作者：Rainer Justen，德国奔驰汽车发展公司
摘要：2009 年，戴姆勒公司成功推出世界上第一款锂离子电池混合动力电动汽车，即梅赛德斯 S 400 混合动力电动汽车。通过使用锂离子技术，标准 90Ah 的启动电池上可实现最高 0.8KWh，最低 6.5 Ah 的容量，因此实现 19 KW 的恒功率（报废)。系统电压为 126 V @ 3，6 V。
与梅赛德斯·奔驰一样，研发工程师对安全问题给予了特别的关注。从遵守所有全球及国内法律的碰撞试验要求，到最大可能确保电气元件的安全都充满了挑战。这一安全体系已在生产过程中应用，包括针对维修和保养期间的车间人员，同时考虑到事故后乘客需要的紧急救援。因此，S400 混合动力技术配备了广泛的 7 阶安全概念。
1.在第一阶段，为避免混淆，所有接线使用颜色代码标注且标有安全说明。这可防止生产过程中的装配错误，并更容易进行定期质量检查。
2.第二阶段，采用充分绝缘和新开发的专用连接器，对整个系统提供全面的连接保护。
3.作为第三阶段的一部分，针对世界上首款将用于系列化生产的锂离子电池，提供了一整套精心调整的安全措施。这种新型电池被装在一个高强度钢壳内，并固定到位。将电池单体置于一种特殊的凝胶中，以有效减轻振动和敲击。同时配有破裂片的泄压口和一个独立的冷却回路。内部电子控制器持续监控安全，并在出现任何故障时立即发出信号。
4.安全概念的第四阶段，包括电池端子的分离、所有高电压元件的单独安全接线以及多个互锁开关的持续监控。这意味着所有的高压元件均由一个电气回路连接。一旦发生故障，高压系统将自动关闭。
5.第五阶段，在点火装置为“关”或发生故障时，高电压系统立即主动放电。
6.在事故过程中，高电压系统在不到一秒内被完全关闭。
7.作为最后阶段的第七阶段，对系统进行持续监测短路。
锂离子电池的安全性能是研发过程的重中之重，不仅要满足世界上所有关于高电压电池的化学和电气安全性能标准,还要满足关于环境、运输、安全性能和操作方面的要求。对于世界范围内的法规和消费者评级的碰撞安全标准和要求,上述要求同样适用。另外，为保护系统在严重程度高于标准的碰撞试验中免受高机械负载的影响，完成了一个广泛适用的试验程序。尽管车用锂离子电池已经被设计得特别安全，但这些试验关注的重点是那些大众熟知的锂离子电池在其他装置（如笔记本电脑）中的火灾风险。
根据德国保险统计数据（GDV，德国保险业），德国每年约有 4 万起汽车火灾（包括数目不详的大量纵火案）。在不考虑纵火的情况下，40％的汽车火灾是由液体泄漏引起的。而约 1％的此类火灾发生在碰撞事故中。在美国，每年 3 万起汽车火灾中有 50％是由于机械损坏引起，其中 3％由碰撞引起（美国消防协会，7/2008；www. nfpa. org)。因此，高压电池安全性能的最终目标是，防止任何可能导致电解质泄漏的电池外壳损坏。
尽可能确保锂离子电池碰撞安全的措施就是，将其放置在一个在实际碰撞中能很少受损、发生轻微变形的区域。因此，奔驰 S400 混合动力电动车的锂离子电池安在了之前标准H8 启动电池处，在发动机舱的右侧，就在防火墙的正前方，而12V的启动电池被移到后备箱。防火墙被设计成可变形的，以允许锂离子电池的一些移动，并在发生极大形变时，机械卸力到电池外壳上。在所有进行的试验中，包括碰撞严重程度高于标准要求的试验，达到防止电池机械受损的高保护水平是可以实现的。然而对锂离子电池进行额外的部件试验，载荷超过了其机械稳定性。在几种不同静态和动态载荷场景的试验序列中，评估了锂离子电池汽车在极端严重碰撞中受损的火灾风险，包括短路引起的火灾。特别是对有毒烟气的溢出等电池电气和化学特性进行了分析。
目前，已在美国桑迪亚国家实验室（FreedomCAR）的机械滥用试验基础上，确定了锂离子电池的相关碰撞场景。由纹理压板表面加载的电池，必须按其原始尺寸的 15％（阶段1）或分别为 50％（阶段 2）碰撞，或使用电池重量 1000 倍的极限载荷碰撞。此外，直径为 20mm 的铁钉可以穿透100mm 的电池或穿透 3 个电池。为了实现更真实的载荷场景，文中对附加的具有基本几何形状的冲击器进行了测试，这样可在未来的试验标准中实现高度再现性。例如直径为300mm或 150mm 的半圆柱体、直径为 150mm的半球、半角形、点状平面以及叉形剖面。这些静态试验的极限载荷为250kN，或在电池损坏后停止。之后，使用能量等效动力载荷进行了类似试验。
根据美国联邦能源署（FEA）碰撞模拟的估算，即便在最严苛的实际碰撞中，以极高的碰撞速度撞击，电池受力也不会超过 100 kN。虽然奔驰 S 400 混合动力电动汽车的特殊优质钢电池外壳可以承受更高的冲击力而不发生任何泄漏,但为了迫使外壳产生裂缝，还进行了更高载荷的附加试验。由此产生的电解质泄漏和火星引发的火灾程度是非常温和的，并在几秒后熄灭。因此，预计单纯的机械挤压不会导致热失控。即使在机械性短路的情况下，也只有直接相邻的电池会损坏，电池温度仍低于临界极限。
综上所述，所进行的试验已证明，奔驰 S400 混合动力汽车具有极高的安全水平。特别是锂离子电池，即使在极其严重撞车事故中也不会增加任何额外的火灾风险。