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2019智新峰会 中汽中心首席专家王芳博士 我国动力电池安全性测试方法研究

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2019智新峰会 中汽中心首席专家王芳博士 我国动力电池安全性测试方法研究

作者:
来源:
节能与新能源汽车年鉴
日期:
2019/11/06 11:55
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2019年新能源汽车智新峰会暨《节能与新能源汽车年鉴》发行十周年会议在北京裕龙国际酒店举行。2019智新峰会聚集节能与新能源汽车领域权威专家、行业资深人士、地方政府负责人、代表性企业负责人等,围绕政策、标准、整车、动力电池技术、驱动系统、自动驾驶技术等焦点问题进行深入探讨与交流,勾勒出产业未来的走向与趋势,继而大力推动我国新能源汽车产业创新、健康、快速发展。

 

中汽中心首席专家王芳博士作为嘉宾参会,发表《我国动力电池安全性测试方法研究》的主旨演讲。

 

中汽中心首席专家 王芳博士

 

王芳:感谢主持人的介绍,也感谢会议的主办,有机会跟大家交流。上午王主任提到了很多电池的问题,多次点名,他走的时候还跟我说了一下,说让我下午要把他提到的问题,跟大家有一些分享。我尽量做到这一点。我的报告内容主要是关于电池的安全性测试方法的一些研究。

 

我做这些研究的平台,我们中汽中心有一个动力电池的测试的实验室,测试内容涵盖从材料到电池的系统一直延伸到整车大数据的测评的工作。我下面讲的这些内容基本上是在这个平台上去完成的。我的报告主要是分为三个部分:

 

第一,测试的对象,整车、电池说起来也是想分析一下测试对象所处的状态以及具有什么样的特性。刘总给大家分析了节能汽车标准的框架,这也已经详细介绍了,其实对于电动汽车而言,因为有这样的一个高压的动力电池系统,所以跟传统车相比它的这个安全的评价的体系就多了这样方面的考虑。

 

1,充电的安全。

 

2,碰撞的安全。

 

3,高压的安全。

 

4,电池自己本身的安全。

 

5,当然,还涵盖了面向这种电动汽车的这种事故的救援的安全。

 

这些是跟电池都密切相关联的,但我们在做具体细节标准或者是对电池进行评价的时候,我们其实也会分析,实际的这种电动汽车使用过程中,它到底会存在着什么样的一个模式,我们会对电池的事故进行事故场景的分析,上午王主任给大家分享了一些从媒体上得到的数据,实际上我们自己也有这样的一个数据分析,这是我们今年6月份在日本会议上给大家分享的一组数据。这是从2011-2019年我们统计147起事故的场景分析,主要的原因是把它归类分为五大类,其中四大类是跟电池有直接或者间接的关系:

 

1,充电或者是过充电。

 

2,机械的破坏。

 

3,热扩散。

 

4,泡水。

 

5, 跟传统车相关,本身的绝缘或者是因为人员私自的改装等等原因。

 

看前四种,简单给大家举一个例子大家可以看的比较清楚。

 

充电或者是过充电,以前大家更关心的是过充电,电池承受了过充导致了失效,这只是下面的图片是这样的一个状态。这是2015年我参与的事故调查,那是过充电的状态。但实际上这两三年发生充电的事故,其实大部分是上面的视频展示的,它在正常的充电的过程中,或者是充电的末期以及充电刚刚结束放在那儿的那一段时间,这个时候出现这种事故我们归类为充电,这部分充电的事故可能跟充电的控制测,跟BIM的关联不是第一因素,第一因素会聚焦于电池的本真的充电安全性和可靠性上,跟它的电芯制造的一致性也有密切的关系。

 

机械的安全。机械的安全是除了碰撞、震震、后碰、侧碰还有托底的一些状态,我我后面给大家分析电池测试的时候,我并没有完全关注这一部分,而更关心的是跟第三类一样关联的,就是泡水,我们分析是IT床护设计不当,本来设计IP67但是真正没有达到,或者是不是IP67,这种情况下就发生了IP等级的不合格而导致了绝缘下降,发生了这样一个事故。机械安全泡水安全,刚开始关注是比较好,车也是好的,运行了一段时间机械可靠性下降,结构的可靠性下降之后带来的因为碰撞或者是轻微的碰撞以及轻微涉水导致了事故,我想跟长期适用可靠性相关联的安全。

 

电池自产水以及热失控的。今年国家也成立了电动汽车事故调查专家组,每一起事故要求企业主动的上报,我们在第一时间到现场了解最真实的一些状态,这是我总结的事故的一些主要原因。

 

在进行事故调查的时候我们很难得出一个单一的原因。有一些可能存在的状态:

 

1,电池容易二次复燃。二次复燃有时候已经掩盖第一次起火的痕迹。

 

2,有时候消防队来救援的时候有时候凿一个洞或者其他的办法进行了一些救援的措施,而这个措施也毁坏了一些最初的火灾的痕迹。

 

