王芳:电池性能评价体系中安全才是最重要的一点

原标题:王芳:电池性能评价体系中安全才是最重要的一点

消息来源|搜狐汽车综合

[搜狐汽车·E电园]1月11日-1月13日,以“汽车革命与交通、能源、城市协同发展”为主题的中国电动汽车百人会论坛(2019)在北京钓鱼台国宾馆举行。本次论坛以 “汽车革命与交通、能源、城市协同发展”为主题,围绕汽车零排放和电动化变革、能源转化及传统能源公司转型、未来交通和出行变革图景、下一代汽车关键技术发展、汽车智能化和网联化趋势、核心供应链培育、汽车生产组织方式变革、国际创新对接、产业政策调整等热点问题进行研讨。

在1月13日下午进行的《主题峰会8:动力电池技术峰会》上,中国汽车技术研究中心首席专家王芳发表了主题演讲。

以下是演讲实录:

尊敬的吴老师,各位同行,大家下午好!首先感谢百人会的邀请,让我有机会在这儿跟大家做这样一个分享。按照会议的安排,我的题目是“动力电池安全性测试评价”。

实际我们在关键动力电池测试评价的时候,首先考虑的是从整车使用的角度看整车性能的评价以及它对于动力电池引申出来的电池性能的要求。实际昨天下午几个领导的报告里面都有提到,对于电动汽车来说,在所有的电动汽车的性能里面,安全是它最为重要的第一个性能。实际上我们跟它相对应的,动力电池范围内,今天也讨论的非常多了,大家其实最最关心的也是动力电池的安全性。

实际我们在研究动力电池安全性的时候,考虑的会有这样几个层级:

第一,在实际不同的温度、适度,不同的使用条件下,各种恶劣的环境当中,它能够正常使用的安全性就是说它可用的安全评价。

第二,不能回避的,刚才各个专家提到的,电池的安全性它的安全隐患是可能存在的,一旦发生隐患的时候可控的安全评价。

第三,一旦发生事故以后它失控的评价。

时间关系我们今天只分享到前面的可用和可控评价里面的一部分内容。

大家知道,我除了做测试以外,还会很大一部分精力投身于国内的国家标准和国际法规的制定当中。我们在制定国内标准和国际法规的前提,就是要研究在电动汽车实际使用的过程当中它可能存在的,有可能遇到的这样一些失效或者是一些时空的状态,以及这种状态有可能带来的这种结果是什么样的。这个是我的团队分析了从2011年—2018年的9月份,所有的电动汽车的事故里面乘用车的事故分析大概有80多例事故,事故里面我们分析了具体的事故原因,当然这个原因所有的,因为有一些是我们能知道确切原因的,我本人也参加了几起事故详细的调研过程,大部分的事故原因其实是更多的来自于我们能够搜索到的这样一些媒介里面的分析。我把它做了一个统计大家看,里面有16%是跟充电的过程相关的,刚才艾老师也分析了,电动汽车在使用过程当中,他分析的是过充电,实际上有一些事故我们看到是在充电的末期或者是充电的过程当中,有一些是在过充电的状态下,这个大家也比较清楚了,在充电的末期甚至是过充电的时候,相对来说它的活跃程度是比较容易发生安全性的问题。第二类,碰撞,就是一些机械外力因素的影响,它的占比大概在18%,第三类,进水,这种情况大概占3%左右。另外有一类比例比较大的35%,我们进行了仔细的分析,认为有一些事故鸢尾是电池的内短路引发的这种时空,就是刚才很多专家提到的这种问题。

还有一些原因,我认为他是不明原因,我也解释不清楚到底是什么样的原因导致了这种热失控,但是可以确定的是,这些事故起火的第一位位置是在电池包的位置,我们其实在做全球法规的时候,现在热扩散是重点的话题,这里面我们把热扩散所有的原因进行了详细的罗列,包括这种机械的、电的、热的、环境所有的因素都列下来以后,大家认为基本上可能发生的这些原因,我们在国际的法规层面各种项目都已经有了相应的项目去限制它、去保护它的安全,比如说碰撞,大家认为我们的这种机械的振动、机械的防碰撞以及动态模拟的碰撞,这些项目能够保障。比如过充电,过充电的保护能够保障它,我们进行系统的分析以后,可能在无事故自燃里面有比这个比例要小的一部分,就是认为在实际的生产过程当中带来内部内短路的隐患而导致的热失控,这是我们想关注的一个重点,也是目前法规层面没有保护的,也是我们热扩散目前专家研究的比较多的。

