鉅大LARGE | 點擊量：1281次 | 2019年04月14日
在研究動力電池安全性的時考慮的會有幾個層級
中國電動汽車百人會論壇（2019）在北京釣魚臺國賓館召開，中國汽車技術(shù)研究中心首席專家王芳發(fā)表了主題演講，演講內(nèi)容如下：
實際我們在關(guān)鍵動力電池測試評價的時候，首先考慮的是從整車使用的角度看整車性能的評價以及它對于動力電池引申出來的電池性能的要求。實際昨天下午幾個領(lǐng)導(dǎo)的報告里面都有提到，對于電動汽車來說，在所有的電動汽車的性能里面，安全是它最為重要的第一個性能。實際上我們跟它相對應(yīng)的，動力電池范圍內(nèi)，今天也討論的非常多了，大家其實最最關(guān)心的也是動力電池的安全性。
實際我們在研究動力電池安全性的時候，考慮的會有這樣幾個層級：
第一，在實際不同的溫度、適度，不同的使用條件下，各種惡劣的環(huán)境當(dāng)中，它能夠正常使用的安全性就是說它可用的安全評價。
第二，不能回避的，剛才各個專家提到的，電池的安全性它的安全隱患是可能存在的，一旦發(fā)生隱患的時候可控的安全評價。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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%
第三，一旦發(fā)生事故以后它失控的評價。
時間關(guān)系我們今天只前面的可用和可控評價里面的一部分內(nèi)容。
大家知道，我除了做測試以外，還會很大一部分精力投身于國內(nèi)的國家標(biāo)準(zhǔn)和國際法規(guī)的制定當(dāng)中。我們在制定國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和國際法規(guī)的前提，就是要研究在電動汽車實際使用的過程當(dāng)中它可能存在的，有可能遇到的這樣一些失效或者是一些失控的狀態(tài)，以及這種狀態(tài)有可能帶來的這種結(jié)果是什么樣的。這個是我的團隊分析了從2011年—2018年的9月份，所有的電動汽車的事故里面乘用車的事故分析大概有80多例事故，事故里面我們分析了具體的事故原因，當(dāng)然這個原因所有的，因為有一些是我們能知道確切原因的，我本人也參加了幾起事故詳細(xì)的調(diào)研過程，大部分的事故原因其實是更多的來自于我們能夠搜索到的這樣一些媒介里面的分析。我把它做了一個統(tǒng)計大家看，里面有16%是跟充電的過程相關(guān)的，剛才艾老師也分析了，電動汽車在使用過程當(dāng)中，他分析的是過充電，實際上有一些事故我們看到是在充電的末期或者是充電的過程當(dāng)中，有一些是在過充電的狀態(tài)下，這個大家也比較清楚了，在充電的末期甚至是過充電的時候，相對來說它的活躍程度是比較容易發(fā)生安全性的問題。第二類，碰撞，就是一些機械外力因素的影響，它的占比大概在18%，第三類，進水，這種情況大概占3%左右。另外有一類比例比較大的35%，我們進行了仔細(xì)的分析，認(rèn)為有一些事故鳶尾是電池的內(nèi)短路引發(fā)的這種時空，就是剛才很多專家提到的這種問題。
