电动汽车起火不都是锂电池惹的祸,不要忽视了熔断器的保险与安全

导语

各种混动(HEV)和纯电动(EV)新能源汽车产销量已经达到34万多辆,超过了当年国内汽车总产销量的1%。八年来新能源汽车的保有量已接近40万辆。随着大量电动汽车上路行驶

2008年中国电动汽车产业开始全面兴起,到2015年底,各种混动(HEV)和纯电动(EV)新能源汽车产销量已经达到34万多辆,超过了当年国内汽车总产销量的1%。八年来新能源汽车的保有量已接近40万辆。随着大量电动汽车上路行驶,从2010年1月到2016年5月期间,曾经出现过10多起电动汽车起火事故,而且多数在天气炎热的季节发生,共造成约20辆汽车毁损。虽然恶性事故率不到万分之一,但每次都会引起社会高度关注而众说纷纭。其中,尤以2012年5月26日凌晨3时,发生在深圳的一辆电动出租车被高速追尾碰撞后猛烈起火最为触目惊心,惨烈的事故现场情景,给人留下挥之不去的深刻印象和心理阴影。

“5.26”事故发生后,由13名专家组成的质量鉴定专家组经过了“调查取证阶段”、“专业分析研究阶段”、“补充调研与试验验证阶段”、“共同研究形成结论阶段”的4步深入调查取证后,对起火e6形成的最终结论是:整车安全设计未见缺陷。“5.26”重大交通事故纯电动出租车质量鉴定专家组组长、中国汽车研究中心吴志新副主任确认:车身后部及电池托盘严重变形、动力电池组和高压配电箱受到严重挤压,导致部分动力电池破损与短路、高压配电箱内的高压线路与车体之间形成短路,产生电弧,引燃内饰材料及部分动力电池等可燃物质。否认了此前外界质疑的”电池爆炸”和”电弧引燃泄漏电解液”的说法。

电动汽车目前面临的一个重要课题是,如何避免和防御在发生车辆碰撞时高压电路可能发生的短路。一般而言,电动汽车制造商都会非常重视对于强电的管理,往往会在电路上设置多个保险(应称:熔断器),一旦发生碰撞或者出现短路,保险将自动切断供电。根据调查组查看起火后的视频统计数据,在事故发生过程,总共产生了12道电弧。也就是说汽车被碰撞后,强电并没有被自动切断,由此引发高压配电箱内的高压线路与车体之间形成短路。吴志新副主任在发布会上解释说:这种状况并非出于车辆的安全设计缺陷,而是在时速超过100公里/小时的强撞击冲击力和各个部件的挤压下,瞬间毁坏了电路保险。该型汽车一共安装了6个电路保险,其中有一个被撞坏,没有发挥作用。其它发挥了作用的保险,在两次碰撞后仍旧保持了较好的工作状态。当然汽车燃烧后都被烧毁。吴志新进一步表示:我国目前还没有专门针对电动汽车电路安全的标准,有关部门现在正在加紧制定专门针对电动汽车的整车碰撞标准,事故倒逼了电动汽车标准加速制定,包括电路、电池包等,未来都会有标准,比较稳定的电动汽车标准数目大概要达到100项。

这起重大事故的调查结论,当时并没有通过媒体广泛地公布与众,以致今天只要电动汽车起火的消息传来,人们第一时间联想到的就是锂电池又出事了!反而忽略了电动汽车还有许多薄弱的重要环节,都有可能造成起火自燃的恶性事故。

可能谁也想不到,一次追尾造成的车毁人亡与几个电路保险有着如此密切的关联,尤其在“各个部件的挤压下,瞬间毁坏了电路保险”,这些电路保险又在“汽车燃烧后都被烧毁”了,为什么这些电路保险如此脆弱不堪,在关键时刻发挥不了保险和避险作用?竟然在一场大火中自身难保而粉身碎骨?

那么,什么样的电路保险(熔断器)才能真正放心地为电动汽车保驾护航呢?