3,现在的三元电池这种燃烧的彻底的程度也是大家可以想像的。很多时候得出了原因,经常就是不能排除的几个方面的原因。

 

我把它总结了以下总结有这么几个方面:

 

1,生产制造的方面。对于原材料的这种质量的控制和生产的这种质量的控制。

 

2,电芯制造过程中的这种品质控制,品控的一致性的控制。

 

3,集成技术中的这种排泄、气候集成比BMS控制的原因。

 

4,实际使用。实际上使用的过程中所占的因素比较大,里面有一个重要是电池正常的老化它的这种可靠性的降低,导致了这种结构的损伤以及长期的这种震动,隔膜收缩这样一些因素带来的这种安全性。

 

再分析一下我们对于对象的特点:

 

第一,能量密度提升了非常快,这是我们实验室测试的结果,2015年系统的90%到现在140%多,可想而知虽然大家的技术一直在提升,我们知道大家在用不同的技术提升它的安全性,但我们实验室测试了2016-2018年市场上典型的12款电池,就是量非常大,还是明显的可以看到随着能量密度的提升,它的热的稳定性肯定是会下降,虽然你做了很多的提升。

 

第二,跟能量密度提升有关系,大家使用从磷酸铁锂到333、532到现在811甚至最近有人提出来988的电池,这个电池随着使用,有可能发生这种连式反应热失控的反应就在增加,这种情况下产热的过程中产生了吸氧量也有这样一些数量的变化。这些也是给我们这种安全性带来了这样一个挑战。

 

第三,容量。上午王主任也讲到,大家希望追求一个续航里程,对于续航里程是一个行业的痛点。包括百人会都组织过专门的专题讨论会,大家希望我们在汽车有限空间里面可以塞进去尽量多的电池,电池怎么办,有限的空间可以塞进更多活性物质,这种情况下冗余设计的量越来越小,可想而知,这个时候一方面隔膜和铜膜铝膜更薄,为了正负级的活性材料越来越多,这个时候是我刚才提到充电的问题,充电的时候这个电池有可能正常充电,但是冗余设计太少了,这种情况下稍微有不一致的电池很快处于过充的状态,因为它做的太紧凑了。大家都在想方设法通过正负级隔膜,电解液的技术来提升安全,但是对于我们而言电池安全性还是非常大。

 

事故调查,除了一些特殊原因的质量问题,大部分是车行驶一万多公里以上出的问题,这种情况下我们可以看到电池安全性是贯穿全生命周期的系统工程。并不是说新鲜电池测的怎么样可以一劳永逸,国家电池安全标准只是一个基本门槛,但是并不能保证产品一劳永逸的法宝。电池评价对企业而言是贯穿全生命周期的系统工程。

 

涉及到多层面的系统的评价工程,安全性的事故有几大类的情况,可能就会涉及到从材料到电池到BMS到系统,各个层级各司其职,材料的这种热稳定性、电池的安全等级水平、BMS的热管理和系统的热控制的一些措施,最后才能够形成相对来说比较安全的电池,对于它的评价而言是多层级的。

 

像材料多电池之间就是一个复杂的关系。比如说电池发生一个过充的事故,对应的材料,过充的性能可能不好,但是在这个过程中发生了非常复杂的过长反应,结构的损伤,复杂的反应有一个非常复杂的构效关系,我们希望可以找到这种构效关系把它看清楚。我们尝试着做这样一些工作,电池特性可以反推出来我们做什么材料是最好的,跟材料特性是有甚么关联,跟使用的机制又有什么样的关联。

 

举个简单例子,我们刚刚发RSC文章,用原位CT超声的方式看它的一个过程的变化,去看这个材料以及电池之间的关系到底是什么样的构效关系,我们做这个是干什么呢,我们做这个是主要出一个方法,可以评价材料跟电池之间到底是什么关系,这样的话通过测试材料就可以得出电池的一些性能。通过测试电池性能就可以反推出来材料是怎么样的一个状态,这是给出普世性的方法。

 

电池安全的评价特点对应于整车应用的多维度的评价,也就是说电池的安全都是从车的安全来的,所以电池的安全对应着车的安全要求,像第一个例子充电和过充电的安全,实际上对于车来说我们关系有很多,像车的、充电连接系统、像极寒、极冷、极热的环境,这都是我们要关心的,而它对于电池来说就是对于电池的功能儿童的要求是非常高的。实际上,我们对于电池层面而言,它可能更多的是本征的充电安全,其实本征的充电安全是一个更复杂的充电的系统性的工程,谁家的车辆有没有快充的性能,很多卖车都说我的车可以快充,我跟北京的出租车司机也聊过,他的车开了一年十万公里基本上都是用的快充,我担心的是,你经常快充,你担不担心你的车会很快的会坏,他说我不担心,因为车厂都保障过多少万公里,多少年,他只要有问题马上就会给我换,而且是免费。这种情况下对于整车来说是处于弱势群体的状态,这种情况对于电池使用来说,消费者不感觉到他会有这种安全的风险,他只是觉得我买了这个产品他肯定会保障我的安全,也会保障我的质量。所以他使用的场景并不一定能够完全满足电池的实际的状态,对于电池来说充电的这种策略是一个非常复杂的工程,对于充电评价也有一个团队在做,刚刚发了一篇SCR的文章,截取了一个非常小的图,评价一个电池的充电的策略要涵盖对它的这种容量、衰减包括它的温升以及功率等等综合的指标的评价,而且也是需要涉及到全生命周期的。所以这也是非常复杂的一个工程。

