从习主席关心小哥的“安全感”看轻型车换电的“四道防护”

4月27日，习主席在广西调研时，强调要完善多渠道灵活就业的社会保障制度，维护好卡车司机、快递小哥、外卖配送员等的合法权益，增强他们的获得感、幸福感、安全感，确保快递小哥愿意来、留得住、发展好。

主席的这番话给我们的轻型车换电业务指明了方向：获得感、幸福感、安全感。而安全感又是获得感和幸福感的前提和基础。

对于安全感，船夫（比亚迪总裁王传福）曾说过一句振聋发聩的话：安全才是一辆电动汽车最大的豪华。

而4月16日发生的丰台储能电站火灾导致2名消防员牺牲，1名消防员受伤（伤情稳定），电站内1名员工失联。

具体到轻型车换电业务，由于直接服务于外卖和快递小哥，他们又构成了现代城市的“微循环”，所以说，轻型车换电的安全问题更是至关重要。

一.热失控是锂电池安全事故的主要原因

轻型车换电电池的安全问题往往表现为自燃，而锂电池自燃的主要原因就是热失控。热失控是指电池受各种刺激引发了内部短路，导致电池内部温度升高，从而易燃的电解液沸腾喷出，接触空气后燃烧。

热失控的诱因可分为三种：机械失控、电化学失控及温度失控，如下图所示：

（一）机械失控

机械失控即在外力作用下，锂电池单体或电池组发生变形，自身不同部位发生相对位移。机械失控的原因主要有三种，即电池因外力发生碰撞、挤压和穿刺，从而导致电池隔膜被刺穿，正负极连通造成内短路，放出巨大热量。

机械失控中最为严重的是穿刺，即导体插入电池本体，造成正负极短路，这一过程热量的生成更加剧烈，引发热失控的概率更高。

碰撞和挤压在引发内短路上比穿刺所导致的概率要小得多，但碰撞和挤压可能导致外短路。当存在压差的两个导体在电芯外部接通时，就会引发外部短路。当外部短路产生的热量无法很好的散去时，电池温度就会上升，高温触发热失控。

前几年使用三星SDI锂电池的note7，就是因为留给电池的空间太小，外部负极板遭到挤压变形出现短路，最终使得note7发生了多起自燃事故。

具体到换电业务，最典型的例子骑手在换电时，由于手滑等原因将电池跌落在水泥、石板等硬度较高的地面上，从而在一定概率上导致电池包被过度挤压，发生内部短路，从而冒烟或着火。

（二）电化学失控

电化学失控的主要原因有四种：电池质量、快速充电、过度充电、过度放电。

1.电池质量

在SDI锂电池出现问题后，三星note7把产能都压到ATL电池上，急速的提升产能，导致这批电池的质量下降，电池内部负极铜板上粘附的碎屑和毛刺含量超标，在电池充放电过程中，大量铜金属的碎屑和毛刺混进电解液中，极易把隔膜戳穿，造成内部短路。

根据三星note7公布的事故原因分析，第一次召回的电池（三星SDI）主要是因为负极受到挤压所致，第二次召回的电池（ATL）是由于铜箔融化。此外，还有一部分电池没有使用绝缘胶带。

同样的也发生在LG能源身上。4月6日下午，韩国一光伏电站的储能系统再起火，共造成约4.4亿韩元损失。值得注意的是，这并不是LG新能源的储能系统产品首次发生起火事故。虽然LG化学一直否认其储能电芯存在质量问题，但现在市场透露的信息并不乐观，质疑直指其电芯质量。

2.快速充电

快速充电导致可能输出锂电池无法承受的大电流，在电池内部充电速度太快，会让锂离子在负极的表面形成像树枝一样的枝晶，这些枝晶像针尖一样又细又硬。当枝晶生长到一定的程度，就会刺破隔膜，诱发内短路。

此外，快速充电还会减少电池的循环充电寿命，因为电池是通过化学能转化成电能，充电属于逆向化学反应，经常快速充电会降低电池的还原能力，减少电池的充电循环次数。

目前，市场上轻型车换电的电池型号主要为48V和60V，其电池组循环寿命大多为1200次。所以，在换电电池的快充上要采取谨慎的态度，因为换电电池的使用寿命直接决定着换电业务的投资回收周期和盈利与否。

