王芳:提升动力电池安全性的思考与实践

由天津市人民政府、中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会、中国汽车报社共同主办,天津市工业和信息化局、天津经济技术开发区管理委员会特别支持,日本汽车工业协会、德国汽车工业协会联合协办的第十九届中国汽车产业发展(泰达)国际论坛(以下简称“泰达汽车论坛”)于2023年9月1-3日在天津市滨海新区召开。本届论坛以“高质量·新未来”为年度主题,邀请重磅嘉宾展开深入研讨。

在9月3日“电动化论坛二:提升新能源汽车产业竞争力的思考与实践”中,中国汽车技术研究中心有限公司首席科学家、新能源专项总工程师、新能源检验中心总工程师王芳发表了题为“提升动力电池安全性的思考与实践”的演讲。

 

2023泰达论坛|王芳:提升动力电池安全性的思考与实践

 

中国汽车技术研究中心有限公司首席科学家、新能源专项总工程师、新能源检验中心总工程师  王芳

以下为演讲实录:

各位领导、各位嘉宾:

大家好!

因为时间有限,我直接切入主题,我的报告是提升动力电池安全性的思考与实践,在场很多人知道我这10多年一直从事电池的测试评价和标准化的工作,我的思考和这个有关。

第一部分,从产业的角度看电池安全性提升。首先看整个产业的情况,我们新能源汽车产业在快速发展,特别是近8年来发展迅猛,在这个发展过程中,电池的装机量在逐年攀升,今年1-7月份电池的装机量接近200GWh,同时我们的出口量达到了67GWh,大家会把电池归纳到出口的新三样之一。

我上一次参加行业讨论会的时候讨论比较多的是当前状态下如何保持动力电池在未来的国际竞争力,大家可能会谈到很多,包括欧洲的电池法,可持续发展里面对于电池包括新能源如何能够可持续发展,可能会面临包括性能、安全、环境也包括社会各层面的问题,性能里面的安全性、环境里面的碳减排这样的问题会是大家讨论的焦点。我们今天跟大家聊的更多是电池的安全这方面。

当汽车发展到一定的量之后,随着保有量的增加,遇到事故的数量必然会增加,数量肯定是在随着总的保有量增加而增加。

这个增加实际上对于我们的从业人员来说,可能是大家每一次发生一起事故都会给大家带来一次冲击和挑战,大家都会进一步思考我们如何能够尽我们全力降低安全性事故的发生,然后能够为我们产业的良性发展去做一些贡献。

其实大家听到包括大家在说新能源现在已经进入下半场,我的感觉我们的新能源汽车刚刚起步,我们需要大家的呵护不断让它健康、正常、正确的高质量发展。

我也参加过很多事故调查和复现的工作,我们总结里面看到,也是大家最关心的,事故发生跟电池有关。大家在日常工作中会尽全力希望不断提升电池的安全性,目前来看是通过氮气解决,并且以材料、工艺和结构的不断改进为主,长期还是希望通过材料的革新和体系的革新能够从根本上解决问题,比如说固态电池、其他的一些新的体系、新型产品的出现。

我们短期来说,大家从高能量层面,比如说在高比能的路线上基于现有锂电池的体系通过一系列手段,从材料高安全隔膜、高安全性的正负极材料的改性结构的改性等等这样的方式提升安全性。另外大家也在尝试性价比相对较高、性能安全性方面也有同样优势的体系路线。

这是大家整个的策略,都在尝试,都在努力,我们也能看到很多案例。包括我们最近做品牌的宣传可以看到每一家产品在各个方面的设计。

第二部分我从我测试的角度思考一下安全技术提升的方面。我这么多年工作中最关心的是安全的问题,其次是续航,跟续航有关的寿命问题。我在考虑电池的安全分成三个方面。

第一,从全流程看电池的安全,2000年初我刚刚做电池安全评价的时候,那个时候还没有标准,我做的时候大家会很简单地说拿出去一颗电池它的安全性怎么样,我们现在来看是一个系统的工程,首先它是一个全流程链。实际上电池的安全,我参加过很多起电池事故的调查,我把遇到的事故原因做了一个汇总,不是一起事故发生,有可能跟材料的本身安全性有关,也有可能和电芯设计的工艺有关,也可能跟电芯制造过程的控制有关,也可能跟系统集成的策略有关,当然它也会跟实际使用中正常的老化和非正常的滥用,比如说过度的快充、低温的使用等等有关,这个可能会涉及到从材料到整个全流程过程。也就是说流程的每一个环节都可能会影响到电池最终的安全性。

第二,从全生命周期来看,这个图是我在申请“十三五”项目的时候给专家展示的,我说电池是一个活的生物,它在全生命周期里面其实安全性的边界也是在不断变化,在缩小,我们要想更好地使用它,让它在使用的全生命周期能够发挥最好的作用,我们必须知道它在什么情况下能够用得非常好,在什么时候我们需要尽量控制它或者发现风险。如果提前发现风险,失控的影响和对外界造成的伤害能够达到最低。

第三,从全场景来看电池的安全,我把事故的原因做了汇总,跟电池相关的原因做一个分析,大家可以看到无外乎跟电有关、跟机械有关、跟热有关,所以我们今天简单分享一下,从这三个方面分析,实际上也是我们今天强制性标准提出修订以后里面最关心的三个点,而且我也跟行业的专家一起成立了三个专门的研究小组。