早在十多年前,国家标委会就制定发布了GB/T18384.2-2001《电动汽车安全要求》第2部分:功能安全和故障防护和GB/T17531-2005《混合动力电动汽车安全要求》两个国家标准,对电动汽车的过电流保护装置明确为“当电流过大时,应使用一个电路保护器、切断装置或熔断器断开车载电源(例如动力蓄电池)的至少一个电极”,以及“动力蓄电池和动力电路系统应通过断路器和熔断器进行保护。该装置应能在车辆制造厂规定的过流、与动力蓄电池连接的电路出现短路的情况下,自动断开与动力蓄电池的连接电路”。

就断路器而言,时至今日因多种原因,300V以上的直流大功率断路器因体积大、抗震差、价格贵,仍然未能在电动汽车普及使用。唯有熔断器以体积小、抗震好、价格低的综合优点,得到了广泛认可和大量使用,成为国内外公认的担当电动汽车短路保护的主要元器件。对熔断器而言,两个标准要说的都说了、但概念模糊没有说到位,对应该正确选用何种类型、何种保护特性的熔断器一直没有做出明确界定,导致电动汽车和电池系统企业在高压熔断器的选型与采购中,可以五花八门各取所需;国内外厂商在上门推销时,可以王婆卖瓜自卖自夸,由于产品性能参差不齐,产品质量良莠不等,缺乏统一的衡量尺度,致使电动汽车每年电气事故频发、到目前仍旧是乱象丛生。

熔断器俗称电路保险,按2015年各类型电动汽车34万辆的产量估算,当年配置和耗用了100多万只熔断器,后续每年不仅有新的大幅增长,还需要新增约30%的备件更换量。如此推算,当中国新能源汽车保有量达到100万辆的时候,车用熔断器的总供给量会达到400多万只。只要有1%的熔断器因自身品质安全或使用不当出了问题,就会有4万辆左右的电动汽车发生大小事故,经济损失实在无法估量。

电动汽车起火不都是锂电池惹的祸,不要忽视了熔断器的保险与安全

电动汽车起火不都是锂电池惹的祸,不要忽视了熔断器的保险与安全

燃弧能量I²t=短路电弧在熔断过程产生的焦耳积分总能量值(A²S)

熔断器有交流和直流用途之分,交流类型的熔断器按照传统工业配电系统的照明线路、电器开关、电机泵类的保护特性进行设计和制造,不具有开断直流短路电流与电弧能量的足够能力和安全性,显然不能在电动汽车直流系统安装使用。而车载的锂电池、储能电容、电动机、变流器和电控线路均属直流系统,都需要直流类型的熔断器做短路保护,才能保证安全可靠的正常运行和超强能力的短路开断效果。每年几十万辆电动汽车是否都正确合理地选用了直流型熔断器,估计谁也说不清楚。那么,需要探究的第一个问题是:电动汽车应该选用何种保护特性的直流型熔断器?

按照国际电工委员会颁布的IEC60269熔断器系列标准(与国标GB/T13539系列等效)的规定,熔断器在符合基本要求(GB/T13539.1)的基础上,分为专业人员(GB/T13539.2)、非熟练人员(GB/T13539.3)和半导体器件(GB/T13539.4)三大使用类型,又区分为“全范围过载和短路保护”与“局部范围短路保护”两大类别,再细分为后备特性(aM--延时短路保护),一般用途特性(gG--工业配电全范围保护),速断特性(gR--半导体过载与短路保护、aR--半导体短路保护、gS--半导体线路保护),按熔化分断的速度差异设定了3个熔断特性等级。

电动汽车的锂电池、储能电容、电动机、变流器等重要装置,以锂电池系统最为关键也最为昂贵,而且车内高压电缆的路径很短,发生短路故障时会在1-2毫秒(ms)内形成强大的浪涌冲击电流(约5-10KA以上),必须在极短瞬间安全切断短路电流,消除高压电弧的破坏能量,才能有效防止锂电池与半导体装置因急剧过热引发的爆炸泄漏和起火燃烧。选择aR半导体短路保护的直流快速熔断器,以其动作灵敏、瞬间熔断,灭弧彻底等优点,显然能最大范围的兼容动力蓄电池、储能电容、电动机、电子器件与电控线路的综合保护需要,应该是目前所有电动汽车普遍适用的唯一优化选项。

有人会问说:那么选择gR过载与短路全面保护的直流熔断器岂不更好?