3.过度充电

当电池满电后继续充电，电池负极就会塞进更多的锂离子，当超过负极的最大承受能力时就会出现坍塌，轻则造成电池鼓包，重则导致内部发生短路。

过充也是最容易发生热失控的原因。

4.过度放电

由于电池组内电池之间的电压不一致是不可避免的，因此一旦BMS未能具体监控到任何单个电池的电压，具有最低电压的电芯将被过度放电。在过放电期间，电池组中具有最低电压的电池可以被串联连接的其他电池强制放电。在强制放电期间，极点反转，电池电压变为负值，导致过放电电池异常发热。过放电引发的溶解的铜离子迁移通过膜并在阴极侧形成具有较低电位的铜枝晶。随着生长不断升高，铜枝晶可能穿透隔膜，导致严重的内短路。

（三）温度失控

由于锂电池比较怕热，当锂电池在高温下进行充放电，正负极片会和电解液发生额外的反应，放出氧气和额外的热量，多重热量的冲击很容易造成隔膜的溶解，进而出现大面积短路。

今天已经立夏，锂电池在高温下充放电，如果换电仓本身散热不给力，很容易导致电池发生热失控起火，电池爆燃非常危险，严重时甚至会威胁生命。

二.做好“四道防护”，最大程度减少热失控

（一）第一道防护：换电电池的质量保证

1.提升电芯的一致性

目前，电芯的一致性是我国和日韩的主要差距。锂电池一致性主要包括容量、阻抗、电极的电气特性、电气连接、温度特性、衰变速度等。

电芯的一致性直接影响电池的寿命、充电、放电等：首先，电池参数的一致性是影响电池组使用寿命的关键因素。其次，容量不同的电池，放电时总会有一个先放完电而另一个仍然电压较高；而充电时总会有一个先充满电而另一个仍然电压较低。而这些都直接影响着电池的寿命。

2.改善电解液

自从note7发生爆炸后，使用的锂电池基本都从锂离子电池转向了锂离子聚合物电池，将之前锂离子电池中易燃的液态电解液换成了凝胶状的电解液，更换之后即便是电池被戳破，最多就是鼓包，也不会发生爆燃。而目前正在发展的固态电池，更是将电解液由液态变为固态，会给锂电池带来更高的安全性和效率的提升。

3.增加电池外壳防护

锂电池怕被戳、被挤、浸泡，那么就要提高换电电池的PACK水平，增强其外壳的“摔一摔、泡一泡、烧一烧“的外部防护能力。

4.散热系统

锂电池怕热，那么就在轻型车换电仓配备良好的散热系统，或者在换电仓外部增加遮阳棚。

（二）第二道防护：换电电池的BMS管控

BMS即电池管理系统，它监控、管理、保护着整个锂电池组。

电芯是硬件，BMS是软件。如果说电芯是电池的肉体，那么BMS就是电池的大脑。BMS主要有三大功能：

1.监控

主要监测电池的电流、电压、SOC等，为各项保护提供数据依据。

2.保护

保护主要有过充保护、过流保护和短路保护。

过充是导致锂电池热失控的主要原因。锂电池的BMS的过充保护功能，即当锂电池电压升高达到过充保护值时，BMS就会开启过充保护，切断充电，从而避免过充。

当负载出现异常时，锂电池组会出现大电流放电的情况，甚至出现直接正负极短路的状况。这种情况如果不制止，锂电池会一直在大电流放电，就会损害电芯，损害线路中的元器件，严重时会引发起火。BMS就设置不同的电流值以及过流保护延时时间来控制异常电流，及时切断电池组的放电。

对于轻型车换电来说，BMS的充电保护，即是在压差超过1V时应立即停止充电。

3.均衡

随着电池的老化，各个电池之间的一致性会越来越差，这时过充就更容易发生。这需要借助BMS进行整个电池组的均衡，来保持电池组一致性。

目前，锂电池的电芯由于技术水平的进步，各厂家之间的质量已相差不大。但由于BMS需要匹配不同的使用场景，尤其是轻型车换电电池的BMS，其运行场景复杂，同时对BMS成本的控制又非常严格，所以，做出”高性价比”的BMS是轻型车换电的当务之急，也是目前换电市场的”木桶短板“所在。

