2023年麦肯锡发布中国汽车消费者洞察报告，报告表明凭借在综合性价比、智能化体验、原生电动汽车平台等多方面优势，新势力车企赢得了消费者的青睐，在网约车市场上替代燃油车普及化的局面已经成为了现实，虽然燃油车在家用保有量上依然占据主流，但是新能源汽车也在逐年渗透。最新的调查结果显示制约消费者购买新能源汽车的前三大原因为续航焦虑、充电便捷性以及汽车的安全问题。
图1.麦肯锡中国汽车消费者调研
安全设计策略或为当下动力电池安全首要防护衣
相比于燃油车，电池热失控为EV的主要安全风险，2011-2019年，全球新能源汽车起火事件有127起，从这些事故车辆的类型来看，纯电动车型的占比最大，达70%以上，混动车型占17%。而车辆起火时的状态分别是:行驶中(41%)、停放中(29%);充电中(19%)。具体到电池材料类型的话有三元锂电池(61%)、磷酸铁锂电池(22%)、其他聚合物(17%);按照结构形态分类，其中圆柱电池占比(44%)、方形电池(23%)、软包电池(6%)等。造成锂电池热失控的原因是多方面的，机械滥用、热滥用、过充过放等诱导因素会导致电池内部材料或结构发生失效或者损坏，最终导致热失控的发生。可以通过潜在的热失控现象进行分析从而判断电池状态，这些潜在现象主要为出现电池容量衰减、功率衰减、电压降低、异常温升、内部短路、内阻增大、产气。
图2. 锂电池热失控诱因与现象
锂电池的热失控主要分为三个阶段（见图3），Te(人员逃离温度)告诉我们有效的预警手段只能在第二阶段以前。BMS电池管理系统时刻监测着电池的电压、电流和SOC等状态。尽管在第一阶段会出现容量衰减、内阻增大等现象，但锂电池的自然衰减与第一阶段的现象高度重合，因此，使用BMS来做第一阶段的预警非常困难，真正判断电池是否发生热失控，在第二阶段监测电池温度的异常和产气等行为是行之有效的手段，也是目前主机厂主要采用的预警方法。
图3.锂电池热失控的三个阶段
事实上，最早被引入电动汽车的热失控预警传感器是烟雾传感器（气溶胶传感器），原因很简单：电池燃烧往往伴随着烟雾。但无论是三元锂电还是磷酸铁锂，冒烟与产生明火的时间间隔都极其短暂，预警效果十分有限，因此，这一技术正逐渐被主机厂淘汰。工程师们发现，电芯在热失控第二阶段的大量产气，会使密闭的电池包内气压上升，采用气压传感器监测包内压力异常升高，以此来判断电芯是否发生热失控。但矛盾在于，如果电池包完全封闭，电芯的持续产气行为会导致电池包内压力持续上升，过大的压力会对电池包结构造成损害，因此工程师们为电池包设置了安全阀，当压力超过一定值时，安全阀会打开，释放电池包压力，这一过程持续的时间很短，这就导致——气压传感器的信号持续时间极短，在三元锂电系体系，这一时间甚至不到2秒，而汽车在正常行驶时，经过涵洞、两车交会时的伯努利效应、非电池温升导致的底盘温度升高等都会带来气压传感器的信号值变化，可能会与正常热失控的信号模型产生重叠，误报和漏报的概率便会增加。
除了关注信号的有效性，信号的时效性也是不可忽略的因素，信号本身的传播速度是有限的，距离越远，则信号的时效性越低。温度作为热失控第二阶段的重要参数早期也是被工程师们重点关注的，但在实际应用中发现由于动力电池模组的尺寸较大，热失控发生的位置不确定，温度信号传递就会出现延迟， 电池模组的设计要考虑容量、结构强度、热管理、电气性能等诸多因素，对于信号源的监控往往无法采取最短距离的原则。封闭的电池包环境为气体探测预警提供了绝佳的条件，戴姆勒电池研究院的锂电池热失控测试也表明（见图4），气体探测的响应值最为稳定，响应速度最快，可能成为热失控预警的首选方案。
图4. 德国戴姆勒发布的不同传感器在电池发生热失控后的检测表现
合适的气体监测是热失控预警的关键
尽管锂电池在热失控过程中会产生氢气、一氧化碳、二氧化碳、烷烃、烯烃、氟化物等气体，但氢气相比其他气体，在电池热失控过程中更早被释放出来，氢气具有所有气体中最快的扩散速度，且在热失控产生的气体中占比最高，检测证明其浓度甚至超过40%以上，且它也是造成电池燃爆的元凶。为何不选择一氧化碳或者二氧化碳探测，首先二氧化碳并非易燃易爆气体，探测其浓度在安全考量上意义不大，其次一氧化碳虽然是易燃易爆气体，但是在热失控的过程中释放的浓度较低，达不到爆炸下限，市面上的复合探测器普遍采用的是电化学原理的一氧化碳传感器，其技术原理决定了其不耐高低温、寿命短等，能否达到车规级有待考量，因此，如果氢气传感器能达到车规级，将会是热失控预警的一个突破口。而芯镁信经过大量的测试表明，MEMS的热导型氢传感器完全可以满足车规的要求，且相比气压传感器，信号更加持续稳定。
图5.芯镁信的车规级氢气传感器与气压传感器在热失控后检测的表现
结语
电池安全问题一直是新能源汽车的瓶颈，电池的燃烧、爆炸等问题一直困扰着车企和消费者，各大电池厂和车企也纷纷投入固态电池的开发以寄希望于该技术可以解决电池的安全问题，但实际上，固态电池很难实现量产，且有很多科学及技术的基础问题尚未解决，界面问题仍是全固态电池最难逾越的一个鸿沟，眼下只有把动力电池主动安全的策略设置得当，才能在市场日益激烈的新能源赛道跑出不一样的路。
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