众所周知,电动汽车都要配置一个电池管理系统,该装置简称BMS,具有对锂电池系统进行过压、欠压、过流、过充、过放、过热等实时监测的调节控制功能,在锂电池出现某些异常时,BMS能及时进行调整限制、抑制报警甚至关停运行。过流就是电流过载,对可容忍的过载如汽车的加速、加载、爬坡、颠簸等连续行驶过程,谁也不希望此时发生停电抛锚,BMS通过预先设定可以允许放行,但gR过载保护熔断器没有智能判断力,只要温度累积升高到银的熔点(960℃)就开始熔化分断,对本可容忍的过载也不会轻易放过,这对驾车人就是一个十分纠结的功能性缺陷。与其让熔断器与BMS抢道超行,不如实行合理分工,由BMS或断路器去做过载范围的合理防护,由aR熔断器去做短路电流的安全保护。BMS是一套精密的高科技电子装置,对汽车内外部突如其来的短路电流却毫无强制关断的招架之力,但aR熔断器能以超强的限流作用和开断能力,在几个毫秒内全部消除短路危害,以自我牺牲的极小代价换取电动汽车的整体安全。因此,使用偏重过载保护的gR熔断器未必是最佳的合理方案。

第三个问题是:凡是aR直流快速熔断器就能给电动汽车提供安全可靠的保护伞吗?

答案是:不一定!

只有品质优良的熔断器才具有安全可靠的短路保护作用,如果是挂羊头买猪肉的仿冒产品呢?如果是粗制滥造的山寨产品呢?这在中国市场极为常见,上当受骗的消费者往往仰天长叹,恨无火眼金睛去识别真伪良莠。选购电动汽车直流熔断器,只要不是贪图便宜而不计较质量好坏,就可采用如下的5步套路判定产品质量和安全可靠性,在采购之前做到去伪存真,实现沙里淘金:

1、最好是直接去熔断器制造厂做实地考察,对电动汽车必不可少的重要器件,首先应对熔断器的核心部件“熔体”做一番质量鉴定,必须是高纯度(99.99%)银制冷轧带作精冲成型;通过热熔恒压点焊,达到精准的电阻值一致性控制。同一规格产品的阻值偏差超过了5%,就有使用杂质银或是熔体存有断裂或虚焊的隐患,熔体电阻严重超差、安装位置不正、过于靠近管壳内壁等细节问题,表明生产过程已经质量失控,这些品质不良的熔断器在通电运行中,常因温度过热而提前熔断并烤焦管壳使之大面积碳化。

熔断器管壳必须是高强度、高绝缘、耐高温、抗燃烧的材质构造,才能像“火花塞”一样在高温环境长期保持固有的综合强度,经得住短路电流冲击和高压电弧灼烤而不会自燃起火。如果管壳在120℃以上已经碳化变色软化变形,管内砂粒被大量碳离子污染后,绝缘强度会迅速大幅下降变成“半导体”,有被高压强电二次击穿的危险,如管壳材料用普通打火机就可点燃起火,将会诱发与“5.26”一样的严重后果。

电动汽车起火不都是锂电池惹的祸,不要忽视了熔断器的保险与安全

电动汽车起火不都是锂电池惹的祸,不要忽视了熔断器的保险与安全

1、熔断器内部填料必须是高纯度、耐高温的SiO2精选石英砂,经过高温固化烘干处理,形成坚硬砂柱包裹住全部熔体,增强了整体抵抗振动冲击的耐受力,通电运行时可以传导散热、熔断过程会强制熄灭电弧。不固化的散装填砂在长期行驶颠震中若出现泄漏,熔断器的灭弧能力将大幅下降甚至完全丧失,炽热的短路电弧会直接喷出管壳,引燃车内的线缆和易燃物品,后果同样极其危险。

2、2015年3月公布实施的《汽车动力蓄电池行业规范条件》第六条“质量保证能力要求”规定“企业应通过TS16949质量体系认证,编制并执行生产一致性控制计划”。作为电动汽车重要器件的供货方--熔断器生产厂商,也须通过TS16949质量体系认证,未获得该项认证就不具有合格供应商资格,熔断器品质一致性就无法充分保证。锂电池系统企业要顺利进入合格产品目录,不该因供方资质问题受到拖累。

