中汽研王芳：動力電池?zé)岚踩u價研究

電動汽車資源網(wǎng)訊：

9月23日,由張家港市發(fā)展和改革委員會、張家港市科技局主辦,江蘇天鵬電源有限公司、電動汽車資源網(wǎng)承辦,江蘇華東鋰電技術(shù)研究院協(xié)辦,蘇州益茂電動客車有限公司、新能源巴士聯(lián)盟支持的“2016中國新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展高峰論壇暨車企與動力電池企業(yè)技術(shù)交流會”(以下簡稱“動力電池交流會”)精彩繼續(xù)。電動汽車資源網(wǎng)將全稱報道此次會議。

今日下午的大會則主要圍繞“動力電池安全和梯次利用”主題進(jìn)行討論,中國汽車技術(shù)研究中心電池首席專家、博士王芳女士發(fā)表了題為“動力電池?zé)岚踩u價研究”的演講。

中國汽車技術(shù)研究中心電池首席專家、博士王芳

以下是由電動汽車資源網(wǎng)整理的王芳博士演講的主要內(nèi)容：

今天我報告的題目是動力電池?zé)岚踩u價的研究。今年有這么多的安全事故,這種情況下討論這個更有意義。報告分三個部分,一是為什么要做這個事兒?二是熱失控擴散的測試評價。

大家可以看到我們這幾年的一些電動汽車的事故:

1.2008年 Prius PHEV 起火事件

事故原因：因裝配設(shè)計存在缺陷(報道中稱用戶對電池包進(jìn)行了改裝),行駛中電池組某處接頭松動,該處電阻增大,異常生熱導(dǎo)致其附近溫度過高,并最終引發(fā)熱失控,并波及整個電池包。

2.2013年 Tesla Model S 起火事件

事故原因：汽車在高速運行中,與路面上的大型金屬物體發(fā)生碰撞,底盤(電池包外殼)被刺穿,導(dǎo)致電池內(nèi)部短路,引發(fā)熱失控。

3. 2011年 雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)PHEV 起火事件

事故原因：車輛在碰撞測試中鋰電池組受損,經(jīng)過翻滾試驗后電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻液泄露并與電池組件接觸,有導(dǎo)致電池內(nèi)部短路的風(fēng)險,并會最終引發(fā)自燃。

電動汽車起火事故的直接原因有很多種可以看到的過熱、內(nèi)短路、外短路碰撞等等現(xiàn)象,而最終的表現(xiàn)是整個電動汽車的熱失控,其實應(yīng)該叫熱失控的蔓延。

鋰離子動力電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生機制:鋰離子電池在正常充放電反應(yīng)外,還存在許多潛在的放熱副反應(yīng)。當(dāng)電池溫度過高或充電電壓過高時,容易引發(fā)。

主要的過熱副反應(yīng):1.SEI膜分解導(dǎo)致電解液在裸露的高活性碳負(fù)極表面的還原分解;2.充電態(tài)正極的熱分解;3電解質(zhì)的熱分解;4.粘結(jié)劑與高活性負(fù)極的反應(yīng)。

看一下這個圖,剛剛提到4個副反應(yīng),如果在某一個環(huán)節(jié)斷裂,不發(fā)生后續(xù)的連鎖反應(yīng),就不會發(fā)生大規(guī)模擴散的事故,就是我們所期望的結(jié)果。

上圖是在不同溫度的時候發(fā)生反應(yīng)的溫度范圍。

鋰離子動力電池?zé)崾Э卦u價的必要性:盡管電池能夠通過當(dāng)前法規(guī)測試,但也不能保證電池不會發(fā)生熱失控。很多我們不期望的一些狀況會造成熱失控的發(fā)生。第一個就是內(nèi)短路,第二個是快充等這樣的一些特殊的使用環(huán)境造成的熱失控,第三個因為壽命的衰減,出現(xiàn)了一些異常反應(yīng)。