（三）第三道防护：换电柜的柜控系统

对于轻型车换电业务来说，在电池的BMS系统之上，还有一套换电柜的柜控系统作为防护。它是在BMS失效的情况下，进行的更高一层级的保护。具体如下：

1. 电芯压差超过1V时立即停止充电；

2. 通讯中断后立即停止充电；

3. 针对充电过程中突发的异常情况，如单芯电压突降、电芯温度突然升高等，要灵活采取相应的保护管理策略；

4. 告警分优先级，对于严重告警立即上报换电平台。

（四）第四道防护：换电柜的消防系统

换电柜内部应配置消防报警自动灭火装置，实现火灾的自动探测、自动上报、自动灭火等功能，满足换电柜全天候火灾安全防护。

目前主流的模式是气溶胶消防和水消防，这里重点介绍前者。

1.气溶胶消防原理

火灾发生时，气溶胶经过自身的氧化还原反应形成气溶胶灭火剂，喷向防护区域，从而迅速产生大量亚纳米级固相微粒和惰性气体混合物，以高浓度烟气状立体全淹没式作用于火灾发生的每个角落，通过物理降温、化学抑制、稀释氧气多重作用，快速高效扑灭火灾，对环境及人员无毒害。

2.气溶胶启动模式

（1）热敏线启动

当温度达到170℃，或遇明火时，热敏线感温自燃，并迅速传递启动信号给灭火装置快速扑灭明火。

热敏线启动要防止火星的产生，如果气溶胶的热敏线启动过程中伴有火星，那么火星会点燃锂电池喷发的电解液和气体，反而起到“助燃”的作用。

（2）电启动

火灾发生时，探测器传递信号给消防控制器，控制器通过电信号启动灭火装置灭火；或人工控制电启动按钮启动装置灭火。

 电启动要避免灭火器受到干扰，从而造成气溶胶误喷发。因为气溶胶电启动的引燃电压值较低，在受到干扰情况下，热敏线启动而造成误喷发。

可适度增加灭火器引燃电压值，以降低电源波动、静电干扰、市电波动等因素干扰而造成的误喷情况。

（3）板式启动

板式气溶胶的特点是没有火星，一旦换电仓内温度过高或有明火时，气溶胶即进行启动。而且，该种启动方式还可以避免电池的二次复燃，比如一个电芯灭火后，另一个电芯又燃烧，这种情况下无法进行二次灭火。而板式启动的方式下，由于采用了“药丸儿”式的原理，既杜绝了明火，又避免了二次复燃。

3.气溶胶灭火案例

4月7日，为确保外卖和快递小哥换电的“安全感”，上海浦东新区消防救援支队协上海消防研究所，在上海浦东陆家嘴铜山消防救援站训练场，组织了辖区内7家低速电动车换电运营企业，针对电动自行车换电柜内置灭火装置，进行现场试验观摩会。7家企业（品牌）分别是铁塔换电、圣君换电、南都换电、E换电、享换电、智租换电和蛮牛充电。

试验会主要内容是现场检测、试验换电柜内置电池及灭火系统在热失控状态下的消防安全功能，进一步了解换电柜火灾危险性，比较不同类型内置灭火装置的灭火效能，检测换电柜服务安全性，以更好地规范安装场地设置和日常安全使用措施。

现场试验持续了近2小时，铁塔换电成为全场首个完成全部试验内容的换电运营企业。尤其在灭火实验中，铁塔换电柜内灭火装置迅速将明火熄灭，仓门始终处于关闭状态，未产生飞溅物，成功控制了火灾风险。

通过做好轻型车换电的“四道防护”，服务好外卖及快递等行业的电动自行车换电需求，增强他们的获得感、幸福感、安全感。

原文始发于微信公众号（遇见新能源）：从习主席关心小哥的“安全感”看轻型车换电的“四道防护”