中國儲能網(wǎng)訊：23日下午的大會則主要圍繞“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價(jià)研究”的演講。
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?二是熱失控擴(kuò)散的測試評價(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:車輛在碰撞測試中鋰電池組受損,經(jīng)過翻滾試驗(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)電池溫度過高或充電電壓過高時(shí),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(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價(jià)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(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(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。
我今天提到的測試評價(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(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(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)做這樣的測試評價(jià)的時(shí),狀態(tài)不同的測試都會影響電池自身熱的穩(wěn)定性,這個(gè)是能夠監(jiān)測到,能夠測試評價(jià)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(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(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,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,得通過相應(yīng)的儀器和參數(shù)評價(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題,幾分鐘到底怎么定呢?當(dāng)我們監(jiān)測到一個(gè)熱失控信號的時(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。
我們做過一個(gè)實(shí)驗(yàn),用電動(dòng)車做了簡易的實(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有任何問題,沒有任何危險(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)果和跟國際專家的協(xié)商,目前來說認(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)心的問題觸發(fā)的方法,我剛剛提到有三種:針刺、加熱、過充,這三個(gè)方法都做了相應(yīng)的研究。我們對這個(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)果拿到國際法規(guī)上討論的時(shí)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(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)問題,有時(shí)候?yàn)榱诉_(dá)到這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的,對電池的樣品做小小的改動(dòng),而這個(gè)改動(dòng)也是會引起極多的討論,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)是通過氣缸把針直接刺進(jìn)去了,第二個(gè)就是過充,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,對它單個(gè)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(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,所以我們在做過充的時(shí)候用了很小的,三分之一,這又引發(fā)了另外一個(gè)討論,我們在這么長的時(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題。我們做的過充實(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(shí)驗(yàn),加熱的方法是目前相對接受度比較高的實(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,里面也要求對電池的單體的熱失控和電池PACK的熱擴(kuò)散提出相應(yīng)的要求,大家以后給電動(dòng)汽車配套是要做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的,有很多人做這樣的摸底,也問到怎么做實(shí)驗(yàn)?這個(gè)現(xiàn)在已經(jīng)完全可以按照這樣的標(biāo)準(zhǔn)和流程去做。
