雷洪均

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　　ISO26262功能安全培训7月6-8日

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　　发展新能源汽车(电动汽车),电池是一个瓶颈。为了破解这个,大家把精力放在提高动力电池的比能量上了,于是比能量目前是天天在提高。但是,从理论上讲,比动力电池能量越高,将其安装到车上后,其安全性的考量也越来越重要了。今天,纯电动汽车一次充电行驶里程超过200公里了,市场上接受度基本得到认可了,但是对电动汽车安全性,用户接受是“零容忍”。如何做到绝对安全?才是电动汽车推广又一个要面对的新瓶颈。下面介绍《动力电池包安防系统原理及实例》,就是要求实现电动汽车在动力电池这一块必须是100%的安全。

　　一、动力电池是相对安全的

　　动力电池是电化学产品,即是危险品。但是其危险品的等级是相对较低的,国际上有关组织对危险品等级进行了划分。动力电池等级是第8、9级的危险品。其与炸弹、鞭炮、汽油、柴油相比,在常态下,不会爆炸、不会起火。但是动力电池装到了汽车上以后,其环境发生很大变化,而汽车发生安全事故频率目前还是很高的。动力电池在汽车发生事故(碰撞、翻车等)当中,能不能保障不发生次安全事故?如果动力电池系统在意外情况下发生了内部短路,能不能保障不发生安全事故?如何发生了电动电池安全事故,有没有办法防止其放大?以上是必须要回答的,是不能回避的。

　　二、在极端条件下,动力电池发生事故概率是客观的

　　在目前的技术条件下,汽车在高速行驶过程中,发生安全事故的概率是相对高的。在技术能力不能满足要求的前提下,目前基本做法是,通过教育和管理手段,来保障汽车的安全性。而实际上传统汽车安全措施也是在持续改进,但是汽车发展速度也越来越快,汽车驾驶从一种职业变成了个人的生活技能。这个对汽车安全性要求也越来越高了。同理,动力电池在常态下,其危害性不大,但是电动汽车要进入平常老百姓家里了,电动汽车就是一件家用电器,其安全性必须保障100%。笔者认为目前家用电器能做到,电动汽车也是能够能做到的。动力电池作为一个汽车总成件,市场要求其安全性必须做到与汽车同生命周期的100%。

　　三、动力电池安全措施是一个系统

　　动力电池安全措施是一个系统工程。从动力电池单体生产到电池包的集成、到电池系统装置完成、到整车安装布置、到用户日常车辆保养,都是有安全技术要求和安全责任的。而重点是动力电池包的安防技术的提升,这已经深入到安全消防范畴了。目前动力电池安全技术,从电体的材料、电池包、电池系统及接插件、线束的安全等级安全都是在持续提高。但是按家用电池的安防要求来讲,其差距依然较大,否则就不会出现一次会烧80、90台新能源客车事件。人命关天,安全无小事。要发展新能源(电动)汽车,必须把不安全的可能性降到零。

　　四、对动力电池包的基本安全要求

　　按照国家有关标准,对6m以上客车的车载电池包,要求配置自动灭火器总成。当然从技术上,对车载动力电池包的基本要求是,其技术指标稳定性要好、他自己不出现质量问题。在出现极端情况下,也不能出现短路、过热、不能起火,更不能出现爆炸。如果出现了以上情景,必须在相当短的时间里,把安全事故的危险降到最低,必须确保人员的安全。

　　五、技术上对电池包安全措施(总成件)的要求

　　(1)这个总成件体积要小、重量要轻,相对电池包而言,要做到可以忽略不计。其理由是,动力电池包空间十分有限,目前提高电池包的比能量,其任务很重。

　　(2)主动探测、数据分析及研判、控制、管理多重功能高度集成,能智能分析电池热失控阶段并进行自动干预控制,理由是电池包是一个动态工作系统,其指标值是不断变化的,而且是随机的。这些功能必须是智能化的。

　　(3)与BMS管理系统必须能对接。将探测到电池箱内因内部短路、过度充放、外部短路等导致火灾初期所产生的气体、量、烟雾、明火等信息,通过数据总线及时传递给控制总台。其理由这已经是基本功能了。

　　(4)在无电源条件下,当环境温度到规定值时,灭火装置能自动启动,完成其设计功能。其理由是,电动汽车经常处于停止状态,而动力电池内部做功并没有停下来,而这个时间内发生安全事故的概率极大。有了这个功能,才能做到安全万无一失。

　　六、传统灭火产品特点介绍

　　哈龙1301(卤代烷)

　　压力储存、灭

　　火效率较高、

　　因破坏臭氧层被各国禁用

　　七氟丙烷

　　(FM200)

　　压力储存、灭火效率较高、高温下产生氟化氢与水结合形成腐蚀性有毒物质氢氟酸。

　　二氧化碳(CO2)

　　压力储存、灭火效率较低、对操作者要求高,安全性不足易造成窒息等人身伤害。

　　混合气体(IG541)

　　高压储存、灭火效率较低、产品受环境温度制约,系统造价昂贵。

　　目前二氧化碳类的产品已经普遍用于发动机舱和客车车身上了。这类产品用于动力电池箱灭火,开始用到电动包里。但不足的是,体积过大,灭火后遗留物太多,清理十分困难。发生新的安全事故,目前其控制智能化较低,推广十分困难。七氟丙烷用于动力电池箱灭火,也有不足,主要是与电池包生产厂家对接,要将液态运输到电池包内部,要一定长度的管路支持,其工艺布置比较困难。

