中國儲能網(wǎng)訊：23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。
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 雪佛蘭沃藍達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。
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,我們認為這個電芯是安全的是可以的,就不再進行實驗,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,還有就是在車里面放煙霧,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行了詳細的分析,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去了,第二個就是過充,這個樣品就是把這個PACK左上角的進行了改變,接上了一個沖放電線,對它單個的進行過充,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失控和電池PACK的熱擴散提出相應(yīng)的要求,大家以后給電動汽車配套是要做這個實驗的,有很多人做這樣的摸底,也問到怎么做實驗?這個現(xiàn)在已經(jīng)完全可以按照這樣的標準和流程去做。
大家看我們做的幾個實驗的結(jié)果,就是用加熱膜把里面的一個電芯拆下來做,到電芯達到138℃的時候發(fā)生了熱失控,這個時候加熱片的溫度是330℃。這個實驗是做的時候加熱到123℃就熱失控了。當(dāng)然這個實驗,我們在國際上展示這個錄像的時候又引發(fā)了新一輪的討論就是煙霧的問題,所以說在法規(guī)討論的時候要增加一條這樣的要求,如果用整車做實驗的時候,5分鐘之內(nèi)不得有這種煙霧進入乘員艙,因為火還沒有來呢,人就被煙嗆死了,這個是不允許的。
這兩個是平行實驗,為了考核實驗的可重復(fù)性,拿了兩個同樣的PACK,用同樣的加熱的辦法做實驗,大家看到第一個實驗是123℃的時候熱失控,第二個是121℃的時候,我們很好呈現(xiàn)了這樣的實驗結(jié)果。別的就不詳細說了,這個是190℃的時候熱失控的,這個也重現(xiàn)了191、198℃的時候。
這個是圓柱形的,我們用加熱泵纏繞做加熱的實驗,我們在討論的時候,在做的時候發(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)生我們什么時候中止這個實驗?zāi)?這個是我們考慮中止的條件,因為我們做了很多的實驗以后,發(fā)現(xiàn)無論是什么樣的體積都進行了分析,發(fā)現(xiàn)一系列的實驗的熱失控的點都在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驗了,這是我們的一個要求。
下一個我們要講的就是熱失控發(fā)生的監(jiān)測,這個會過的很快,因為做了很多的實驗,但是最后有一頁有一個總結(jié)的,在這個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定義,當(dāng)溫升速率發(fā)生劇烈變化的時候我們認為發(fā)生了熱失控,這個時候監(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,這個是我們目前能夠監(jiān)測到的。
在這里我給大家展示了三個實驗結(jié)果和幾個三元的,大家看到我們在右邊把這個電壓下降的時候這個時間點,和溫度達到PACK廠家規(guī)定控制的最高溫度點的時間,以及DT比DT達到1度每秒的時間我們都進行了總結(jié),其實不是一度每秒,我們把幾個都總結(jié)了一下,20℃每分鐘,一直到100℃每分鐘,4℃每秒這樣的數(shù)值進行了統(tǒng)計,大家知道我們定這幾個值的時候有依據(jù),因為做了好幾年的工作,在各國討論的時候都定了這樣的值,希望找到一個點。
后面是三元的這些數(shù),我們可以直接來到這一頁,這個就是剛剛幾個數(shù)據(jù)的總結(jié)匯總,也就是說我們把認為正好,因為我們可以最終看到熱失控的點是什么,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,把這個時間點跟我們電壓下降的點,以及到達最高使用溫度的點進行比較,如果正好吻合就打勾,如果比熱時空的點提前拉,實際上應(yīng)該是在60秒鐘的時候確定熱失控,但是30秒的時候已經(jīng)觀察到達到企業(yè)規(guī)定的峰值溫度,認為就提前了,如果有一項提前,一項正好達到,我們認為條件判定是可以的,如果兩個都提前了就不行。
舉個簡單的例子,大家知道7158的標準討論,最初有一個稿里面提到,客車上電池箱必須安裝滅火系統(tǒng),什么時候滅火系統(tǒng)要觸發(fā)?因為大家知道滅火系統(tǒng)是一次性的,在這種極端的事故發(fā)生的時候就觸發(fā)滅火的,就跟車上的安全氣囊是一樣的,爆發(fā)的點是在哪個點?如果說只監(jiān)測到溫度,溫度到了企業(yè)規(guī)定的60度了,這個時候還沒有真正的熱失控直接就說又監(jiān)測到電壓下降一點點了,這個時候就給噴發(fā)了,這個叫什么?這個叫誤噴發(fā),那這個時候是非常要命,這個時候電池怎么辦?拆下來重新修理還是怎么弄?什么點是熱失控的點,什么樣的參數(shù)決定熱失控恰好發(fā)生了?這個是非常重要的。
所以,我們目前研究的數(shù)據(jù)結(jié)果,我們認為用電壓下降和溫升速率達到一個值,或者是用最高的溫度和溫升速率達到一個值這兩個共同的控制,根據(jù)實驗結(jié)果都能夠符合要求,而這個值多少合理呢?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℃每分的一個值基本能夠滿足要求,你這個值要比這個大是OK的,肯定沒有問題,值更大的話肯定熱失控就發(fā)生了。
這個是我剛剛總結(jié)了一下我們在加熱的時候做的單體電池?zé)崾Э氐臏囟赛c和加熱泵的溫度點到底是多少。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驗,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,這個也是做了一個對應(yīng)的實驗,當(dāng)然相應(yīng)的研究還要繼續(xù)。
對于內(nèi)短路的研究,評價研究是新的課題,需要挑戰(zhàn)的。那其實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等等的實驗,基本上給了可通過實驗可以保證人員安全的熱擴散的條件和要求,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,這三個方法跟內(nèi)短路是不能劃等號的,這個大家都知道,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)生的時候,我們能夠看到的系統(tǒng)的熱擴散的表現(xiàn)是什么樣的?這個是我們要明確的一個理念。
內(nèi)短路怎么評估?我覺得這個課題還是非常非常難,也是非常需要很多人研究的一個課題,我們確實后面的幾年也還是會在這方面做工作。第三個就是熱失控發(fā)生的點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,這個怎么結(jié)合?也是我們需要考慮的,所以我們認為今天我講的這些內(nèi)容,只是對前一階段工作的總結(jié),而這個正好是我們現(xiàn)在今天還要接著研究的一個內(nèi)容,所以說熱擴散測試評價在這里也是要感謝一下,因為這個測試評價的研究,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)給我們免費地提供了一些電池樣品,做這樣的實驗,目前工作仍然在進行當(dāng)中,希望更多的國內(nèi)的專家和企業(yè)參與進來,因為未來得2-3年,包括SGS、CTI的法規(guī),我們要對這個法規(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汽車的安全,也希望大家攜手共行,謝謝大家!