实际在全球法规制定的过程当中,我的观点,我跟全球专家交流的时候,我把我的观点也摆出来,除了在生产制造过程当中这种热扩散以外,因为高比能电池的发展,它的很多不确定因素导致的瞬间的热失控已经变得越来越多,而这种情况下我们可能更多的关心是内短路,而不关心由什么来造成内短路,这种内短路带来的这种热失控。

最后这部分,其实是跟传统车一样,因为其他因素导致的电动汽车的着火自然,我们谈动力电池安全性的时候,离不开对电池本身技术发展的分析。我刚才也说了,我们对这种热特性分析的时候,也看到现在能量密度的快速发展,我们根据车的合格证的数据进行了分析,截止到2018年10月份,电池的能量密度、系统的能量密度的平均值已经达到了139.5瓦时/公斤,而它的成组率也达到了74%,我们可以看到从2015年到90瓦时/公斤,,到2018年的140瓦时/公斤,50瓦时/公斤的增量仅仅用了3年多的时间,这个时间对于产品的更新迭代和可靠性的验证周期来说,在这种系统的能量密度提升的状态下,大家首先考虑的是单体的能量密度的提升,这个图截止到2018年底我们实验室测试的数据,昨天下午有领导的报告里也有提到,单体的能量密度已经到了260瓦时/公斤这样一个状态,我想说一下的是,从2012年的时候我们电池的单体能量密度150瓦时/公斤,到2015年的180瓦时/公斤,2018年的是260瓦时/公斤,从120到150的30瓦时/公斤提升用了3年时间,从180到260大概80瓦时/公斤的提升也只用了3年的时间,我想这个速度的增长里面可能会隐含一些需要我们更多需要重视的除了能量密度以外其他方面的一些问题的关注。

我们可以看到,他提升的单体体系的变化,从2012年的磷酸铁锂到2015年的333,再到2018年的622、532这样的快速变化,准确说应该是2017年底,而实际上到了2018年、2019年的转变过程当中,我想前面是从稳步的推进到快速的跑步到333、532,再从532往622,基本上我们看到的趋势2018年到2019年,大家已经快步的从532跃过622快步跑到了811的阶段。在这个过程当中大家可以看到,刚才有很多专家已经分享了类似的数据,我们看到,不同的体系能量密度不同的电池,他的自产热温度、自产热的时间以及产热瞬间的温升速率是不一样的,而且是急剧增加的,更别提刚才也有专家提到的给大家分享的,就是他的这个析氧量的差异。

另外一个,大家为了能够达到这种高比,在制造电池的时候,因为要把电池做的尽量大,能够满足长续航的要求,大家可以看到这样一个变化,就是它隔膜的量变小,正、负极极片的增厚,这个也增加了他这种安全性的挑战,刚才艾老师也讲了电芯这种材料改性方面的尝试,包括隔膜的技术,正、负极以及电解液的改进。

实际上随着能量密度提升,我想大家对于安全性,不单单是依赖于单体的层级,而是一个系统的工程,对于我们测试来说,我们关心的也是从单体的层级已经早就过渡到多层级的系统评价阶段,包括单体层面的这种安全性。单体层面的安全性已经变成了一个等级、一个范围,而不是一个绝对安全的概念,它绝对是一个相对安全的概念。在这种情况下,再延伸到材料层面的这种安全性的水平,以及它有可能做的提升和改进。

另外,依赖于BMS的这种监控和保护功能的这种加强,以及电池壳体的这样一些保护,最终希望能够得到一个相对安全的电池系统。

下面我们也得到科技部重点研发项目的支持,从这样几个层级开展了相关的研究,下面简单的介绍一下:

第一个,是材料到电池层级安全构效关系的评价。对材料特性的测试评价,高校、科研院所做了大量的工作,也有很先进的仪器设备和测试方法,来对材料的特性进行表征。我们过去十多年里,对电池的特性也做了大量的研究,对于它的各种安全性的测试项目。实际上我在测试的时候,我们把它叫做黑箱的测试,就是电池从材料做成电池以后,它在整个反应的过程当中、使用的过程当中发生了什么,其实有很多是我们不知道的,所以它的一个黑箱的测试。实际上我们现在更多的是希望怎么样能够更多的提升电池的安全性,我们关注的是在这个使用的过程当中,它的过程反应是什么样的,而这种过程反应,我能不能够非破坏的去观测到,这样更好的了解材料在电池的安全性能的表现过程中扮演了什么样的角色,它能够再做什么样的提升。所以这个过程里面,包括刚才有专家提到SCI膜的变化是可能大家关心的重点,还有其他的一些因素。

实际我们现在在做的尝试就是,采用原位的CT或者原位的中子衍射、原位的扫描等等一些手段,希望能够让黑箱子逐渐的变得透明一点,能够看到它在整个使用过程当中它的一些变化,它的一些实际定性的参数能够被定量的或者尽量定量的检测到,去知道它的这种安全的构效关系。

电池的电芯层级我想说的是,电池的安全性,今天王朝阳老师说了,将来希望能够做大无管理的电池,我想在目前来说可能还是一个理想。实际电池是在全生命周期内动态变化的一个电化学的载体,它的安全可用边界本身就是一个动态变化的,所以我们希望能够了解的,第一,它本身的这种安全性可能的水平等级是什么。第二个要了解,在它的全生命周期内,它不同的生命周期状态下,它的安全等级是怎么样变化的,要看到其实它的可用,这是我们画的一个动画,可以看到它的可用边界一直在缩小,我们怎么样能够保障电动汽车在全生命周期内我们控制的边界能够一直是安全的,这是我们要重视的。

第三个层级,管理系统。现在这种能量密度的提升对于管理系统提高了更多的、更高的一些要求,或者对它寄予了更多的期望。现在对于管理系统来说,对它的评价也越来越重要,管理系统正在起草的国家标准有两个,一个是管理系统的综合要求,还有一个就是管理系统的功能安全,这两个标准大家可以看一下,实际上我们把电池的管理系统评价分为五大类,一个就是均衡,一个是SOX,刚才马老师详细介绍了一些他的办法,实际SOH的方法下周二我们会在学会的团体标准立项,会把它具体的测试方法定量下来。另外电磁兼容功能安全。还有一个,比较重要的就是热管理的评价。实际我们也在做一个团体标准,下周三会讨论这个团体标准具体的草案稿,这个里面我们会重点的关心,你在实际的使用过程当中,它的热管理的冷却、加热、保温、均温、能耗能不能达到我们热管理的实际使用要求,能不能达到最初设计的这样一个目标值,提到我们这儿我们可能就要关心热管理系统怎么设计,实际上热管理系统的设计当中,我们依赖于大量的测试评价,实际上这个测试评价我们也建立了一个评价的体系,里面最最重要的就是电池的热特性的获取。首先就是,在不同的SOC的状态下,不同的功率、不同的倍率、不同的外界环境下,它的产热特性、产热量、产热功率、温升的最高温度值,这是温升范围基本的数值。第二个,看它的基本边界,因为电池一定是有一个热失控的边界的,我们要找到的是它的边界的值。第三个,它在这个边界值下,向它临近的电池传递的这种方式,、传播的这种速度以及传热量、以及有可能失控的这种边界点,这些数值是我们能够做好一款热管理系统最基本的要获取的数值。

