操练动力电池“安全VS比能量”平衡术
发布时间:2019-10-16 18:11

大会现场

电动汽车最大的短板是什么?对于消费者或许是里程焦虑,但对于生产者,亿宝娱乐官网电池安全才是他们最操心的问题。

锂电池不仅是电动汽车最核心的零部件,它还是引发电动汽车自燃的首要原因——截至今年5月,新能源汽车国家监管平台共发现79起安全事故。58%的起火源于电池问题。

2019年10月7日,第三届国际电池安全研讨会在北京召开,会议主题是“为电动汽车制造更安全的高比能电池”。在动力电池比能量不断提升的背景下,来自全球高校知名教授、企业的动力电池研发设计者,讨论了电池热失控机-电-热诱因及防控方法、电池热失控发生机理与抑制方法、电池燃烧爆炸特性及火灾安全、电池系统热失控蔓延与热管理等议题。

在中国汽车技术研究中心首席专家王芳看来,不断提高电池系统能量密度、新材料体系,电池越做越大等趋势,为电池安全带来了巨大挑战。中国科学院院士欧阳明高牵头的团队对锂电池进行深入研究,通过单体电压监测、可燃气体预警、改善电解质、建立防火墙等方式来降低热失控概率和控制热扩散。车企方面,也在碰撞安全设计、监测、控制热蔓延等各方面加强电池的安全性。

左边是高比能需求,右边是安全性——动力电池从业者,需要在保持两边平衡的同时向前走。到目前为止,他们习得了哪些“平衡术”?

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动力电池安全评价:

四大挑战

对电动汽车长续航里程、快充的诉求,带来技术变革,而变革就会带来挑战。中国汽车技术研究中心首席专家王芳将其总结为四大挑战。

中国汽车技术研究中心首席专家王芳

首先,能量密度提升带来稳定性的挑战。电池系统的能量密度逐年攀升,从2015年的90瓦时/公斤,到现在的140多瓦时/公斤,问题也显而易见。“2016、2017、2018我分别测试了当时量比较大的国内外产品,包括三星、LG的电池,随着能量密度的提升,不管你的本体安全性如何去提升,电池的稳定性都在变差。”王芳说。

第二,材料体系变化的挑战。现在的产品追求高比能,电池从磷酸铁锂往三元体系转变,从三元333、到532、再到811体系。这个变化带来的弊端是热失控时间不断提前,正极材料的释氧温度逐步降低,电池材料的热稳定性越来越差。

第三,长续驶里程的挑战。提高续驶里程,除了改变材料体系,就是在有限的空间里塞尽量多的电池,这样就会导致电池就会越做越大,必然会把电池的铝箔和铜箔做薄,同时隔膜也会做薄。但是隔膜越薄,其抗穿刺能力就会越差,越容易被刺穿导致电池短路。

第四,电池衰减后的安全性挑战。王芳指出,他们统计的事故中,有很多都是1万多公里以后发生的。这就证明,电池是一个动态变化的过程。

这就意味着,在全生命周期内,电池的可用、可控和失控的评价面临巨大挑战。对电池的测试评价技术可能会是一个贯穿全生命周期的评价工程。在电芯的整个生命周期中,安全性会随着寿命的衰减而变化。在不同的循环周数下,电芯的内部状态和外部指标,也在发生变化。

2

热失控:

从三大原因求解

电池的危险来自于热失控,应对电池热失控,首先要了解机理,找到表现形式。欧阳明高总结,造成电池热失控的原因有三个,即内短路、正极释氧以及负极析锂。

中国科学院院士欧阳明高

靠BMS检测内短路

内短路又分为缓变型和突变型。欧阳明高介绍说,缓变型内短路,第一步表现是电压下降,到第二步才会有温升,最后形成热失控。对于缓变短路,在第一个过程即电压下降阶段通过故障诊断就可检测出,可防止它进一步恶化。例如,针对串联电池组,首先是从电压的一致性来进行分析,某一个电池电压下掉,说明这个电池有可能有内短路。但还不能确认的话,再加入温度检测。