3、按照2014年9月国家认监委颁布的CNCA-C03-2

《强制性产品认证实施规则》的统一要求,对交流1000V及以下、直流1500V及以下的各类型熔断器,都必须依照GB13539/IEC60269标准的规定考核项目,向CQC中国认证中心提交认证申请、提供足量样品、完成型式试验、通过工厂初检、获得CCC证书,接受年检监督。电动汽车熔断器无论国产或进口产品,均在强制性安全认证范围之内不可豁免。能获得CCC认证的企业,其制造能力,管理水平、产品质量、安全性能等,已经通过严格的厂检和型式试验得到了验证认可,那些不遵照GB13539/IEC60269生产的非国标类熔断器,甚至随意自定保护特性的野路子熔断器,都不可能获得中国的CCC认证,更不允许出厂销售,擅自销售将会受到各级技术质监局的处罚,即使随电气电子装置配套出口也会被中国海关禁行。

如果以上5项考察都有了肯定结论,购买这些合格的熔断器产品就没有后顾之忧了。

2012年8月3日,当“5.26”出租车被撞起火事件的调查结论大白于世之后,我们清楚地看到:EV和HEV以及燃料电池汽车都可能发生意外起火,但不要定式思维地全都集结于锂电池找问题,电池系统若无外部的种种不利影响,比如高压电路突发短路,锂电池被过放过充,气候环境高温暴热,雨季车体被水浸泡、电池系统搭铁短接等意外情况,电池自身发生爆炸自燃的几率极低。所以,电动汽车自燃很大一部分是因为电控系统,既包括电池本身的管理系统,也包括整个动力传输控制系统的问题。

作为从事熔断器研发设计与生产制造近40年的业内人士,笔者一直殷切期待正在制订的《电动汽车电路安全》标准,能对直流短路保护的熔断器作出准确定位,以明晰的技术规范匡正目前的市场乱象,促进整车制造、电池系统、高压箱和充电设备制造企业与行业管理机构,对电动汽车熔断器形成统一的选型指导规则,进而提高蓄电池系统产品的安全水平,推进我国电动汽车产业的健康有序发展,同时推进我国熔断器产业自主创新发展和技术进步速度。

在经历了2014年异军突起和2015年的突飞猛进之后,中国新能源汽车经过市场的洗礼,市场秩序不断调整完善、充电桩等配套设施持续跟进,同时,国内品牌优秀新能源汽车厂家在技术、产品及营销模式上也在不断创新和超越。雄心勃勃的“十三五”新能源汽车政策规划提出,到2020年要实现200万辆的推广目标。有关专家预计,2020年电池能量密度达到300瓦时/公斤、续航能力达到300公里的目标是可以实现的,但实际应用还需要有较长的检验过程,应该把安全问题放在第一位。

在“十三五”的新形势下,随着电池能量密度大幅提升,续航能力翻倍增长,锂电池的容量与功率都将大幅提高,对电动汽车短路故障的安全保护要求会越来越高。熔断器如何在轻量化、小型化的基础上提升倍增的额定功率,保持强大的短路分断能力和防火抗燃安全性,是一个技术难度很高的课题,国内外熔断器企业必须拿出自己的“绝活”产品,才能满足电动汽车产业未来的高端配置需求,否则将会被新能源汽车市场“洗牌”淘汰。在新一代电动汽车熔断器的研发上,没有现成的专利技术可以抄袭,没有便捷的道路可以弯道超车。材质决定了品质安全、销量不代表质量过硬。那些未通过型式试验和强制性认证的劣质熔断器,那些采用易燃材料、简陋装备、落后技术拼凑的仿造产品,应当受到汽车行业管理机构的管控限制,应当受到动力电池系统企业的自觉抵制,应当在电动汽车产品规范中加入元器件准入条件。否则,会因劣质器件不断地制造麻烦,导演出更多类似的恶性事件。前事不忘、后事之师,历史悲剧不容重演,国家领导和广大群众,都不希望那一幕触目惊心的场景频频再现。

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