该如何评价新能源汽车的电池性能和安全性？

主机厂动力电池pack研发工程师亲自来作答，动力电池的安全性，这就是我的工作。我们先说电池，然后再讲电池包pack.关于电池，他们可以长这样，如下图，这个确切的来说叫做电芯。电芯是电池的最小单元，里面就是正负极材料，电解液，隔膜，极耳等构成，其中跟安全相关的是，上图中的material case 跟 pressure relief vent，前者是外壳，方壳电池一般用铝材料，圆柱电池用钢材料，这个主要的作用就是保护电芯免受挤压用的。还有一个是排气阀，就是下图黑色的那个，排气阀的作用是，当电芯内部发生热失控，压力温度急剧上升，电芯内部的压力，温度，包括电解液可以从排气阀中排除，也是电芯安全的重要零部件。或者电池长这样，如下图，这个确切的来说叫做电池模组，电池模组是由上图的电芯构成了，一般是多个电芯串联或者并联在一起，组装成了一个电池模组，电池模组不仅仅有电芯，还有其他零部件构成。上图是一个电池模组的构成图，我们一个一个零件说。1. 电池端板，一般为金属材料，主要的作用就是保护电芯免于受冲击，还有固定整个电池模组。2. 电池侧板，侧板的作用跟端板一样，材料也是一样的，但是保护电芯跟固定模组用的。3. 这个是隔板，将电芯与端板隔开4. 电芯5. 气凝胶，这个很重要，气凝胶的作用是隔热用的，就是如果其中的一个电芯发生了热失控，通过这个气凝胶可以把热量隔开，避免好的电芯受到影响，也发生热失控。气凝胶是电池包过热失控的一个很重要的材料，三元锂电池发生热失控的温度大约在200℃左右，磷酸铁锂电池发生热失控的温度大约在600摄氏度左右，从本质上来说磷酸铁锂电池就是比三元锂电池安全。划重点：气凝胶的运用大约是在2020年前后，那会市场的电池都是以能量密度为王的，三元锂电池被广泛运用，当时国家出台了热失控法规，为了过国家的热失控法规，应用了气凝胶，现在不管是主机厂也好，还是电池厂，三元锂的电池基本都应用气凝胶，居然现在还有车企打着运用航天级别的隔热材料——气凝胶当作噱头,目前来说，三元锂电池运用气凝胶是很普遍的设计。6. 隔板，将电芯与端板隔开7.上盖，封装电池用的，材料一般是塑料，上盖的下面就是电芯的高压铜排，起到保护人员的作用。8. 电压采集柔性板，作用是收集各个电芯的温度，压力，电量等信息，然后传输给BMS。9. 高压铜排，作用是把电芯的正负极连接起来，一般用焊接工艺总结：对于电池模组而言，最重要的就是气凝胶了，然后电池模组的端板跟侧板也可以来保护电池免于冲击。我们接下来说电池Pack电池pack 的安全性就比较复杂了，下图是某车企电池包的构成图，这里面我挑关于影响电池包pack的安全来讲。机械保护首先是电池包箱体，电池包箱体，承载了所有，电池包内部所有零部件最终都要靠箱体来承载，箱体就是保护这些零部件的大哥。箱体主要分为两部分，一个是上箱体，也叫做上盖，一个叫做下箱体，通常而言我们称作的箱体就是下箱体。上盖的主要作用就是密封作用，上盖不承受力，所以设计的时候相对比较容易，一般可以用冲压钢，或者冲压铝，如果是冲压的工艺，那么上盖的结构相对来说比较规律，不复杂。如果上盖的结构比较复杂，那么就用复合材料进行注塑了，复合材料价格贵一点，但是重量轻。下箱体就复杂一点了，电池下箱体是整个动力电池系统产品的承载件，电池模组主要布置在下箱体里面，因此电池箱体内部要有嵌槽、挡板等结构措施使电池模组在车辆行驶的状况下可靠固定，在前后、左右、上下各个方向上均不发生窜动，避免对侧壁和上盖造成冲击，影响电池箱体寿命。下箱体可以采用拼焊工艺，底板可以选用高强度钢并冲压出加强筋，在与车身连接点位置做 X 、 Y 方向的"井"字型加强梁，提高下箱体的抗弯扭强度。