应对突变型内短路,例如一个微短路,可以依靠可燃气体传感器,它可以做到至少提前3分钟进行热失控预警。也就是说,通过BMS可以有效检测出内短路。

○改进正极和电解质减少释氧

没有内短路依然会热失控。隔膜崩溃、正负极发生物质交换,即正极的释氧跑到负极,形成剧烈反应,引发热失控。要对材料进行改进,一个是正极材料,一个是电解质。欧阳明高举例说,正极材料可以从多晶到单晶就可以使释氧的温度提升100度。电解质方面,可以采用高浓度电解质,例如DMC(碳酸二甲酯)。

此外,从电解液的添加剂、高浓度电解质、新型电解质等方面还大有可为。

○充电控制减少析锂

电池全生命周期安全性最主要的影响因素是析锂,如果没有析锂衰减的电池安全性并不会变差。析锂多的放热大,析出的锂会直接跟电解液发生剧烈反应,引发大量温升,可以直接诱发热失控。

负极电位与析锂相关,只要控制负极的过电势,就可以保证不析锂。通过这个模型就可以推导出不析锂的充电曲线。我们让它负极电势始终不低于零,可以得到无析锂的最佳充电曲线。我们可以用三电极标定这条曲线,这样来做充电算法。”欧阳明高表示,他们已经跟企业合作,利用这个算法可以完全实现不析锂。但是这种是一个标定过程,随着时间的延长电池的衰减性能是会变的,所以他们又做了反馈的无析锂的控制算法,也就是要有一个观测器来观测负极的过电势,实际就是一个数学模型。

○控制热扩散

在欧阳明高看来,热失控整体来看还是有规律的。并联电池组热失控的特征是,第一个电池热失控后会短路,造成电压下降;串联电池的热失控就是一个热传导的过程;第三种情况是,刚开始是有序蔓延,后面是剧烈蔓延,这就会导致立即爆炸、燃烧事故。

欧阳明高认为,电池只隔热是不够,还需要散热的设计。“利用防火墙技术,隔热、散热相配合,通过隔热将传热挡住,通过散热把能量带走。”

另外还有一种热失控是喷发。从实验可以看出,喷发有固态、液态、气态三态,这中间气态都是一些可燃气体,就是燃料,固态是一些固态的颗粒,往往形成火焰。一般是收集颗粒物,就像传统汽车一样,把颗粒物通过过滤器进行捕集;另一个方法是稀释可燃气体。

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车企的解决方案

除了机理层面的控制,车企从整车角度也制定了一系列解决方案,例如碰撞安全设计、 监测、控制热蔓延等。

○主动碰撞安全设计

会上,北汽新能源和一汽介绍了他们在碰撞安全方面的设计方案。

据北汽新能源工程研究院副院长代康伟介绍,北汽新能源对电池进行四级保护。

北汽新能源工程研究院副院长代康伟

首先,把电池设计成和整车的乘员舱一样是安全不可变形的区域;在电池周围设计出过渡区以及可变形区,为了吸收当车辆碰撞时可以一定程度上来降低整车的碰撞强度,这是第一层整车级的保护。

第二层PACK级,采用了高强度铝型材的箱体设计,结合了我们拓补设计的优化点,确保PACK级有第二层的关于强度的保护。

第三层是电气功能的保护,首先通过关于把BMS、BDU等高压切断装置的电气部件优化在电池包的中心,用来确保当整车碰撞时电气系统不至于受到过多的损坏,确保它的功能正常。同时把相关的碰撞信号以及相关的异常监测的信号引入到系统里,来确保电气在出现异常情况时能够主动的切断高压装置,来保护司乘人员的安全。

第四层在模组级,采用的高强度的铝型材的模组设计,比普通铝型材强度提升35%。同时在电芯与电芯之间、模组与PACK之间也设置了隔热的缓冲区,当车辆受到挤压时,尽可能保护电芯不至于受挤压。