　　七、新型的动力电池包安防系统

　　下面是710研究所研发的动力电池安防产品(为军转民品),笔者将学习体会,分享如下:

　　(1)体积小、重量轻,安装灵活方便,扑灭1立方空间火情最低仅需28克药剂。

　　(2)以秒级速度快速灭火,感温自动或手动启动,装置全方位立体淹没式喷发。

　　(3)无压储存,无复杂管网、防水防潮,耐温防腐,十年免维护。

　　(4)释放后亚纳米颗粒随烟气排出,无残留附着物,无毒无害,易于维护清理。

　　其基本原理:

　　当火灾发生时,气溶胶自动灭火装置通过电启动或感温启动方式引发灭火药剂发生作用,迅速产生大量亚纳米级固相微粒和惰性气体混合物,即气溶胶,以立体全淹没式作用于火灾发生的每个角落,快速扑灭火灾。

　　八、总结

　　中国船舶重工集团公司第七一〇研究所是国家863计划高技术项目研究单位,拥有一支涉及机械、电子、材料、自动控制、精密仪器、计算机软硬件、系统仿真等专业经验丰富的科研队伍。

　　如何借助国家队资源,解决目前新能源汽车发展过程面对的许多技术的难题,是值得我们行业人士认真学习和思考的事情。发展新能源汽车是国家大战略,将军用产品民品化,造福老百姓,也是一条基本思路。

　　大波车用需求！MCU、MOS、IGBT、BMS、驱动IC吃紧

　　拓墣产业

　　调查显示，在各国政府致力于节能减碳政策的推动之下，促使汽车工业与ICT科技进一步结合，预计将带动与车辆能源管理相关的模拟IC与分离式功率器件(Power Transistor)在单一车辆的搭载金额，由2016年的188美元上升到2017年的209美元，车辆产业占Power Transistor需求比重达23%，仅次于工业用需求。

　　拓墣产业研究院研究经理林建宏指出，从法律层面来看，各国政府对于废气或是二氧化碳等排放有其严格要求，回推到车辆本身，如何进一步降低不必要的能源消耗，以符合政策法规的要求，成为车辆设计的首要课题。随着车用半导体在汽车产业的重要性与日俱增，特别是电动车领域（PHEV+BEV）更是增加不少充电、AC/DC、DC/DC等电力系统，来供电给不同的子系统所使用，在此过程中，转换效率的表现与能源安全管理，就成为车辆能否通过政策法规的核心关键，相关半导体组件规格与表现就显得格外重要。

　　车辆电压与电池容量持续上升，带动模拟IC与Power Transistor需求

　　林建宏表示，不同于手机将主要的电源管理集成到一颗PMIC，车辆因为安全性的考虑，包含各子系统的稳压、静电防护、信号隔绝等等需求，从电力传输开始，充电站供电(电动车)、电池管理、逆变器、次逆变器与DC/DC降压等各类系统都在车辆中扮演其重要角色。

　　细分其半导体组件，亦可以拆分出包括专用MCU（微控制器）、MOSFET、IGBT、驱动IC与BMS（电池管理系统）IC等，目前主要供货商，仍以Infineon（英飞凌）、Renesas（瑞萨电子）、ST（意法半导体）与TI（德州仪器）等国际车用半导体大厂为主。随着电压与电池容量的上升，不论是在能源转换效率与电路保护上的需求，均使得车辆对模拟IC与Power Transistor的倚重不断上升。

　　以Power Transistor为例，车辆产业对Power Transistor的消耗，预计将由2016年的22%拉升到2017年的23%，到2021年会更进一步提升到26%，车用市场已稳占Power Transistor第二大需求产业位置。

　　欧美日IDM厂未来可望扩大委外制造，成台厂机会

　　观察台湾半导体产业在车用模拟IC与Power Transistor的布局，如台积电与联电等晶圆代工大厂皆已有代工车用芯片的经验，随着车用半导体技术的日渐成熟，未来欧美日IDM大厂在成本考虑之下，或许会将部分产品释出，委由有量产车用组件经验的业者代工。

　　此外，如世界先进已经是英飞凌IGBT产品的代工伙伴，尽管订单有限，但随着电动车的日渐普及，IGBT产品又是市场主流的情况下，IGBT用量势必增加，届时世界先进或许将有机会取得更多的订单。

　　中国大陆积极布局车用功率半导体，设立一条龙产线

　　不同于数字电路遵循摩尔定律的路径不断微缩，Power Transistor因为组件物理的限制，不仅在尺寸的微缩上受限，耐压与能源转换效率也受限材料特性，效能改进面临瓶颈。但车辆因安全辅助驾驶的需求，对电力系统的要求规格不断上升，而传统Si材料在效能改进上出现重大瓶颈，这也使得SiC与GaN材料成为功率半导体组件发展的重点。

　　凭借全球新车购买量超过三成的庞大市场，中国大陆厂商致力以电动车作为发展汽车产业的突破口，特别是在功率半导体中SiC与GaN的研究，以及产线的设置也成为发展重点。除了既有的6寸厂升级外，包含厦门、泉州等地均筹备由晶圆、磊晶到组件制造的一条龙产线，此举也使得传统由欧美日主导的功率半导体市场，可能将出现新的竞争局面。

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