還有一些原因，我認(rèn)為他是不明原因，我也解釋不清楚到底是什么樣的原因?qū)е铝诉@種熱失控，但是可以確定的是，這些事故起火的第一位位置是在電池包的位置，我們其實在做全球法規(guī)的時候，現(xiàn)在熱擴散是重點的話題，這里面我們把熱擴散所有的原因進行了詳細(xì)的羅列，包括這種機械的、電的、熱的、環(huán)境所有的因素都列下來以后，大家認(rèn)為基本上可能發(fā)生的這些原因，我們在國際的法規(guī)層面各種項目都已經(jīng)有了相應(yīng)的項目去限制它、去保護它的安全，比如說碰撞，大家認(rèn)為我們的這種機械的振動、機械的防碰撞以及動態(tài)模擬的碰撞，這些項目能夠保障。比如過充電，過充電的保護能夠保障它，我們進行系統(tǒng)的分析以后，可能在無事故自燃里面有比這個比例要小的一部分，就是認(rèn)為在實際的生產(chǎn)過程當(dāng)中帶來內(nèi)部內(nèi)短路的隱患而導(dǎo)致的熱失控，這是我們想關(guān)注的一個重點，也是目前法規(guī)層面沒有保護的，也是我們熱擴散目前專家研究的比較多的。
實際在全球法規(guī)制定的過程當(dāng)中，我的觀點，我跟全球?qū)＜医涣鞯臅r候，我把我的觀點也擺出來，除了在生產(chǎn)制造過程當(dāng)中這種熱擴散以外，因為高比能電池的發(fā)展，它的很多不確定因素導(dǎo)致的瞬間的熱失控已經(jīng)變得越來越多，而這種情況下我們可能更多的關(guān)心是內(nèi)短路，而不關(guān)心由什么來造成內(nèi)短路，這種內(nèi)短路帶來的這種熱失控。
最后這部分，其實是跟傳統(tǒng)車一樣，因為其他因素導(dǎo)致的電動汽車的著火自然，我們談動力電池安全性的時候，離不開對電池本身技術(shù)發(fā)展的分析。我剛才也說了，我們對這種熱特性分析的時候，也看到現(xiàn)在能量密度的快速發(fā)展，我們根據(jù)車的合格證的數(shù)據(jù)進行了分析，截止到2018年10月份，電池的能量密度、系統(tǒng)的能量密度的平均值已經(jīng)達到了139.5瓦時/公斤，而它的成組率也達到了74%，我們可以看到從2015年到90瓦時/公斤，，到2018年的140瓦時/公斤，50瓦時/公斤的增量僅僅用了3年多的時間，這個時間對于產(chǎn)品的更新迭代和可靠性的驗證周期來說，在這種系統(tǒng)的能量密度提升的狀態(tài)下，大家首先考慮的是單體的能量密度的提升，這個圖截止到2018年底我們實驗室測試的數(shù)據(jù)，昨天下午有領(lǐng)導(dǎo)的報告里也有提到，單體的能量密度已經(jīng)到了260瓦時/公斤這樣一個狀態(tài)，我想說一下的是，從2012年的時候我們電池的單體能量密度150瓦時/公斤，到2015年的180瓦時/公斤，2018年的是260瓦時/公斤，從120到150的30瓦時/公斤提升用了3年時間，從180到260大概80瓦時/公斤的提升也只用了3年的時間，我想這個速度的增長里面可能會隱含一些需要我們更多需要重視的除了能量密度以外其他方面的一些問題的關(guān)注。
我們可以看到，他提升的單體體系的變化，從2012年的磷酸鐵鋰到2015年的333，再到2018年的622、532這樣的快速變化，準(zhǔn)確說應(yīng)該是2017年底，而實際上到了2018年、2019年的轉(zhuǎn)變過程當(dāng)中，我想前面是從穩(wěn)步的推進到快速的跑步到333、532，再從532往622，基本上我們看到的趨勢2018年到2019年，大家已經(jīng)快步的從532躍過622快步跑到了811的階段。在這個過程當(dāng)中大家可以看到，剛才有很多專家已經(jīng)分享了類似的數(shù)據(jù)，我們看到，不同的體系能量密度不同的電池，他的自產(chǎn)熱溫度、自產(chǎn)熱的時間以及產(chǎn)熱瞬間的溫升速率是不一樣的，而且是急劇增加的，更別提剛才也有專家提到的給大家分享的，就是他的這個析氧量的差異。
