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中汽研王芳:能量密度、材料体系、续驶里程、电池衰减四大挑战

时间:  2019-10-10 11:31  来源:  汽车总站网   作者:  Autumn

为应对电池安全这一全球重大挑战,推动电池安全领域的国际合作,美国能源部(DOE)和德国科学教育部(BMBF)及相关国际知名学者发起了国际电池安全研讨会(International Battery Safety Workshop,IBSW),并相继于2015年在德国慕尼黑工业大学、2017年在美国Sandia国家实验室,成功举办了第一届和第二届国际电池安全研讨会(IBSW)。2019年10月8日,第三届国际电池安全研讨会在北京召开,大会由清华大学电池安全实验室主办,会议主题是“为电动汽车制造更安全的高比能电池”。

8日下午举行的电池安全技术峰会A上,中国汽车科技研究中心首席专家王芳发表了主题演讲,以下为演讲实录。

女士们,先生们,大家下午好!首先我非常荣幸能够来到这里做报告,题目是关于实验室电池的测试、评估。

首先介绍一下我们的实验室,我们CATARC电池测试实验室,我们电池测试实验室是做电池的,我想很多人都很熟悉了,我们测试内容涵盖从材料到电池、到BMS、到系统,以及梯次利用的环节,梯次利用会涉及到不同的使用场景下全生命周期的评价。现在整个测试会包含这样几个大的方面。我们现在承担者一些国家的项目,在做不同的测试评价。

我的报告是关于电池安全测试评价和标准化评价工作。首先从电池的安全和电池技术发展面临的挑战来讨论这样一个话题,昨天有很多的专家参加了的闭幕会议,讨论的几个主题也是跟这个直接相关的,包括:第一个,为什么讨论快充,第二个,为什么考虑到固态电池这样的技术路线,第三个,高比能电池的安全挑战。我这部分内容也是跟这个有类似的考量。

我想大家昨天考虑的出发点更多的是,我们如何用我们的技术、用我们的方法或者是产品的改进去提升我们的安全性,是这样一个出发点,我的这个出发点最终的目的是这样的,但是因为我是做测试评价和标准化工作,所以我们做这个的时候,第一出发点,是考虑我电动汽车的安全事故存在着哪些事故形态,我们怎么样去制定一个测试方法和一个测试项目,尽可能的去重现它,帮着产品去提升它的安全性。

我们在分析事故的形态是这样一个出发点,汇总分析了一下,这个是140个我的团队统计的事故的形态,统计的基础是我们相对来说比较能够掌握的事故形态的脉络,基本上主要的事故状态和原因都是有详细记录的,大家可以看到,这种情况下把它分为几大类,可以看到它的事故形态里占比比较高的有充电或者是过充电,也就是咱们昨天讨论的第一个话题里面的内容,第二个是机械的破坏,第三个是自燃,可能这个就是大家这两天讨论非常多的,包括内短路、包括热失控等等这样一些状态,最终在电池的部位发生的自燃。

还有一个是泡水,其他的就是和传统车一样的了,可能不是我们关注的重点。我们关注的重点会聚焦在这五大类,跟电池有着直接关系的事故形态。

举例看一下:

第一个,充电和过充电。因为我自己参与调查的很多起事故,其中比如2015年有一起是下面的这个图,直接的过充电,因为管理系统设计缺陷,导致了这种控制策略不当带来的事故,这种事故形态后来很少出现,特别是这三年当中,基本上这一类事故不再出现,而出现的充电事故很多都是因为在充电的末期或者是充电完毕以后搁置在那儿一段时间发生的,就是正常充电状态或者充满电以后发生的事故,这个可能跟我们昨天讨论的话题更深入,大家要更深层次的思考到底什么样的原因导致了这样状态事故的发生。

第二个,碰撞。应该归类为机械,表现得形式除了这个图上展示的视频,比如托底或者机械碰撞以外,大家更关心的有一个,我在后面第二部分会提到的,在电动汽车使用过程当中,它的机械可靠性带来的次生的机械的安全性,大家可以理解这个概念吧,在长期的使用当中,可靠性的降低潜在引发的这种安全的事故。

第三个,泡水。同样是机械可靠性带来的安全性的事故。

第四个,热扩散的状态。这个是我们大家可能讨论的话题比较多的,一会儿也是我讲的内容里面会占的比例比较多的一个地方。

所以我们汇总了一下,我去年参与了电动汽车安全事故企业的排查,今年因为国家成立了一个电动汽车安全事故的调查组,我们调查了几十起事故,在这个事故过程中,我也有这样一个汇总的分析,我们分析其实很多事故都不外乎有这样一些原因,就是制造的原因、使用的原因和监控的原因,其实就是多个原因的综合,每一个事故我们都能看到,它并不是单个的原因直接导致的结果。首先,跟生产制造有关系,就是我们的原材料本身的一些缺陷,和生产制造质量控制水平带来的问题。第二个,系统集成过程当中技术的缺失带来的安全隐患。第三个,实际使用过程当中,第一类是滥用,第二类是正常的老化导致的枝晶的生长、结构的损伤等等带来的隐患,积累到一定程度以后爆发导致了这样一些事故。

讲了事故以后,大家昨天坐在那儿讨论了很多的话题,很多是因为这样的因素带来的,发展到现在电动汽车长的续航里程的要求,和大家对于快充的一些诉求,会带来技术变革快速的发展,这种快速的发展就会带来一系列的挑战:

首先,能量密度提升带来的挑战。这是我们实验室这几年测试的结果,系统的能量密度,从2015年的90瓦时/公斤,到现在的140多瓦时/公斤。随着它的发展我们看到,它的热特性、热稳定性也是有明显的变化,我们在2016、2017、2018我分别测试了当时这三年里典型的产品量比较大的国内外产品,包括三星、LG的电池,大家可以看到,随着能量密度的提升,不管你的本体安全性如何去提升,我们还是可以看到,随着能量密度的变化,它的热特性、它的热稳定性还是会有这样一些差异,这是非常明显的一个差异。

第二个挑战,材料体系变化的挑战。大家看到,我们现在要想追求高比能,必然选择从磷酸铁锂往三元走,而三元从333、到532、到811,这个变化必然带来热稳定性的变化以及热失控时间的提前和释氧量的差异,这些都是需要我们去解决本真的安全性,需要解决的这样一个挑战。

第三个挑战,大家对于长续航里程的追求,从体系变化以后我们另外一个能够想到的是,有限的空间里能够塞进尽量多的电池,而这种情况下可以看到,电池就会越做越大,这种情况下要做大的话,电池必然会把它的铝箔和铜箔做薄,而且隔膜也会尽量的做薄,这种情况下正极、负极、隔膜、电解液这种感性的技术对于我们来说又是很大的挑战。

第四个挑战,我们看到电池安全性的事故,很多时候是它的全生命周期,我调查的这些事故当中,有很多都是1万多公里以后发生的事故,这就证明,电池大家看了,它是一个动态变化的过程,电池可用的范围,在全生命周期内是不断变化的,对我们评价来说带来的挑战,就是在全生命周期内它的可用、可控和失控的评价是我们面临的挑战。在整个前沿下,我们对于电池的测试评价技术可能会是一个贯穿全生命周期的评价工程,它在全生命周期内寿命和安全性的衰减,不同的循环周次下它的这种循环性的内在和外在的表现到底是什么样的。

第二个,在整车应用工况下它是一个多层次的评价。比如从材料到电池闭环的构效关系是复杂的构效关系,我们尽可能要搞清楚。第二,全生命周期衰减的变化规律和BMS精准的评价以及PACK可靠性的评价。

这一页其实是我去年申请的国家科技部的一个重大项目,这个项目总经费接近1个亿,有全国21家单位参与,我们在未来的3年内这部分内容会产出几十个标准和几十个测试方法。

电池的评价也是在整车应用的基础上多工况、多维度的评价,其实我们对于电池的评价,更多的是整车的要求来引出的对于电池的要求,所以对于安全性来说也是一样,整车希望充电的安全,我们电池一方面,要求BMS能够精准的去管理它,包括热管理,包括功能安全管理,能够让它在可控的范围内进行充电使用和正常使用。

像我刚才提到,我们这两年发生的事故更多的都是在正常的充电结束以后发生这样的状态,所以我们今年跟能源局有一个跨产业链的合作,包括充电桩、充电系统这一系列的跨产业链去考核,电池的充电到底什么样是好的,到底什么样的电池是一个好的能快充的一个电池,因为这个充电本身就是一个有多个指标体系综合的评价体系,我们评价一个电池能不能快充、快充是否好,是在全生命周期内来看它的综合指标是不是能够达到要求,这也是我们一个大的课题现在正在做。

除了充电以外,第二个就是刚刚提到机械安全,只提一点,我们现在更关心的就是,比如刚才说了泡水、IP等级,我们看到一个新鲜电池做法规的时候没有任何问题,水泡在里面是很干净的,但是我们担心的是,经过上万公里行驶以后,这种机械可靠性的降低,它还能不能承受住这样的泡水、碰撞等等这样一些机械和水的破坏,这个是我们更关心的,这个相关的测试方法也写进了JB的标准。

第三个,热安全,简单说一点就是热扩散的测试。我们认为,在目前的技术条件下,单体电池的热失控是不可避免的,至少目前的技术体系下还是存在的,我们接受这种存在,但是我们要求,当发生这个的时候一定要有一个监控,就是热失控监控的信号,当这个信号发生以后,我们当然希望这个电池不会失控、也不会整体的扩散,但是如果一旦扩散,在扩散之前我们希望给人员足够的逃生时间,这个也写进了GB的标准。

今天上午欧阳老师也提到,我们在参加全球法规的制定,这个也写进了全球的技术法规,现在正在制定。

第三步简单的提一下,在测试评价方法的研究上,我们怎么样把它标准化的过程,首先,这是中国相关电池的标准,我画红框里面最下面的GB的标准现在已经报批,而且经过了WTO的过程,应该很快就会发布实施。这是我们最近中国的标准路线图,我们近期会重点关注热管理系统等等标准起草的工作。

除了国际标准以外,国内法规,现在第一阶段结束,现在是第二阶段的状态,第二阶段有五个议题,五个议题里面热扩散、振动、海水浸泡、毒气分析、整车的高压安全,我本人也是第二阶段技术组的组长,在做相关的工作,也感谢我们国内的专家,包括清华,包括CATL、力神、万向等等一些企业都在深度的参与到我们的工作当中,也希望更多的人能够参与进来,我们下次会议12月份在德国的柏林,欢迎国内的专家都可以到现场去参与国际法规的讨论。

我的报告就是这些。谢谢大家!

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