 

机械的安全。对于整车来说机械安全涉及到碰撞,这是法规的要求。上个月在我们中心做了三个电动汽车碰撞的事故场景,模拟在十字路口,一个车追尾,把这个车追出路面,被另外一个方向车发生碰撞的事故。大家更多的关心是什么,是发生碰撞的时候,电池的位移、损伤以及人员的防护,乘员的保护,电解液的泄露等等状态。但是我们更多关注的是,至少我个人更关心的是可靠性带来的安全性问题。可靠性指日常的震动、冲击等等这样的一些实验,像IP等级、震动以及冲击这是可靠性的实验,为什么这种可靠性的实验进入电池安全性的标准?我们知道对于电动汽车而言,在路上经过了上万公里的行驶之后,实际上这种可靠性实验因为在这种高压系统的前期条件下就变为的一个安全性的实验,在这个GB标准里面包括在全球法规中我们提出了这样的一个概念,对于车来做IP等级测试一定先做震动,先做可靠性的实验之后再做这种实验,来考核它的可靠兼安全性的实验。

 

热安全其实是最重要的话题,但是时间关系展示一页片子,有问题我们后续再讨论。

 

这是首次全球提出来热扩散的测试,也是我们牵头在做,刘总提到我们电动汽车方面、在国际法规方面我们是领跑者。我们一直在这个事情,前提条件是什么,对于目前的状态下,目前的电池的系数水平下电池单体发生热失控的可能性依然存在,我们也认可这种存在,只是发生这种热失控的时候我们要求车有一个事故的预警装置,一个电芯发生热失控一定要有警示,当这个警示发生了之后,也许整个车不着,也不爆炸,这是我们期望的结果。但也有可能最终着了,但是在着的这种结果我们能否接受,我们也能接受,但是在接受之前我们要有足够的时间给车上的乘员道生,这是我们基本的安全概念。这是我们写定的GB标准,为什么这一页包含了很多的东西,比如说这里面还涉及到,想设计好比较好的热管理系统,可以阻断这种热扩散,必须要有对电池的热电化学耦合的特性进行综合的评价,那又是一个评价系统,热电耦合的评价。在这种基础上才能够设计好一款比较好的热管理系统,在对热管理系统进行综合的评估,热管理系统评价体系现在我也写了一个团体标准,这里面的内容非常多,有时间我们可以再深入交流。

 

这里面测试的内容,包括电池的安全测试有那么多的特点。在去年我们团队联合国内21家单位申请了科技部的重点支撑项目,在未来的三年内要在这几个方面还会做深入的研究,大概会有60、70普世性的测试方法会出台,也会有一、二十个测试标准出来,以不同的形式,团标、国家标准的形式,这个项目是一个共性的项目,希望以后有机会能够大家多给我们意见,可以把这种课题做好,为行业服务好。

 

电池安全的标准化。目前电池标准的体系里面最最重要就是GBT几个电池的安全标准,强制性的标准已经出于报批的状态,也是行业最关心的内容。那里面有刚才提到热扩散的测试以及包括震动等等这样的一些测试的内容。

 

全球的法规。全球法规二阶段现在正在进行当中,12月初会去德国参加下一次会议,第二阶段议题里面有四个电池直接相关,包括热扩散、震动、海水浸泡以及毒气分析,这四个主题都是由中国提出提案在深入的讨论,中方每次都有十几个专家参与讨论,我也希望我们在座的其他感兴趣的同行和专家也可以献计献策,跟我们共同参与到这个国际法规的制订中,跟我们一起在法规方面、在国际的引领话语权方面能够有更多的合作。

 

我的报告就到这里。

 

以上内容据峰会现场速记整理,未经嘉宾本人审阅。

 

活动报名

关于举办“汽车行业标准必要专利领域热点问题”研讨会的通知
活动地点:
北京裕龙国际酒店
活动时间:
2023-10-27 09:00 ~ 2023-10-27 17:30
报名时间:
2023-09-05 00:00 ~ 2023-10-27 07:30
《节能与新能源汽车年鉴》编制办公室于2023年10月27日“汽车行业标准必要专利领域热点问题”研讨会。本次会议我们邀请到领域相关专家,结合欧盟等国家全球法规及实践经验,帮助我国企业更好地应对机遇及挑战。

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