另外一個，大家為了能夠達到這種高比，在制造電池的時候，因為要把電池做的盡量大，能夠滿足長續(xù)航的要求，大家可以看到這樣一個變化，就是它隔膜的量變小，正、負(fù)極極片的增厚，這個也增加了他這種安全性的挑戰(zhàn)，剛才艾老師也講了電芯這種材料改性方面的嘗試，包括隔膜的技術(shù)，正、負(fù)極以及電解液的改進。
實際上隨著能量密度提升，我想大家對于安全性，不單單是依賴于單體的層級，而是一個系統(tǒng)的工程，對于我們測試來說，我們關(guān)心的也是從單體的層級已經(jīng)早就過渡到多層級的系統(tǒng)評價階段，包括單體層面的這種安全性。單體層面的安全性已經(jīng)變成了一個等級、一個范圍，而不是一個絕對安全的概念，它絕對是一個相對安全的概念。在這種情況下，再延伸到材料層面的這種安全性的水平，以及它有可能做的提升和改進。
另外，依賴于BMS的這種監(jiān)控和保護功能的這種加強，以及電池殼體的這樣一些保護，最終希望能夠得到一個相對安全的電池系統(tǒng)。
下面我們也得到科技部重點研發(fā)項目的支持，從這樣幾個層級開展了相關(guān)的研究，下面簡單的介紹一下：
第一個，是材料到電池層級安全構(gòu)效關(guān)系的評價。對材料特性的測試評價，高校、科研院所做了大量的工作，也有很先進的儀器設(shè)備和測試方法，來對材料的特性進行表征。我們過去十多年里，對電池的特性也做了大量的研究，對于它的各種安全性的測試項目。實際上我在測試的時候，我們把它叫做黑箱的測試，就是電池從材料做成電池以后，它在整個反應(yīng)的過程當(dāng)中、使用的過程當(dāng)中發(fā)生了什么，其實有很多是我們不知道的，所以它的一個黑箱的測試。實際上我們現(xiàn)在更多的是希望怎么樣能夠更多的提升電池的安全性，我們關(guān)注的是在這個使用的過程當(dāng)中，它的過程反應(yīng)是什么樣的，而這種過程反應(yīng)，我能不能夠非破壞的去觀測到，這樣更好的了解材料在電池的安全性能的表現(xiàn)過程中扮演了什么樣的角色，它能夠再做什么樣的提升。所以這個過程里面，包括剛才有專家提到SCI膜的變化是可能大家關(guān)心的重點，還有其他的一些因素。
實際我們現(xiàn)在在做的嘗試就是，采用原位的CT或者原位的中子衍射、原位的掃描等等一些手段，希望能夠讓黑箱子逐漸的變得透明一點，能夠看到它在整個使用過程當(dāng)中它的一些變化，它的一些實際定性的參數(shù)能夠被定量的或者盡量定量的檢測到，去知道它的這種安全的構(gòu)效關(guān)系。
電池的電芯層級我想說的是，電池的安全性，今天王朝陽老師說了，將來希望能夠做大無管理的電池，我想在目前來說可能還是一個理想。實際電池是在全生命周期內(nèi)動態(tài)變化的一個電化學(xué)的載體，它的安全可用邊界本身就是一個動態(tài)變化的，所以我們希望能夠了解的，第一，它本身的這種安全性可能的水平等級是什么。第二個要了解，在它的全生命周期內(nèi)，它不同的生命周期狀態(tài)下，它的安全等級是怎么樣變化的，要看到其實它的可用，這是我們畫的一個動畫，可以看到它的可用邊界一直在縮小，我們怎么樣能夠保障電動汽車在全生命周期內(nèi)我們控制的邊界能夠一直是安全的，這是我們要重視的。