下箱体的主要材料及成型方式包括：折弯型材钣金材料，冲压型材钣金材料，铸铝成型材料，焊接挤型铝材料。结合批量及生产效率需求、成本需求、轻量化需求及强度质量需求做出综合性的选择。目前市场上做成熟的设计是挤出铝设计，就是用铝块挤出“日”字或者“田”字结构的铝梁。上图就是最典型的挤出铝设计的下箱体，然后通过焊接在一起，一般是用作搅拌摩擦焊，或者惰性气体保护焊，挤出铝设计具有结构强，重量轻，技术成熟等特点。上图为下箱体侧梁的结构设计，壁厚一般为2-3mm可以看出，整个结构设计是非常强壮的，还有吸能波纹结构设计，当发生侧碰的时候，整个结构可以很好的吸收能量，如果撞击力足够大，因为吸能结构的存在，整个铝梁会往上面翘，可以很好的避免挤压到电池。电池箱体上盖与下箱体之间密封面的设计对密封性起重要作用，其设计需要配合电池箱体结构和密封圈一起设计。密封面应尽可能保持在同一个平面，避免出现较多的曲面结构。由于上盖和下箱体是通过螺栓连接，所用螺栓数目较多，因此保证孔的同轴度尤其重要，需在合理布置螺栓孔位置的同时，位置尺寸尽量圆整，且在 X 、 Y 向呈对称布置。连接螺栓数目的选择需根据密封性高低和拆装工作量大小两方面综合考虑。电池包在整车上面的固定通常选择车身上钢板等级和厚度较高的部分作为基础，将电池箱体有效固定在整车车身上，通过受力分析和计算，确定具体的结构、材料型号和厚度：与车辆之间连接的固定结构设计固定支架，增加安装支架的强度，保证在碰撞等恶劣工况条件下不发生变形；均匀对称布置安装点。由于电池箱体质量较大，如果车身厚度不能满足相关机械强度和焊接标准要求，需要采用局部加厚车身的方式来保证足够的机械强度和焊接质量，从而使电池箱体固定结构能有足够的安全系数，尤其是在发生激烈碰撞过程中，避免由于电池箱体固定结构失效或者车身对应位置发生破裂，而出现电池箱窜入乘客舱的情况。上图为车身保护电池的纵梁，整个结构也是挤出铝的，也就是说一共有两道保护措施，一个是车身的纵梁，一个是电池包上面的纵梁，这两道保护措施足够保护好电池包免受与挤压。BMS电池管理系统保护电池管理系统负责管理电池的充放电，电池的均衡，电池的热管理，与整车之间的通信以及故障诊断等。BMS必须具备的功能为：1．单体电池电压检测单体电池电压检测，要求对电池系统内部所有单体电池的电压进行检测，通常要求单体电池电压检测的测量范围为0~5V，全部单体电池测量周期不超过50ms，单体电池（模块）电压检测精度不大于±0.5%FS（满量程），且全温度范围内采样误差不大于±10mV。2．温度检测温度检测包含单体电池和电池模组内部的温度检测，以及电池系统内部特殊位点的温度检测。由于电池模组内部温度分布的不均匀性，因此除了温度传感器的选择之外，温度采集位点的选择必须能反映单体电池整体温度的实时变化，能体现模组内部的极限温度。具备断线和短路故障检测能力。通常要求温度采集范围﹣40~125℃，采集周期不大于1s，全温度范围内采样误差不大于±2℃,0~50℃范围内采样误差不大于±1°℃。3.SOC估算SOC 是整车系统评估电池系统电量的唯一依据，依据电池系统的当前状态和运行工况，按单体电池的类型及 OCV - SOC 曲线特点和一定的策略对 SOC 累积误差进行修正，并对 SOC 的变化能进行平滑处理。在电池系统的整个寿命周期内，需要满足设计精度要求。管理系统需通过 SOC 估算数据，通过 CAN 总线发送到整车网络。通常对于选用磷酸铁锂体系的单体电池，对应 SOC 估算误差要求不超过8%，而对于选用镍钴锰三元体系的单体电池，对应 SOC 估算误差要求不超过5%。4．功率限值估算应具备功率限值估算功能，能根据电池实际状态，实时准确告知整车当前可用持续充放电功率及峰值充放电功率。