鉅大LARGE | 點擊量：660次 | 2019年01月17日
榮獲國家進步獎的馬紫峰，為電池安全提出了解決措施
電池的安全性，首先是取決于它本身材料的安全性。不同電池對應不同的特性曲線，這需要用不同的模型來針對性解決。
“當一顆電池做好了以后，它的狀態(tài)到底是什么樣的？它跟我們電池的安全性是密切相關的?！瘪R紫峰表示。在12日舉辦的汽車百人大會上，上海交通大學特聘教授馬紫峰從以下幾個方面分享他的報告：第一、安全技術策略；第二、鋰電池模型構(gòu)建；第三、狀態(tài)模型構(gòu)建。第四，模型的應用和評估。
值得一提的是，在今年1月8日在北京隆重舉行的國家科學技術獎勵大會上，馬紫峰教授團隊完成的“磷酸鐵鋰動力電池制造及其應用過程關鍵技術”項目榮獲2018年國家科技進步二等獎。
目前，鋰離子電池今天為止已經(jīng)發(fā)展了有四代產(chǎn)品，從手機用的鈷酸鋰到錳酸鋰、到磷酸鐵鋰，還有現(xiàn)在的三元等等這些材料，還有很多的人在追求更高的目標，向300Wh以上進軍，甚至到了500Wh。所以從材料體系來講，現(xiàn)在的研究是五花八門，新概念層出不窮，但是為什么會有這樣一個目標呢？
馬紫峰認為，“其實很重要的一點就是續(xù)航里程的焦慮，每個人都希望續(xù)航里程更高、能量密度可以不斷的提升。但是大家都知道，經(jīng)過了這么多年的研發(fā)，發(fā)展了那么多新的正極材料，真正目前能夠得到工業(yè)化應用的寥寥無幾，也就是剛才提到的鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等等?！?/p>
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
而這里面很重要的一點是電池的安全性，而安全首先是取決于它本身材料的安全性。馬教授團隊通過熱分析以及相關系統(tǒng)進行分析研究，結(jié)果表明，在這些材料當中磷酸鐵鋰的熱穩(wěn)定性從材料來講，其安全性是最好的。對此，馬紫峰表示：“我們可以發(fā)現(xiàn)，電池的能量密度越高，實際上產(chǎn)生的過熱或者熱失控的形式就越大。所以要增加電池的安全性，對于這些高能量的電池就可能需要在系統(tǒng)設計當中加入了特定的保護裝置，比如說冷卻系統(tǒng)，還有防爆系統(tǒng)等等，以減少電池的安全性?！?/p>
因此，電池的安全性和長循環(huán)壽命是整個電池設計當中非常重要的一個問題。那么，該怎么樣做好一個電池和電池系統(tǒng)呢？馬紫峰認為，“實際上來講，可以借鑒我們化工的管理模式。大家都知道，化工是一個非常有用的行業(yè)，但是化工今天在全國各地都得到了很多不待見，很多地方都不歡迎化工，是因為覺得化工在這方面有安全問題、甚至是毒性的問題。但事實上來講大家看到，我們石油化工行業(yè)有大量的反應器，高壓的、高溫的，他們是怎么樣保證安全呢？實際上很好的一個方法，就是系統(tǒng)控制的方面。在系統(tǒng)控制論產(chǎn)生的過程中，化工系統(tǒng)工程實際上起到了非常重要的作用。”
這就需要我們評估，能不能引入化工系統(tǒng)工程的原理來控制電池以及電池的系統(tǒng)。其關鍵在于，我們需要分析動力電池生產(chǎn)的安全因素和不安全因素。馬教授指出，“在電池里面，影響的因素非常多，所以一個系統(tǒng)的管理，除了它的充電、放電的控制以外，還跟它的熱管理以及安全管理有關系。在這些當中，實際上對狀態(tài)的估計非常重要，狀態(tài)的估計包括了核電狀態(tài)，就是一個電池我們經(jīng)?？梢钥吹降?，還有多少電。此外，還包括了它的健康狀態(tài)，以及功率的狀態(tài)?！?/p>
在我們手機電池電量低時，會提示我們該充電了。那么，到底怎么監(jiān)測這個電池的狀態(tài)呢？實際這個狀態(tài)是要依據(jù)化工的一些系統(tǒng)工程方法來實現(xiàn)的。電池的放電曲線，就像我們化學反應工程當中反應器里面濃度的變化、壓力的變化、溫度的變化，而這些變化過程當中，是需要用一定的數(shù)學模型，去把它精確的描述出來。
這個與電池的材料化學體系有關，在電池模型建立當中，磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰等不同材料有不同的曲線特征。磷酸鐵鋰的放電曲線是非常平的一條曲線，而錳酸鋰有兩個放電平臺，這兩個放電平臺怎么樣去確定它的SOC狀態(tài)？SOC實際上就是我們曲線，在4.0V的時候SOC我們假定是100%，而到了后面2.5V，放電截止，它是真正的沒有了。事實上，在做電池管理系統(tǒng)、模型的時候，把SOC截到5%甚至1%是否可行，需要在電池管理時評估電池的余量。這就需要有一個精確的狀態(tài)估計，而這個估計除了材料化學體系，還有一個就是內(nèi)阻。內(nèi)阻跟材料的體系以及溫度是有關系的，另外，還有界面的效應，以及電芯的管理系統(tǒng)。
事實上，電芯測試中真正能測到的只有開路電壓、溫度，其他的是看不到的，所以我們首先要去確定開路電壓，再去確定開路電壓與這個荷電狀態(tài)的管理，這是基于SOC模型當中重要的理論基礎。所以，可以說OCV和SOC模型的精確度，是操控電池健康狀態(tài)的關鍵。
做這個模型之前首先就要對鋰電池單體的模型進行構(gòu)建，所以鋰電池的模型涉及到了方方面面。鋰離子電池的充電和放電過程，實際上是一個化學反應過程，而這個化學反應過程是一個多項復雜的系統(tǒng)，它有電化學反應，也涉及到電機動力學，也涉及到傳制過程、電荷轉(zhuǎn)移還有傳熱等。
因此，建立電池模型就需要有不同的一些方法，馬教授給出了三種模型，第一種是電化學的機理模型；第二種是黑箱模型；第三種是基于等效電路的模型。
最后馬紫峰總結(jié)道：“我們通過這幾年的努力，先后建立了一些像開路電壓、健康狀態(tài)、SOC的這些估算模型，對這個模型函數(shù)的選擇以及它的形式、參數(shù)估計的方法、計算，提出了自己特定的一些手段，同時我們也認為，電池安全系統(tǒng)保障的基礎是材料化學體系本身安全的基礎。電池的保護裝置，比如說限壓過充保護、BMS優(yōu)化控制方案，是一個有效的措施?！?/p>
實際上如果要想精準的控制和預測的話，對不同電池的材料體系，不同電池的結(jié)構(gòu)，比如圓柱的、軟包的和方殼的，或者電芯單體容量大小不同，都會有不同的充放電特征曲線，而根據(jù)特征曲線，用實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)來修正模型，這也是馬紫峰團隊與不同企業(yè)的戰(zhàn)略合作基礎，因為可以滿足它特定的需求。
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