是真正的冰，将可燃冰中形象地加入“冰”一字是由于它外形惊似晶莹剔透的白色固体物质。而“可燃冰”的实质是一种可燃气体 ——甲烷，所以又被称为甲烷水合物。

早在1965年，就有苏联科学家曾发表论文叙述预言过海洋底部的地层表中可能存在的“可燃冰”。20世纪60年代以来，人们在北极的海洋深处发现了大量的这种曾被估测过的“可燃冰”。当将这种“冰”从海底捞出来时，它很快就会成为冒着气泡的泥水，而奇异的是这些附着在“可燃冰”上的气泡居然都能被点燃。甲烷可以像固体酒精一样被点燃，这是“可燃冰”化学成分的一大特点。

然而，可燃冰的形成并不是轻易而简单的，需要等到一种特定的环境在能被酿造。在这种特殊环境下，温度、压力和原料是三个必不可少的决定因素。首先，温度不能过高（高于20摄氏度），否则“可燃冰”会因为受热分解而烟消云散。但是因为海底温度的常态就是处于2～4摄氏度之间，所以这一因素在深海区域基本可以忽略不考虑。第二个因素就是一定的高压（30个大气压），现在普遍认为压力越大，“可燃冰”就越不容易分解。这个因素在海底也是迎刃而解，即以深海的深度这种高压随处都是。最后一点便是需要一定埋藏在海底泥沙中的掉下来的生物遗体，来经过细菌的分解后产生足量的甲烷气体作为“可燃冰”形成的原料。这一点也不难再深海中轻而易举地找到答案——海底积累起来的残骸简直比陆地上多得多！所以，这种“困难环境”是针对于陆地的，海底却是“可燃冰”最好的制造厂。

可燃冰同时也是一种节能且环保的能源。现代汽车大多数是用石油来发动的，但一旦将石油该换为可燃冰，会比之前节能且环保许多。所以说这也是可燃冰的一大好处。

可燃冰产生于深海底，以前人们对于它的重视度并不够大，导致我们对它的认识也很少，直到近几年，人们逐渐发现可燃冰的储量十分的多，在深海储存的可燃冰可达全世界天然气总储量的2倍，美国、中国、日本发达国家才纷纷投入巨资来勘探调查，至今在海底发现了116处含有“可燃冰”的所在地。如果海底智慧生物真的存在，那么这种能源的存在几乎可以用“宝库”来描述，他们可采用的能源要远远比人类可以用到的多。

但不管是什么能源，都不是取之不尽用之不竭的。我们需要的是爱护和节省，用行动来为未来创造出一片蓝天！

对于消费者来说，究竟是要购买电动车还是燃油车，更加摇摆不定。今天就和大家一起来聊一聊传统燃油车和电动车的优势、劣势。

| 电动车的优势

第一：不限行

不限号，这也许是很多产生购买电动车想法的第一影响因子。特别在某些地区秋季末开始单双号限行，其他时间尾号轮换，算下来燃油车有半年时间开不了，这时电动车的优势体现出来了，不限行！

第二：使用成本降低

举个例子，特斯拉model3的百公里耗电量为17度左右，快充的电价比较高，按1.8元计算，那么百公里就需要大约30元，而普通的充电桩充电的话，大约百公里20元。如果自己安装充电桩，民用电便宜一大半，那么百公里耗电大约9元，一公里不到1毛钱。

而同样价格、级别的燃油车成本就不止这些了，以奥迪A4L为例，百公里油耗大约为9升，按照95号汽油平均9元计算，百公里需要81元，所以差距一目了然，用电要比烧油省很多钱。

第三：政策支持

目前国家对于购买新能车给予很大支持，在购买新能源车时会有补贴，当然这个补贴直接付给车企，消费者购买新能源车时也会受益。电动车可以直接上牌。车辆购置税免征，一般的车辆购置税为10%，也能为新能源车主节省一笔资金。

第四：节能环保

纯电动车不需要耗油，无尾气排放。插电混的混动车在特定条件下会启动发动机，产生油耗，但相对传统燃油车来说，其耗能已经大大的降低了。

第五：动力响应迅速、操控好

纯电动汽车没有复杂的变速结构，传动效率有非常大的优势，电机的动力输出很柔顺，根本没有顿挫、噪音等问题，并且提速非常快，基本上一脚油门下去瞬间能到最大输出功率。所以很多纯电动车型的百公里加速只需要3秒左右的时间，堪比百万级别的超级跑车。