一汽集团不仅对电池进行了防碰撞维护,还进行了高压断电保护。据一汽集团新能源开发院院长王德平介绍,一汽集团对电池进行了特别防护设计,保证车辆在低速碰撞和托底时,电池不因为车的碰撞导致电池变形。另一方面,一汽构建了双路高压断电的系统,即在高速车辆发生碰撞的时候如果安全气囊开始工作的时候,同时要把整车高压的系统在1毫秒之内进行断电的处理,来确保整个高压系统的安全。

实时监控数据

实时监测是新能源汽车车企必不可少的,会上,北汽新能源、一汽和蔚来都详细介绍了他们的监测系统。

北汽新能源采用多点监测高压系统,来确保整车上所有的高压连接部位都能够得到监控,确保在所有绝缘失效模式下可以被监测,同时主被动的放电技术可以确保整车主动和被动的切断高压时,可以立即将参与的电压进行泄放。

一汽集团的新能源汽车监测包括两方面,一方面是BMS监测,是将云端的监控系统的数据导到车辆BMS中,使其控制的精度和估算的精度更高,并且能够实现提前故障预警。

一方面是电池热失控预警,即把云端历史数据、实时监控数据包括,环境的应力、系统的状态信息整合到一起,构建热失控预警开发的模型,再把这些预警的模型应用到整车的热失控系统里面。一是通过热失控模型预警的系统诊断,实现高压系统的维护,二是,车端、云端、仪表都可以向驾驶员包括后台服务,提供热失控预警信息。

一汽集团新能源开发院院长王德平

蔚来汽车副总裁黄晨东也介绍了蔚来汽车的监测系统。蔚来监测电池最基础的电压、温度以及健康程度。

在BMS的层面,蔚来进行实时监测,包含两个重点:一是做事件的监测,比如说电芯、电池的、电池组;比如说温度、电压、内部的抗阻等;二是数据的监测,即统计差异性,数据是不是正态分布。

黄晨东介绍说,蔚来的电池安全监测和预警系统,即便汽车在休眠的过程中,也仍然可以监测数据。“所有的大数据都进入到云端,云端可以进行自动分析,如果发现任何的异常,就会预警,我们就会来审议并且分析,或者把这个电池召回,或者我们可以从客户那边去把这个电池替换下来。”

○控制热蔓延保证司乘人员安全

北汽新能源代康伟介绍,北汽新能源针对电池热失控、热扩展领域,正联合行业内优质资源做一些热扩展路径的分析,以及热扩展阻断技术的研究,以期未来真正发生热失控时有较长热蔓延扩展的时间,使司乘人员获得足够的逃生时间。

蔚来采用绝缘材料来杜绝电池的热蔓延。“在最上层我们采用一些空间防止烟跑出,在下部我们很难去控制,但是我们会有一个冷却板或冷却垫,我们如果使用这样的液体,能够很好的控制。”黄晨东说。

此外,黄晨东还介绍说,他们未来设计还会杜绝电芯和电芯之间的热传递,在模块的绝缘当中有防火墙的设计,会杜绝热传递;在电池组的设计当中,会有相应的烟道的设计,来杜绝二次的损失。

蔚来汽车副总裁黄晨东

一汽集团的措施则更为主动。他们采用主动的灭火系统。采用特殊灭火介质对易发生热失控的动力电池进行灭火,实现热扩散控制。不过王德平介绍说,系统目前还是处于开发的阶段,还没有正式的用到的产品上,这套系统从前期的实验情况来看,有很大的效果。一方面,通过系统可以主动的对热失控的模组和单体进行灭火的实验,另一方面,因为所采用的灭火介质是高热熔比的介质,它的吸热量很大,通过这种吸热能够降低电池包内的温度,从而能够隔断电池包内的发热引起车内内室着火的现象。

《电动汽车观察家》发现,业界已经从关注新电池的安全,到关注电池全生命周期的安全;从冒烟、着火的事中处置,到热失控机理研究;从热扩散疏导热量,到主动灭火探索……这说明人们对锂电池的认识在不断深化。不过,动力电池比能量和安全性的平衡术,随着比能量的不断提升,全行业还有漫漫前路要走。(完)