熱失控是不可避免的,安全是相對的,不安全是絕對的。怎么做才能夠盡量地提高安全的幾率,降低安全事故發(fā)生的風(fēng)險呢?需要保證的是什么?安全。當(dāng)熱失控發(fā)生了,還要保證什么安全呢?保障的是這個時候車上的乘員的安全,乘員在電池發(fā)生熱失控的狀態(tài)下,能夠快速地逃離到安全的區(qū)域,不發(fā)生人員傷亡,這個是我們要求的安全。

我今天提到的測試評價就是希望提一個要求:不管采用什么樣的技術(shù),電池是一個系統(tǒng)工程,從電芯的生產(chǎn)到集成可能需要很多的工作,無論想用什么樣的技術(shù)手段保障,我只要求你在一個電芯事故發(fā)生的情況下讓乘員有逃生的時間,發(fā)生起火等嚴(yán)重事故之前有足夠的逃生時間。

美國一家實驗室提出,熱失控產(chǎn)生擴散是不應(yīng)該發(fā)生的,希望車廠在做電芯設(shè)計的時候,將阻止電池?zé)崾Э氐臄U散蔓延發(fā)生作為重要的目標(biāo)。

各種情況導(dǎo)致熱失控發(fā)生的時候,我們怎么去評估它?這里面就要解決的問題是怎么觸發(fā)?怎么評估?怎么判斷是否能夠pass這個實驗?所以這個是我們做這個研究的背景。

整車廠要設(shè)計一款電池,要做好熱管理,關(guān)心的不單單是熱失控的安全問題,還有電池本身的比熱容、產(chǎn)熱速率、產(chǎn)熱量,不同的條件下產(chǎn)熱量和產(chǎn)熱速率是什么樣的?這些基本的熱特性是熱穩(wěn)定性的邊界條件,也就是說電池本身的熱穩(wěn)定性包括它的熱失控不同階段的參數(shù),還有生命周期的熱穩(wěn)定性。

電池做熱失控的時候,可以看到不同階段熱穩(wěn)定是什么樣的狀態(tài),最關(guān)心的是有幾個點:一個是當(dāng)電芯剛剛開始發(fā)生熱失控的點,一個是電池發(fā)生熱失控的終端最高溫度點,當(dāng)然還有就是剛開始自產(chǎn)熱的點。

給企業(yè)做這樣的測試評價的時,狀態(tài)不同的測試都會影響電池自身熱的穩(wěn)定性,這個是能夠監(jiān)測到,能夠測試評價的,能夠很好很直觀看到的。但現(xiàn)在的問題是,怎么能夠把內(nèi)短路,像這種無法通過檢測手段表達(dá)的這種熱失控來測試出來?

測試評價需要觸發(fā)一個熱失控,觸發(fā)一個熱失控,可能有幾種辦法,包括加熱、過充等等,其他的辦法也有試過,目前來說這幾種辦法還是能夠?qū)崿F(xiàn)。如果用這幾種方法不能觸發(fā)電池的熱失控,我們認(rèn)為這個電芯是安全的是可以的,就不再進(jìn)行實驗,如果有一個辦法讓電池發(fā)生熱失控了,這種情況下不管中間有什么樣的過程,我們直接到最下面,到最后當(dāng)最終電芯發(fā)生熱失控的時候,整個系統(tǒng)能夠維持多少分鐘不起火不爆炸,這個是我們關(guān)心的,也就是說乘員是不是有足夠的時間逃生。

當(dāng)然這個里面關(guān)心的就是監(jiān)測,就是熱失控發(fā)生的條件是怎么判斷的?因為熱失控實驗的時候不能自己走近了看,得通過相應(yīng)的儀器和參數(shù)評價。讓電池包可以抗幾分鐘的熱失控蔓延?用什么樣的辦法最合理?第三個就是監(jiān)測的點怎么判定?