第六：辅助驾驶非常方便，科技感强

电动汽车作为现在电动化时代的产物，应用上了当下最新的高科技，各种辅助驾驶系统都有不错的表现。比如自动保持车距、自动驾驶等功能，汽车能够自动识别车道和最高限速，在驾驶人反应不过来的瞬间，能够替代驾驶人进行安全驾驶。

除此之外，驻车雷达、倒车影像、360°全景影像、定速巡航、自适应巡航、自动泊车、自动变道、上坡辅助等等功能即便是在低配的纯电动汽车上也是标配，因为作为一款电动化智能化的汽车，就不能少了这些配置，而这些配置在燃油车的高配车型上才有，甚至要选装。

第七：外观前卫，智能化进度高

现在电动汽车还伴随着一个名词，就是智能化，不仅是汽车的外观更加时尚前卫，有种未来感，在内部配置和系统上也是更加智能，着重打造深层的人机交互体验，达到人车合一的境界，所以现在的电动汽车内部基本是非常简洁的，没有过多的物理操作按键，大部分时候一句口令就可以实现操作。

而相对于汽油车来说，经过多年的发展，基础设施早已成形，城市里随处可见的加油站、经过多年实践探索后留存下来的可靠技术、以及面对多元化市场提供的不同配置的车型，都是消费者选择燃油车的主要理由。

| 电动车的劣势

第一：续航短、里程虚标、充电不方便

续航里程这个问题一直阻碍着纯电动汽车的发展，也是很多人不接受纯电动汽车的原因，传统的燃油车加一箱油大概能跑600-1000公里，就算油耗大的车，也能很快找到加油站，5分钟可加满油继续行驶。而纯电动汽车的续航里程一般来说最高也就700公里左右，不过这是标出的数值，很多汽车实际续航里程要减半，虚标问题非常严重。想要有更好的发展，就必须解决这个问题，并且完善配套的充电设施。

第二：充电难

毕竟电动车发展的时间相较于燃油车来说还很短，目前充电桩的数量只能算是满足基本需求，相对于燃油加油站的便捷来说还远远达不到。特别是在各个小区里，很多小区不具备自建充电桩的条件。

第三：电池亏电

一方面是随着使用电动车电池性能的老化，导致亏电。另一方面是随着天气原因造成电池能量转换率的降低，特别是在北方的冬季，在零下十几度的环境下，电池会产生亏电现象。所以很多需要经常跑长途的车主就不适合选择电动车，因为续航和充电都还不能达到满意的程度。

第四：安全稳定性

近些年关于电动车的问题屡见报道，例如自动驾驶功能出问题，或者主动刹车出现问题。虽然可能只是个别案例，但是的确引发了消费者对电车安全性的担忧。

第五：保值率低

新能源汽车的发展并没有全面普及，市场上的新能源保有量比较低，二手新能源汽车没有一个完善的评估标准，所以保值率就不高，再加上纯电动汽车的电池政策只是针对第一任车主，二手车型就无法享受质保了，这又是一个影响保值率的重大因素。

第六：电池更换费用高

目前虽然说很多品牌都在研究电动车，但是现在的电池仍然是三元锂电池和磷酸铁锂电池两种，技术无法突破。电池受温度等环境影响很大，性能不稳定，出现问题后，在质保期内基本是维修而不是更换，出了质保期之后想要更换电池，费用是非常高的，一块电池的更换费用可能占据整辆汽车的三分之一。

燃油车的劣势也是显而易见的。目前最大的劣势就是限号和使用成本高，特别是高油价的当下，加满一箱油有了肉痛的感觉。另外，没有补贴，没有购置税免征，保养的费用也高。

关于燃油车和电动车的选择仁者见仁智者见智，更多的还是要看自己的需求，特别是对自己出行特点的需求，有的人要经常跑长途，那么最好还是选择燃油车或者轻混车辆。如果只是市内短途出行，且充电方便，那么选择一款高性价比的电动车当然是一个不错的选择。