一是充电,充电最主要是大功率的充电,大家知道快充,而且我有一个团队专门做充电这块的研究,这是我们绘制的充电的图和统计的数据,可以看到每年大功率充电的直流桩数量在逐年攀升,而且速度增加非常快,这也是因为大家非常重视充电的体验,都希望能够快速补能,而且充电的效率要高。在这个过程中实际上我们不得不思考当这种大功率快充的全生命周期里面,大功率一个是高压一个是大电流,大电流直接带来的影响有可能对电池本身的挑战。在大功率充电过程中有可能会带来的安全的问题是充电系统本身,是充电的连接装置,当然也带来对整车和电池的安全挑战。

这个是电池充电过程的示意图,在充电的过程中正常的充电伴随着锂离子嵌入的过程,如果快速的充电锂离子嵌入过程中会有无序化,甚至嵌不进去形成死锂的过程,而这种过程随着快充逐渐增加过程中会带来死锂或者锂析出甚至刺穿隔膜,甚至会产生结构的变化的考验,最终有可能会引起失效,甚至有可能突然死亡。

所以我们设计一款能够可快充的动力电池可快充电动汽车的时候,并不是一次或者50次能快充就OK我们必须要考虑它在全生命周期内对于它的容量、续航里程以及安全性的衰减的影响下,综合因素的评定下能够满足要求的快充的策略,所以对快充的评价是系统的雷达图,而不是单项的指标,我们要看全生命周期内能不能这样,这个是从安全的角度我们对于电池的设计来说是必须要考虑的。

二是机械的内容,大家可以看到对于电动汽车来说在正常使用过程中有正常的振动,所以它对电池来说有随机振动,电池是有IP等级,而且电池非常特殊,如果一旦有破裂或者泄漏,会带来进水等安全风险,相对来说对机械的考验也要求非常高。这个过程中我列了常规的随机振动,比如说复杂的颠簸还有一些极限的碰撞等,这个大家都非常重视,已经形成了相应的国家标准,大家会按照这个去开发和遵守。

我今天还想提的一个问题是托底,比如说过减速卡、马路牙子甚至我们车库地下出口入口有一些底盘低的都会过不去。这个过程中我们可以看到,这个是我们实验室做的其中一个实验,在各种形态的障碍物托过电池底盘的时候可能会给电池带来什么样的挑战,我们在设计的时候对于电池底部机械的防护和电池内部抗机械的冲击的能力又应该是怎么样的,我们做了仿真的分析,可以看到在实时接触的时候受到的伤害以及电池内部的芯片可能会受到的伤害,这也是现在给我们的电池企业很多方面的挑战。

其实我跟很多电池厂交流过,我手里收集到接近1000个案例,不同类型托底的状态。大家都希望我们要重视,当这种情况发生的时候,什么状态下是电池必须能承受,什么状态下必须对它进行监控,什么状态下必须召回,这是我们应该重视,这也在新的国标的修订里面纳入到了考虑的内容。

三是热安全,热安全本身又是一个全产品链,从材料的热稳定性到系统的热安全,实际上热扩散是中国在2014年中国专家首先在国际提出的,应该做热扩散的测试。当时我在会上提出的时候所有的成员国没有一个人同意,通过努力2018年他们只同意把这个写进了法规但是没有写方法,又经过了几年的努力到今年上一次开会的时候欧盟的副主席说中国这么多年的努力,现在只有一家不同意,而且这个也写进了ISO标准。

大家看到我们经过这些年的努力大家都会重视,我们实验室从5分钟以上起火占比的数量到现在超过1个小时电池包不会起火、不会爆炸的数量已经是50%以上,二次又提出了新的修订的要求,修订会把一些方法做一些修订,另外多长时间不起火不爆炸,大家又提出了新的要求,大家认为5分钟是不够的,至于是30分钟还是2小时都在讨论。

这里面还有一个在做的过程中,大家关心很多的是,失控以后气体产生的危害包括对人的毒性等等,这一块的要求国际上由我们牵头跟一些国家交流。

这次大家提出比较多的是希望不做电池包的热扩散,我们希望在做电池包热扩散的基础上直接跳到整车的热扩散,看整车当一个电芯热失控的情况下整车会怎么样。这次我们成立了一个小组做整车的热扩散测试方法,国标修订过程中也在考虑把整车热扩散的方法写进国标,所以整车的热扩散就是模拟当一个电池发生失控的情况下,不但要看整车热失控热扩散的状态,同时也要看它在这个过程中产生烟气热力的状态以及有可能发生爆炸的极限是怎么样的。上面这个图是我们实验室整车火烧的实验,可以做火烧的实验室。

最后做一个小结和思考,我把2000年国标发布以来各个企业做的品牌宣传进行汇总,他们宣传的自己的各类的电池都起了很多的名字,但是我们可以把里面的每一个内容进行分析,可以看到大家采用的内容不外乎像从全生命周期去考虑、全产品链去考虑,内容从我们现有的体系情况下如何通过新材料、新结构的改进到智能的预警和监测方法保护,再到后面能发生失控的时候可以通过很好的传热和隔热措施提升它的安全性,实际上大家都在采用这样的方式不断地提升动力电池全生命周期的安全性。

我自己从测试的角度,一开始从最初的只做单体的测试安全评价到后来BMS系统再延伸到材料,现在申请到科技部“十四五”的项目也在做电池安全性评价,这个时候关心的是当外部的电池发生定性的起火爆炸的状态的时候我们要看定量里面的材料和界面发生了什么样的变化,我们用透视的眼睛看清楚他们之间的关系,也是为了更好支撑产业去做电池安全性的设计。

在天津我们有新能源电池测试基地,大家可以去参观,其他的几个地方包括广州、武汉和常州也有电池测试的中心,大家可以有更多的互动和交流,希望能够为行业的发展和大家一起共同做一些支撑。

谢谢大家!

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