通常功率限值估算误差要求不超过5%（功率估算值不得超过电池系统的实际功率能力）。5．充放电管理应具备电池充放电管理功能，能在高 SOC 、低 SOC 、高温度、低温度等条件下对电池的充放电过程（允许的电流、电压限值）进行保护。针对电池当前 SOC 与电芯温度，根据单体电池供应商提供的充放电许用功率和电流窗口对充放电能力进行估计，从而得到电流限值并发送给整车控制器或者充电机，由整车控制器或充电机执行限制电流。充电过程中应能依据电池的当前信息，为充电机实时提供电池的最大允许充电电流，电池的实际充电电流应在允许的充电电流和充电机的设计最大输出电流之间取较小值能对能量回收过程进行管理，能给出动力电池可接受的最大回馈电压和可接受回馈电流的 SOC 范围，根据当前温度给出动力电池能接受的最大回馈电流值。6．均衡功能电池系统应具备均衡的功能，来保证电芯的一致性。7．绝缘电阻监测要求能实时测量高压动力母线正负极，充电机正负极（充电时）和车底盘之间的绝缘电阻状态，并按照 GB /T18384.1-2015、 GB /T18384.3-2015等相关标准对绝缘进行分级：1）正常：≥500Ω/ V 2）轻微绝缘故障：介于100 QQ / V 与500 QQ / V 之间；3）严重绝缘故障：≤100 Q / V 在工作状态下能对整车高压电系统（直流母线）的绝缘电阻进行周期性测试，测试值必须能够通过 CAN 总线发送到整车网络；要求在高压上电后能实现对绝缘电阻的检测；在进行绝缘检测时不能降低整车的绝缘性能。绝缘电阻测量范围为0~5 MQQ ，全工况范围内，有效的绝缘阻值采集时间不大于3 s 。通常电池系统绝缘电阻检测精度为30%~0。在车辆行驶模式、慢充模式、快充模式下都能够执行绝缘检测。快、慢充充电过程中发生绝缘故障应立即断开继电器并记录相应的故障。8．高压互锁（ HVIL ）检测应能对与电池系统直接相连的高压接插件连接可靠性进行检测，能分别对主回路、充电回路和维修开关的互锁状态进行单独检测。在非充电模式下，如果上电后检测到主高压互锁失效，能通过 CAN 总线发布高压互锁失效信息，当超过一定时间或接收到整车控制器给出继电器断开指令之后可以切断主继电器；如果在上电前或过程中检测到主回路高压互锁失效，能通过 CAN 总线发布高压互锁失效信息并停止闭合主继电器。在充电模式下，如果在充电过程中，检测到充电回路高压互锁电路失效，能通过 CAN 总线发布高压互锁失效信息，并切断充电回路的继电器。9．总线通信功能具备与整车控制器、车载充电机及直流充电桩等其他控制器通信功能。通信内容包括1）模拟量：动力电池系统总电压、母线电流、单体电池电压、温度、绝缘电阻值。2）动力电池相关信息及状态：动力电池组当前工作状态，如快充、慢充、放电等，电池管理系统零部件信息和电池组信息。3）故障：按故障类型及定义的故障码。4）通信形式：支持标准帧和扩展帧 CAN 通信。5）通信策略：按约定的通信协议的要求执行。10．充电功能 能根据需求实现快充和慢充功能。充电模式、充电协议能满足国家标准相关要求。电池管理系统能与车载充电机和整车控制系统联合实现充电功能。能检测充电枪插枪 CC 、 CP 信号，能被充电枪的 CC 或者 CP 信号唤醒，要求能满足国家标准相关要求。11．过充电／过放电／过温保护具备电池保护功能，保证电池系统工作在最佳的工作状态，保护条件包括并不限于过充、过放、过温等。12．诊断功能具备电池系统故障诊断功能，系统上电后对电压、温度、通信、时钟、存储器、内部通信等部件进行检测，同时对电池的过压、欠压、过流、过温、 SOC 过低／高以及一致性等电池故障进行判断和报警。