第三個層級，管理系統(tǒng)?，F(xiàn)在這種能量密度的提升對于管理系統(tǒng)提高了更多的、更高的一些要求，或者對它寄予了更多的期望?，F(xiàn)在對于管理系統(tǒng)來說，對它的評價也越來越重要，管理系統(tǒng)正在起草的國家標(biāo)準(zhǔn)有兩個，一個是管理系統(tǒng)的綜合要求，還有一個就是管理系統(tǒng)的功能安全，這兩個標(biāo)準(zhǔn)大家可以看一下，實際上我們把電池的管理系統(tǒng)評價分為五大類，一個就是均衡，一個是SOX，剛才馬老師詳細(xì)介紹了一些他的辦法，實際SOH的方法下周二我們會在學(xué)會的團體標(biāo)準(zhǔn)立項，會把它具體的測試方法定量下來。另外電磁兼容功能安全。還有一個，比較重要的就是熱管理的評價。實際我們也在做一個團體標(biāo)準(zhǔn)，下周三會討論這個團體標(biāo)準(zhǔn)具體的草案稿，這個里面我們會重點的關(guān)心，你在實際的使用過程當(dāng)中，它的熱管理的冷卻、加熱、保溫、均溫、能耗能不能達到我們熱管理的實際使用要求，能不能達到最初設(shè)計的這樣一個目標(biāo)值，提到我們這兒我們可能就要關(guān)心熱管理系統(tǒng)怎么設(shè)計，實際上熱管理系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，我們依賴于大量的測試評價，實際上這個測試評價我們也建立了一個評價的體系，里面最最重要的就是電池的熱特性的獲取。首先就是，在不同的SOC的狀態(tài)下，不同的功率、不同的倍率、不同的外界環(huán)境下，它的產(chǎn)熱特性、產(chǎn)熱量、產(chǎn)熱功率、溫升的最高溫度值，這是溫升范圍基本的數(shù)值。第二個，看它的基本邊界，因為電池一定是有一個熱失控的邊界的，我們要找到的是它的邊界的值。第三個，它在這個邊界值下，向它臨近的電池傳遞的這種方式，、傳播的這種速度以及傳熱量、以及有可能失控的這種邊界點，這些數(shù)值是我們能夠做好一款熱管理系統(tǒng)最基本的要獲取的數(shù)值。
第四個層級，系統(tǒng)的安全性。這是10日剛剛工信部掛在網(wǎng)上征求意見的“電動汽車用動力蓄電池安全要求的強制標(biāo)準(zhǔn)”，這個標(biāo)準(zhǔn)里面電池系統(tǒng)的要求，我不詳細(xì)介紹了，有15項，現(xiàn)在正在執(zhí)行的電池標(biāo)準(zhǔn)比較大的差別，一個是振動的測試，我是根據(jù)實際路譜的采集做的振動路譜要求。另外浸水的要求，是要求做完振動以后經(jīng)歷一定的使用狀態(tài)下再去做浸水實驗。還有一個非常非常重要的就是熱擴散的測試，假定一個電池的熱失控是必然有可能發(fā)生的，發(fā)生的概率永遠存在，雖然我們希望能夠把這個概率降到越低越好，實際上必然是存在的。這種情況下我們要求的，剛才說了，我們更多的是關(guān)心內(nèi)短路發(fā)生的情況下，所以我們要先模擬用不同的方式去模擬內(nèi)短路，然后在這種熱擴散、熱失控發(fā)生的時候，一個電池發(fā)生熱失控的時候，這個熱失控發(fā)生的條件我們做了界定，包括它的溫升速率、最高的溫度值以及電壓的下降。