我們第一個要求幾分鐘,這個里面其實我們最初考慮得是在之前不起火不爆炸的,但是考慮了以后又考慮了煙霧的問題,幾分鐘到底怎么定呢?當(dāng)我們監(jiān)測到一個熱失控信號的時候,這個時候司機需要做出反應(yīng),他有兩個時間是需要考慮的,一個就是說當(dāng)熱失控發(fā)生的時候,一個是汽車起動、汽車制動到停止的時間;第二個就是乘員逃生的時間,這兩個時間之和是我們需要考慮的總時間,我們給電池留的起火時間必須大于這個時間。

我們做過一個實驗,用電動車做了簡易的實驗,車上5個人都系好了安全帶,在發(fā)出指令以后,迅速逃離安全區(qū)域以外所用的時間大概是平均10幾秒之內(nèi),這是一個乘用車的;我們又做了商用車的實驗,這個跟上海消防所一起做的,80人用了一個大巴車做了實驗,實驗分了幾類,一個是前門開,后門開或者是前后門都開,還有就是在車?yán)锩娣艧熿F,同時放煙霧的情況下做實驗,所以說做了各種實驗以后得到的數(shù)據(jù)大概是這樣的,最高的是在50幾秒撤離,這個是大家非常井然有序而且知道沒有任何問題,沒有任何危險的情況下的結(jié)果,我們之前還做了一個實驗,大概是用了一個大巴車,跑5米以外大概需要的時間是4分鐘左右,人員差不多的但是人員的分布年齡結(jié)構(gòu)優(yōu)差異。權(quán)衡考慮幾個方面,實驗的結(jié)果和跟國際專家的協(xié)商,目前來說認(rèn)為5分鐘的時間,不起火不爆炸是給熱失控擴散基本的要求。

第二個關(guān)心的問題觸發(fā)的方法,我剛剛提到有三種:針刺、加熱、過充,這三個方法都做了相應(yīng)的研究。我們對這個模塊,傳遞到后面電池的速度和方式都進(jìn)行了詳細(xì)的分析,這個實驗結(jié)果拿到國際法規(guī)上討論的時候,沒有得到任何人的認(rèn)可,模塊不代表PACK。

去年年初開始又做了大量的電池PACK的熱失控實驗,一共有十幾個電池的PACK實驗,其中包括方形軟包的,實驗就涉及到一個問題,有時候為了達(dá)到這個實驗的目的,對電池的樣品做小小的改動,而這個改動也是會引起極多的討論,因為改變了電池包的狀態(tài),目前狀態(tài)下沒有辦法改變,盡可能降低改動的幅度。另外還有一個實驗是通過氣缸把針直接刺進(jìn)去了,第二個就是過充,這個樣品就是把這個PACK左上角的進(jìn)行了改變,接上了一個沖放電線,對它單個的進(jìn)行過充,其它的模塊是不變的,我們看到最終的電池PACK,大家可以看到著火了,這個其實是小的PACK,我今天想跟大家展示的都是所有實驗的過程,而且實驗要求是5分鐘之內(nèi)不起火不爆炸就可以,所以大家看到各種不同的現(xiàn)象。這個也是過充的實驗,但是因為我們這個電池容量非常大,所以我們在做過充的時候用了很小的,三分之一,這又引發(fā)了另外一個討論,我們在這么長的時間內(nèi)觸發(fā),跟實際的情況又偏離很多,這個也是我們要考慮的問題。我們做的過充實驗,19分鐘的時候吸氣,20分鐘的時候有冒煙,但是沒有發(fā)生熱擴散的現(xiàn)象。第三個方法就是加熱,加熱目前是有幾種,一種是用加熱的block,而我們用加熱的膜,當(dāng)然還有加熱泵纏在膜上進(jìn)行實驗,對于方形和軟包的我們做的更多的是用加熱膜的做,對于圓柱的電池更多是用加熱泵纏起來做實驗,加熱的方法是目前相對接受度比較高的實驗,大家可以看到SAEJ2464里面已經(jīng)有推薦的方法。

我們做的用加熱膜給電池加熱觸發(fā)的實驗,這個是整個實驗的操作的過程,一個流程,這個流程是可以跟大家分享的,因為咱們電動客車的安全也正在做,里面也要求對電池的單體的熱???"q?