第四个层级,系统的安全性。这是10日刚刚工信部挂在网上征求意见的“电动汽车用动力蓄电池安全要求的强制标准”,这个标准里面电池系统的要求,我不详细介绍了,有15项,现在正在执行的电池标准比较大的差别,一个是振动的测试,我是根据实际路谱的采集做的振动路谱要求。另外浸水的要求,是要求做完振动以后经历一定的使用状态下再去做浸水实验。还有一个非常非常重要的就是热扩散的测试,假定一个电池的热失控是必然有可能发生的,发生的概率永远存在,虽然我们希望能够把这个概率降到越低越好,实际上必然是存在的。这种情况下我们要求的,刚才说了,我们更多的是关心内短路发生的情况下,所以我们要先模拟用不同的方式去模拟内短路,然后在这种热扩散、热失控发生的时候,一个电池发生热失控的时候,这个热失控发生的条件我们做了界定,包括它的温升速率、最高的温度值以及电压的下降。

在这种情况发生以后,我们要看它后续的反应。首先,如果没有这种事故的报警信号,就是说现在要求电动汽车上都要装这种热失控的事故报警信号,如果没有,或者是事故报警信号发生以后没有到5分钟电池整个起火的话,我们认为它是失效的,这种产品是不符合要求的。另外两种形式,如果5分钟以后再发生这种热失控,就是整个电池包着了,我们也认可它是安全的,或者最后整个电池包没有着,那是最好的一个状态,为什么呢?我们的依据是,能够在5分钟的时间内,或者是在多长时间内,能够给乘员有足够的逃生时间,因为电动汽车安全的概念,最基本的一条就是人员安全,其他的不是考虑范围。所以只要有足够的时间给人员逃生,我们认为它就是安全的。所以5分钟以外起火或者是不起火都是可以接受的。

但实际上这个是我们现在GB标准里的草案,我们把它写到全球法规还是会存在着一些问题,比如这里面我把问题列成了这样六大点:

第一点,刚才大家提到的多种体验,比如说如果将来固态电池发展了,甚至真的不会起火的电池发展了,当然这个是我们OK的状态。所以在目前状态下我们要定什么?我们要定豁免的条件到底是什么,就是说不做热扩散的条件到底是定在多少,是能量密度值低于一个值,还是什么样类型的电池可以不做呢?这个是我们要做的一个事。

第二点,高重复性、可重复性。因为我们其实现在大家采用的这种方式,比如用加热或者是针刺等等方式去给电池弄的热失控的这种方式,你都会从外界给它增加热量,而这个会影响电池实验的结果它的重现性,所以这个是我们可重复性要研究的。

第三点,触发热失控的点也是我们要选择的。

第四点,热失控整个系统的可重现性。

第五点,安全的逃生时间。实际我们之前定的5分钟,是基于我们前两年消防的演习,实际大家也会提出来,乘用车和商用车这两种不同类型的车型逃生时间是不一样的,需要我们做更多的研究和确定。

第六点,安全的不同成份和等级。这个就跟我们刚才说的失控评价相关联了,我们也有一个专门的国内小组在研究,就是他的毒气分析、毒理危害等级分析以及火灾等级分析,我们也是第二阶段的话题,也是做一个相当于小的广告,因为第二阶段正在开展从2018年到2020年底结束,那里面四个话题,热扩散、振动、海水浸泡、毒气分析,这四个基本上都是我们中国专家提出的,我也是受委托作为第二阶段中方技术组的组长,现在我们四个提案都成立了专项的国内的研究小组,如果大家有这方面的这些经验,也希望能够给多支持我们行业的工作,这也是我们中国参与全球法规的这样一个工作。

最后有一个小结:

第一,其实我们一直说电池的性能评价是一个综合的指标体系,而在这个指标体系里面安全是最最重要的,而不是能量密度,所以这个是最最重要的一点。

第二,谈到安全又是系统的工程,无论是材料、电芯、BMS和系统都应该满足安全性的要求,而不应该把安全过渡于依赖某一个层级的安全性保护,所以每个层级都应该有安全性的要求。

第三,因为它是一个系统工程,所以在无论是电芯的生产制造还是PACK的生产制造,它的制造过程当中的质量控制水平非常非常重要,因为2020年以后进入了后补贴时代或者是进入了无补贴时代,这种情况下谁要有核心的竞争力,必然是它生产的质量控制水平比较好的企业才是有它核心竞争力的这样一些企业。

我的报告就是这些。谢谢大家!返回搜狐,查看更多

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