大家看我們做的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,就是用加熱膜把里面的一個(gè)電芯拆下來做,到電芯達(dá)到138℃的時(shí)候發(fā)生了熱失控,這個(gè)時(shí)候加熱片的溫度是330℃。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是做的時(shí)候加熱到123℃就熱失控了。當(dāng)然這個(gè)實(shí)驗(yàn),我們在國際上展示這個(gè)錄像的時(shí)候又引發(fā)了新一輪的討論就是煙霧的問題,所以說在法規(guī)討論的時(shí)候要增加一條這樣的要求,如果用整車做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候,5分鐘之內(nèi)不得有這種煙霧進(jìn)入乘員艙,因?yàn)榛疬€沒有來呢,人就被煙嗆死了,這個(gè)是不允許的。
這兩個(gè)是平行實(shí)驗(yàn),為了考核實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性,拿了兩個(gè)同樣的PACK,用同樣的加熱的辦法做實(shí)驗(yàn),大家看到第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是123℃的時(shí)候熱失控,第二個(gè)是121℃的時(shí)候,我們很好呈現(xiàn)了這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。別的就不詳細(xì)說了,這個(gè)是190℃的時(shí)候熱失控的,這個(gè)也重現(xiàn)了191、198℃的時(shí)候。
這個(gè)是圓柱形的,我們用加熱泵纏繞做加熱的實(shí)驗(yàn),我們在討論的時(shí)候,在做的時(shí)候發(fā)生了這樣的問題,熱失控也不是說必然發(fā)生的,如果熱失控沒有發(fā)生我們什么時(shí)候中止這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)?這個(gè)是我們考慮中止的條件,因?yàn)槲覀冏隽撕芏嗟膶?shí)驗(yàn)以后,發(fā)現(xiàn)無論是什么樣的體積都進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)一系列的實(shí)驗(yàn)的熱失控的點(diǎn)都在300℃以下,都在200℃左右,所以我們規(guī)定了如果你在300℃還沒有熱失控就可以中止實(shí)驗(yàn)了,這是我們的一個(gè)要求。
下一個(gè)我們要講的就是熱失控發(fā)生的監(jiān)測,這個(gè)會過的很快,因?yàn)樽隽撕芏嗟膶?shí)驗(yàn),但是最后有一頁有一個(gè)總結(jié)的,在這個(gè)里面我們要提一下的是什么呢?在全球法規(guī)里面對熱失控有一個(gè)定義,當(dāng)溫升速率發(fā)生劇烈變化的時(shí)候我們認(rèn)為發(fā)生了熱失控,這個(gè)時(shí)候監(jiān)測劇烈變化是多劇烈呢?我們做了大量的研究來想要得出這個(gè)數(shù)值比在多少合適?另外附加什么參數(shù)值?增加了電壓的下降還有最高使用溫度的值,這個(gè)是我們目前能夠監(jiān)測到的。
在這里我給大家展示了三個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和幾個(gè)三元的,大家看到我們在右邊把這個(gè)電壓下降的時(shí)候這個(gè)時(shí)間點(diǎn),和溫度達(dá)到PACK廠家規(guī)定控制的最高溫度點(diǎn)的時(shí)間,以及DT比DT達(dá)到1度每秒的時(shí)間我們都進(jìn)行了總結(jié),其實(shí)不是一度每秒,我們把幾個(gè)都總結(jié)了一下,20℃每分鐘,一直到100℃每分鐘,4℃每秒這樣的數(shù)值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),大家知道我們定這幾個(gè)值的時(shí)候有依據(jù),因?yàn)樽隽撕脦啄甑墓ぷ?在各國討論的時(shí)候都定了這樣的值,希望找到一個(gè)點(diǎn)。
后面是三元的這些數(shù),我們可以直接來到這一頁,這個(gè)就是剛剛幾個(gè)數(shù)據(jù)的總結(jié)匯總,也就是說我們把認(rèn)為正好,因?yàn)槲覀兛梢宰罱K看到熱失控的點(diǎn)是什么,溫升速率明顯的變化,而且最終直接失控的,我們找到失控的點(diǎn),把這個(gè)時(shí)間點(diǎn)跟我們電壓下降的點(diǎn),以及到達(dá)最高使用溫度的點(diǎn)進(jìn)行比較,如果正好吻合就打勾,如果比熱時(shí)空的點(diǎn)提前拉,實(shí)際上應(yīng)該是在60秒鐘的時(shí)候確定熱失控,但是30秒的時(shí)候已經(jīng)觀察到達(dá)到企業(yè)規(guī)定的峰值溫度,認(rèn)為就提前了,如果有一項(xiàng)提前,一項(xiàng)正好達(dá)到,我們認(rèn)為條件判定是可以的,如果兩個(gè)都提前了就不行。