故障诊断的范围必须涵盖电池系统故障诊断清单，存储数据的安全性和完整性满足系统寿命要求。高压电气保护首先是高压警告标志，这个标志会贴在一个明显的位置，必须要警示维修工作人员在保养或者维修过程中注意高压的危险。绝缘和耐压高压电气系统的输出端（正极和负极）与电池箱体之间的绝缘阻抗大于2.5MQQ，同时，动力电池系统的绝缘防护设计还需要考虑密封性能，主要是因为水或者水蒸气进入电池系统内部会引起系统内部的高压带电部分与壳体通过阻值较低的水相连接，导致高压绝缘失效。另外，高压电气系统也要具有绝缘失效检测功能，具体通过申池管理系统（ BMS ）进行检测。直接接触防护直接接触防护主要包括电气绝缘和屏护防护要求。除了满足上述绝缘防护要求之外，高压电气系统的带电部件，应具有屏护防护，包括采用保护盖、防护栏、金属网板等来防止发生直接接触。这些防护装置应牢固可靠，并耐机械冲击。在不使用工具或无意识的情况下，它们不能被打开、分离或移开。间接接触防护间接接触防护主要包括等电位、电气间隙和爬电距离要求。动力电池系统应通过绝缘的方法来防止与高压电气系统中外露可导电部件的间接接触，所有电气部件的设计、安装应避免相互摩擦，防止发生绝缘失效。尤其是高压线缆的布置需要考虑安全间隙，并进行必要的固定和绝缘防护，应避免在行车过程中与可导电部件发生摩擦。电池箱体必须与车辆的地（车身作为电平台）实现等电位连接，连接阻抗应不超过0.1Ω。电池包上的所有可接触的导电金属部件（比如模组金属端板／侧板、电池箱体金属上盖、金属支架、水冷板等），都必须与电池箱体是等电位连接的。对于等电位连接所用的导体（比如接地线等），要求其颜色是黑色，便于维修和拆卸。热管理安全热管理的安全对于电池包的安全工作非常重要，我们国家有严格的法规要求，电池包发生热失控的时候，5分钟以内不能见明火，就是为了给乘客留有足够的逃生时间。所有的电池包都要有热管理，电池在充放电的时候都是会产生大量的热，产生的热量必须要及时给排出去，以免热量堆积，发生热失控。所以说有的电池包都会有冷却水板，冷却水板可以布置在电池底部，电池侧边，电池上面，电池包的冷却形式为冷媒，因为冷媒的制冷效果好，对于电池的散热效果也好。上图的电池包冷却水板就是布置在电池的底部，通常来说，电池并不是直接跟冷却水板接触，在电池的底部还会涂有一层导热胶，导热胶的作用就是加速电池散热用的。上图是特斯拉的圆柱电池，这个冷却水板是穿插在圆柱电池之间的，同样，电池与冷却水板之件也会设计冷却导热胶。一旦电池包发生热失控的时候，为了阻止其他电池受影响继而也发生热失控，我们通常会把发生热失控的那个电芯产生的热量给隔住，对，就是不要扩散出去。一般我们用云母板，或者防火毯铺在电池模组上面，这个隔热云母板对通过国家热失控法规帮助特别大，是不可或缺的。同时我们还会设计多个排期阀，排气阀是一个单项阀，其作用就是当发热失控，电池包内的温度，压力急剧上升，排期阀就会打开，把高压高温气体及时的排放出去，避免其他电芯继续发生热失控。有的厂家用的排气阀会高级一点就是在排气阀中间的位置布置一个防水防尘，但是又通气的一个膜，在电池包压力正常的时候，电池包内的气体可以与外接进行交换，电池包发生热失控的时候排气阀又会自动打开，排泄高温压力，当然这种排气阀价格也昂贵。以上基本上包含了所有电池安全的设计。 来源：知乎 www.zhihu.com 作者：王大富 【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。 点击下载 此问题还有 297 个回答，查看全部。 延伸阅读： 怎样评价新能源汽车的电池性能和安全性? 新能源汽车的电池性能和安全性应该如何评价?