在這種情況發(fā)生以后，我們要看它后續(xù)的反應(yīng)。首先，如果沒有這種事故的報警信號，就是說現(xiàn)在要求電動汽車上都要裝這種熱失控的事故報警信號，如果沒有，或者是事故報警信號發(fā)生以后沒有到5分鐘電池整個起火的話，我們認(rèn)為它是失效的，這種產(chǎn)品是不符合要求的。另外兩種形式，如果5分鐘以后再發(fā)生這種熱失控，就是整個電池包著了，我們也認(rèn)可它是安全的，或者最后整個電池包沒有著，那是最好的一個狀態(tài)，為什么呢？我們的依據(jù)是，能夠在5分鐘的時間內(nèi)，或者是在多長時間內(nèi)，能夠給乘員有足夠的逃生時間，因為電動汽車安全的概念，最基本的一條就是人員安全，其他的不是考慮范圍。所以只要有足夠的時間給人員逃生，我們認(rèn)為它就是安全的。所以5分鐘以外起火或者是不起火都是可以接受的。
但實際上這個是我們現(xiàn)在GB標(biāo)準(zhǔn)里的草案，我們把它寫到全球法規(guī)還是會存在著一些問題，比如這里面我把問題列成了這樣六大點：
第一點，剛才大家提到的多種體驗，比如說如果將來固態(tài)電池發(fā)展了，甚至真的不會起火的電池發(fā)展了，當(dāng)然這個是我們OK的狀態(tài)。所以在目前狀態(tài)下我們要定什么？我們要定豁免的條件到底是什么，就是說不做熱擴散的條件到底是定在多少，是能量密度值低于一個值，還是什么樣類型的電池可以不做呢？這個是我們要做的一個事。
第二點，高重復(fù)性、可重復(fù)性。因為我們其實現(xiàn)在大家采用的這種方式，比如用加熱或者是針刺等等方式去給電池弄的熱失控的這種方式，你都會從外界給它增加熱量，而這個會影響電池實驗的結(jié)果它的重現(xiàn)性，所以這個是我們可重復(fù)性要研究的。
第三點，觸發(fā)熱失控的點也是我們要選擇的。
第四點，熱失控整個系統(tǒng)的可重現(xiàn)性。
第五點，安全的逃生時間。實際我們之前定的5分鐘，是基于我們前兩年消防的演習(xí)，實際大家也會提出來，乘用車和商用車這兩種不同類型的車型逃生時間是不一樣的，需要我們做更多的研究和確定。
第六點，安全的不同成份和等級。這個就跟我們剛才說的失控評價相關(guān)聯(lián)了，我們也有一個專門的國內(nèi)小組在研究，就是他的毒氣分析、毒理危害等級分析以及火災(zāi)等級分析，我們也是第二階段的話題，也是做一個相當(dāng)于小的廣告，因為第二階段正在開展從2018年到2020年底結(jié)束，那里面四個話題，熱擴散、振動、海水浸泡、毒氣分析，這四個基本上都是我們中國專家提出的，我也是受委托作為第二階段中方技術(shù)組的組長，現(xiàn)在我們四個提案都成立了專項的國內(nèi)的研究小組，如果大家有這方面的這些經(jīng)驗，也希望能夠給多支持我們行業(yè)的工作，這也是我們中國參與全球法規(guī)的這樣一個工作。
最后有一個小結(jié)：
第一，其實我們一直說電池的性能評價是一個綜合的指標(biāo)體系，而在這個指標(biāo)體系里面安全是最最重要的，而不是能量密度，所以這個是最最重要的一點。
第二，談到安全又是系統(tǒng)的工程，無論是材料、電芯、BMS和系統(tǒng)都應(yīng)該滿足安全性的要求，而不應(yīng)該把安全過渡于依賴某一個層級的安全性保護，所以每個層級都應(yīng)該有安全性的要求。
第三，因為它是一個系統(tǒng)工程，所以在無論是電芯的生產(chǎn)制造還是PACK的生產(chǎn)制造，它的制造過程當(dāng)中的質(zhì)量控制水平非常非常重要，因為2020年以后進入了后補貼時代或者是進入了無補貼時代，這種情況下誰要有核心的競爭力，必然是它生產(chǎn)的質(zhì)量控制水平比較好的企業(yè)才是有它核心競爭力的這樣一些企業(yè)。
