中汽研王芳：動(dòng)力電池?zé)岚踩u(píng)價(jià)研究

電動(dòng)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(huì)、張家港市科技局主辦,江蘇天鵬電源有限公司、電動(dòng)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(dòng)客車有限公司、新能源巴士聯(lián)盟支持的“2016中國(guó)新能源汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展高峰論壇暨車企與動(dòng)力電池企業(yè)技術(shù)交流會(huì)”(以下簡(jiǎn)稱“動(dòng)力電池交流會(huì)”)精彩繼續(xù)。電動(dòng)汽車資源網(wǎng)將全稱報(bào)道此次會(huì)議。

今日下午的大會(huì)則主要圍繞“動(dòng)力電池安全和梯次利用”主題進(jìn)行討論,中國(guó)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(dòng)力電池?zé)岚踩u(píng)價(jià)研究”的演講。

中國(guó)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(dòng)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(bào)告的題目是動(dòng)力電池?zé)岚踩u(píng)價(jià)的研究。今年有這么多的安全事故,這種情況下討論這個(gè)更有意義。報(bào)告分三個(gè)部分,一是為什么要做這個(gè)事兒?二是熱失控?cái)U(kuò)散的測(cè)試評(píng)價(jià)。

大家可以看到我們這幾年的一些電動(dòng)汽車的事故:

1.2008年 Prius PHEV 起火事件

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

2.2013年 Tesla Model S 起火事件

事故原因：汽車在高速運(yùn)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(cè)試中鋰電池組受損,經(jīng)過(guò)翻滾試驗(yàn)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(xiǎn),并會(huì)最終引發(fā)自燃。

電動(dòng)汽車起火事故的直接原因有很多種可以看到的過(guò)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(gè)電動(dòng)汽車的熱失控,其實(shí)應(yīng)該叫熱失控的蔓延。

鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生機(jī)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(guò)高或充電電壓過(guò)高時(shí),容易引發(fā)。

主要的過(guò)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(gè)圖,剛剛提到4個(gè)副反應(yīng),如果在某一個(gè)環(huán)節(jié)斷裂,不發(fā)生后續(xù)的連鎖反應(yīng),就不會(huì)發(fā)生大規(guī)模擴(kuò)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(shí)候發(fā)生反應(yīng)的溫度范圍。

鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э卦u(píng)價(jià)的必要性:盡管電池能夠通過(guò)當(dāng)前法規(guī)測(cè)試,但也不能保證電池不會(huì)發(fā)生熱失控。很多我們不期望的一些狀況會(huì)造成熱失控的發(fā)生。第一個(gè)就是內(nèi)短路,第二個(gè)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(gè)因?yàn)閴勖乃p,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(duì)的,不安全是絕對(duì)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(xiǎn)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(gè)時(shí)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(gè)是我們要求的安全。

我今天提到的測(cè)試評(píng)價(jià)就是希望提一個(gè)要求:不管采用什么樣的技術(shù),電池是一個(gè)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(wú)論想用什么樣的技術(shù)手段保障,我只要求你在一個(gè)電芯事故發(fā)生的情況下讓乘員有逃生的時(shí)間,發(fā)生起火等嚴(yán)重事故之前有足夠的逃生時(shí)間。

美國(guó)一家實(shí)驗(yàn)室提出,熱失控產(chǎn)生擴(kuò)散是不應(yīng)該發(fā)生的,希望車廠在做電芯設(shè)計(jì)的時(shí)候,將阻止電池?zé)崾Э氐臄U(kuò)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(shí)候,我們?cè)趺慈ピu(píng)估它?這里面就要解決的問(wèn)題是怎么觸發(fā)?怎么評(píng)估?怎么判斷是否能夠pass這個(gè)實(shí)驗(yàn)?所以這個(gè)是我們做這個(gè)研究的背景。

整車廠要設(shè)計(jì)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(wèn)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(shuō)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(shí)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(gè)點(diǎn):一個(gè)是當(dāng)電芯剛剛開始發(fā)生熱失控的點(diǎn),一個(gè)是電池發(fā)生熱失控的終端最高溫度點(diǎn),當(dāng)然還有就是剛開始自產(chǎn)熱的點(diǎn)。

給企業(yè)做這樣的測(cè)試評(píng)價(jià)的時(shí),狀態(tài)不同的測(cè)試都會(huì)影響電池自身熱的穩(wěn)定性,這個(gè)是能夠監(jiān)測(cè)到,能夠測(cè)試評(píng)價(jià)的,能夠很好很直觀看到的。但現(xiàn)在的問(wèn)題是,怎么能夠把內(nèi)短路,像這種無(wú)法通過(guò)檢測(cè)手段表達(dá)的這種熱失控來(lái)測(cè)試出來(lái)?