舉個(gè)簡單的例子,大家知道7158的標(biāo)準(zhǔn)討論,最初有一個(gè)稿里面提到,客車上電池箱必須安裝滅火系統(tǒng),什么時(shí)候滅火系統(tǒng)要觸發(fā)?因?yàn)榇蠹抑罍缁鹣到y(tǒng)是一次性的,在這種極端的事故發(fā)生的時(shí)候就觸發(fā)滅火的,就跟車上的安全氣囊是一樣的,爆發(fā)的點(diǎn)是在哪個(gè)點(diǎn)?如果說只監(jiān)測到溫度,溫度到了企業(yè)規(guī)定的60度了,這個(gè)時(shí)候還沒有真正的熱失控直接就說又監(jiān)測到電壓下降一點(diǎn)點(diǎn)了,這個(gè)時(shí)候就給噴發(fā)了,這個(gè)叫什么?這個(gè)叫誤噴發(fā),那這個(gè)時(shí)候是非常要命,這個(gè)時(shí)候電池怎么辦?拆下來重新修理還是怎么弄?什么點(diǎn)是熱失控的點(diǎn),什么樣的參數(shù)決定熱失控恰好發(fā)生了?這個(gè)是非常重要的。
所以,我們目前研究的數(shù)據(jù)結(jié)果,我們認(rèn)為用電壓下降和溫升速率達(dá)到一個(gè)值,或者是用最高的溫度和溫升速率達(dá)到一個(gè)值這兩個(gè)共同的控制,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果都能夠符合要求,而這個(gè)值多少合理呢?目前根據(jù)我們考察了幾種典型的體系發(fā)現(xiàn),大概到1℃每秒,60℃每分的一個(gè)值基本能夠滿足要求,你這個(gè)值要比這個(gè)大是OK的,肯定沒有問題,值更大的話肯定熱失控就發(fā)生了。
這個(gè)是我剛剛總結(jié)了一下我們在加熱的時(shí)候做的單體電池?zé)崾Э氐臏囟赛c(diǎn)和加熱泵的溫度點(diǎn)到底是多少。我們也可以看到單體電池?zé)崾Э氐臏囟然旧鲜窃?00度以內(nèi),所以這也是為什么我們定300度目前認(rèn)為沒有什么問題。
最后就是一些其他的問題,也就是剛剛引申出來的,上次6月份在美國開會又提出來了,產(chǎn)生了那么大的煙怎么可以?所以我們回來又做了這樣的煙的實(shí)驗(yàn),把電池電著以后放在了箱體里面,然后通過監(jiān)控的系統(tǒng)觀察,外部可以觀察到煙和火,但是在內(nèi)部基本上沒有煙能夠觀察到,這個(gè)也是做了一個(gè)對應(yīng)的實(shí)驗(yàn),當(dāng)然相應(yīng)的研究還要繼續(xù)。
對于內(nèi)短路的研究,評價(jià)研究是新的課題,需要挑戰(zhàn)的。那其實(shí)大家看到我剛剛展示的是我們目前兩三年的研究的結(jié)果,我們做了大量的PACK等等的實(shí)驗(yàn),基本上給了可通過實(shí)驗(yàn)可以保證人員安全的熱擴(kuò)散的條件和要求,然后也給了一些觸發(fā)方式的建議,比如說針刺、過充和加熱,這三個(gè)方法跟內(nèi)短路是不能劃等號的,這個(gè)大家都知道,跟內(nèi)短路不是完全一樣,有外短路有其它的因素,但是我們的目的是什么?不管是內(nèi)短路還是外短路,表現(xiàn)出來的特征是熱失控了,我們希望當(dāng)熱失控發(fā)生的時(shí)候,我們能夠看到的系統(tǒng)的熱擴(kuò)散的表現(xiàn)是什么樣的?這個(gè)是我們要明確的一個(gè)理念。
內(nèi)短路怎么評估?我覺得這個(gè)課題還是非常非常難,也是非常需要很多人研究的一個(gè)課題,我們確實(shí)后面的幾年也還是會在這方面做工作。第三個(gè)就是熱失控發(fā)生的點(diǎn)到底是溫升速率和電壓以及最高溫度,還有沒有其他的參數(shù)可以表征的?滅火里面加入了煙霧傳感,火焰?zhèn)鞲袀鞲衅鞯谋O(jiān)測,這個(gè)怎么結(jié)合?也是我們需要考慮的,所以我們認(rèn)為今天我講的這些內(nèi)容,只是對前一階段工作的總結(jié),而這個(gè)正好是我們現(xiàn)在今天還要接著研究的一個(gè)內(nèi)容,所以說熱擴(kuò)散測試評價(jià)在這里也是要感謝一下,因?yàn)檫@個(gè)測試評價(jià)的研究,并且作為全球的法規(guī)工作是在工信部的領(lǐng)導(dǎo)下,由我們行業(yè)專家牽頭,中汽中心、清華、CATL等單位共同進(jìn)行的,而且有相當(dāng)一部分的電池企業(yè)、整車企業(yè)給我們免費(fèi)地提供了一些電池樣品,做這樣的實(shí)驗(yàn),目前工作仍然在進(jìn)行當(dāng)中,希望更多的國內(nèi)的專家和企業(yè)參與進(jìn)來,因?yàn)槲磥淼?-3年,包括SGS、CTI的法規(guī),我們要對這個(gè)法規(guī)的提案還是要做更多的研究和完善的工作,所以我覺得為了提升電動(dòng)汽車的安全,也希望大家攜手共行,謝謝大家!