測(cè)試評(píng)價(jià)需要觸發(fā)一個(gè)熱失控,觸發(fā)一個(gè)熱失控,可能有幾種辦法,包括加熱、過(guò)充等等,其他的辦法也有試過(guò),目前來(lái)說(shuō)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(gè)電芯是安全的是可以的,就不再進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如果有一個(gè)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(guò)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(shí)候,整個(gè)系統(tǒng)能夠維持多少分鐘不起火不爆炸,這個(gè)是我們關(guān)心的,也就是說(shuō)乘員是不是有足夠的時(shí)間逃生。

當(dāng)然這個(gè)里面關(guān)心的就是監(jiān)測(cè),就是熱失控發(fā)生的條件是怎么判斷的?因?yàn)闊崾Э貙?shí)驗(yàn)的時(shí)候不能自己走近了看,得通過(guò)相應(yīng)的儀器和參數(shù)評(píng)價(jià)。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(gè)就是監(jiān)測(cè)的點(diǎn)怎么判定?

我們第一個(gè)要求幾分鐘,這個(gè)里面其實(shí)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(wèn)題,幾分鐘到底怎么定呢?當(dāng)我們監(jiān)測(cè)到一個(gè)熱失控信號(hào)的時(shí)候,這個(gè)時(shí)候司機(jī)需要做出反應(yīng),他有兩個(gè)時(shí)間是需要考慮的,一個(gè)就是說(shuō)當(dāng)熱失控發(fā)生的時(shí)候,一個(gè)是汽車起動(dòng)、汽車制動(dòng)到停止的時(shí)間;第二個(gè)就是乘員逃生的時(shí)間,這兩個(gè)時(shí)間之和是我們需要考慮的總時(shí)間,我們給電池留的起火時(shí)間必須大于這個(gè)時(shí)間。

我們做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn),用電動(dòng)車做了簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn),車上5個(gè)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(shí)間大概是平均10幾秒之內(nèi),這是一個(gè)乘用車的;我們又做了商用車的實(shí)驗(yàn),這個(gè)跟上海消防所一起做的,80人用了一個(gè)大巴車做了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)分了幾類,一個(gè)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(shí)放煙霧的情況下做實(shí)驗(yàn),所以說(shuō)做了各種實(shí)驗(yàn)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(gè)是大家非常井然有序而且知道沒(méi)有任何問(wèn)題,沒(méi)有任何危險(xiǎn)的情況下的結(jié)果,我們之前還做了一個(gè)實(shí)驗(yàn),大概是用了一個(gè)大巴車,跑5米以外大概需要的時(shí)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(gè)方面,實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和跟國(guó)際專家的協(xié)商,目前來(lái)說(shuō)認(rèn)為5分鐘的時(shí)間,不起火不爆炸是給熱失控?cái)U(kuò)散基本的要求。

第二個(gè)關(guān)心的問(wèn)題觸發(fā)的方法,我剛剛提到有三種:針刺、加熱、過(guò)充,這三個(gè)方法都做了相應(yīng)的研究。我們對(duì)這個(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果拿到國(guó)際法規(guī)上討論的時(shí)候,沒(méi)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(shí)驗(yàn),一共有十幾個(gè)電池的PACK實(shí)驗(yàn),其中包括方形軟包的,實(shí)驗(yàn)就涉及到一個(gè)問(wèn)題,有時(shí)候?yàn)榱诉_(dá)到這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的,對(duì)電池的樣品做小小的改動(dòng),而這個(gè)改動(dòng)也是會(huì)引起極多的討論,因?yàn)楦淖兞穗姵匕臓顟B(tài),目前狀態(tài)下沒(méi)有辦法改變,盡可能降低改動(dòng)的幅度。另外還有一個(gè)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)氣缸把針直接刺進(jìn)去了,第二個(gè)就是過(guò)充,這個(gè)樣品就是把這個(gè)PACK左上角的進(jìn)行了改變,接上了一個(gè)沖放電線,對(duì)它單個(gè)的進(jìn)行過(guò)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(gè)其實(shí)是小的PACK,我今天想跟大家展示的都是所有實(shí)驗(yàn)的過(guò)程,而且實(shí)驗(yàn)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(gè)也是過(guò)充的實(shí)驗(yàn),但是因?yàn)槲覀冞@個(gè)電池容量非常大,所以我們?cè)谧鲞^(guò)充的時(shí)候用了很小的,三分之一,這又引發(fā)了另外一個(gè)討論,我們?cè)谶@么長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)觸發(fā),跟實(shí)際的情況又偏離很多,這個(gè)也是我們要考慮的問(wèn)題。我們做的過(guò)充實(shí)驗(yàn),19分鐘的時(shí)候吸氣,20分鐘的時(shí)候有冒煙,但是沒(méi)有發(fā)生熱擴(kuò)散的現(xiàn)象。第三個(gè)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(shí)驗(yàn),對(duì)于方形和軟包的我們做的更多的是用加熱膜的做,對(duì)于圓柱的電池更多是用加熱泵纏起來(lái)做實(shí)驗(yàn),加熱的方法是目前相對(duì)接受度比較高的實(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn),這個(gè)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作的過(guò)程,一個(gè)流程,這個(gè)流程是可以跟大家分享的,因?yàn)樵蹅冸妱?dòng)客車的安全也正在做,里面也要求對(duì)電池的單體的熱???"q?