【行业动态:百人会论坛2020】中汽中心王芳:电动汽车以及动力电池的安全评价

2020-01-23

1月10-12日,2020中国电动汽车百人会论坛在钓鱼台国宾馆隆重召开。本次论坛围绕“把握形势 聚焦转型 引领创新”主题,邀请政府有关部门和汽车、能源、交通、城市、通讯等领域的行业机构和领先企业代表,就行业、企业、政策的转型与创新展开深度研讨。以下是中国汽车技术研究中心有限公司首席专家,检测认证事业部副总工程师,王芳在本次论坛上的发言:

中国汽技术究中心有限公司首席专家 检测认证事业部副总工程师 王芳

尊敬的各位专家,各位同行:

大家上午好,我的报告题目是电动汽车以及动力电池的安全评价。刚才叶老师也介绍了,我想很多人很熟悉,我一直从事电动汽车相关的测试评价与标准化的工作,同时也在和国内的专家一起参与国际法规的制定。2018年开始我们国家专门成立了电动汽车事故的专家调查组,我在里面从事相关的工作。今天这个内容,主要想跟大家分享一下基于国际法规和国内标准,从整车实际的应用需求要求出发来看我们的电动汽车和电池的安全评价,所以我更多的是讲实际使用过程中我们应该关注的安全问题。

我的工作有具体测试的内容,是我带领能源系统的测试团队的基础上做的,我跟大家分享两方面:第一产品技术特点的分析,我们想做详细的精准的测试必须先要了解测试对象的特点,截止到2019年的新能源汽车整个汽车产业的发展整体向好的趋势,随着汽车的发展,动力电池系统能量密度值也在逐年攀升,这个值是我们根据实验室测试的结果统计的值,这是系统的能量密度从2015年到现在,我们把里面的内容细细分拆,磷酸铁锂电池从比例的下降到现在的趋稳,三元电池快速的攀升到现在也在趋稳的状态,我可以看到里面的特点,昨天领导给大家分享到在2019年整体的A级的车占了80%多,一方面大家对于高品质的追求,另一方面大家对于适用于电动汽车应用场景的比较合理使用的场景的电动汽车的开发的重视。

另外,2019年我们讨论比较多的还有一个内容就是大功率直流充电技术相关标准,我今天跟大家分享的除了大功率直流充电高电压或者高电流的体系以外,更多的是想跟大家讨论一下刚才黄部长提到的目前基于大电流的直流快充频繁的快充可能带来的安全话题,我把实验室测试的电池结果再进一步解析,大家可以看到发展的特点,从2016年到2019年,2017年补贴政策开始以后它的变化,系统能量密度满足补贴里面的1.0档或者0.9档的比例,大家可以看到具体的数值。单体的能量密度值从2016到2019年的变化。

然后再看我们的测试。三元同样也有这样的特征,到了今年140Wh/kg以上的电池已经达到了接近80%的比例,成组率从58.5提高到了69.1%。对于冷却方式的变化做了这样一个统计,从2017年到2019年,我们统计的数量不一样,但是我们看到了里面的差异,液冷系统的关注度,跟前面能量密度的提升是密切相关的,随着能量密度的提升三元电池对于液冷系统的要求必然提上日程。我们可以看到2017年补贴的快速变化对能量密度的要求提上日程以后,大家从开始追随的脚步到现在理性的回归,大家更多的考虑到对产品品质的追求,对于未来后补贴时代,我们能够在市场上得到竞争的优势的产品品质的关注度,我想更多的提到日程上。

电动汽车安全以及与之相关的电池安全的概念。整个电动汽车的安全标准体系,传统车有很多的安全,电动汽车不能忽视低压部分的安全性,但是对于新能源汽车的从业人员来说我们可能会把一些关注点更高的放在跟电池相关的高压系统这块,电动汽车与之相关的高压安全就会涉及到充电安全、碰撞安全、高压安全、动力电池本身安全以及紧急救援的安全。我参加事故的调研,根据我关注的焦点,我会关注产品的品质和电池本身的品质,我把原因是这样分的,从2011-2019年样本数里,热失控扩散占了50%以上,另外两个比较大的是充电和机械的破坏。

整车实际的使用过程中所涉及到的安全性,第一是充电安全,充电系统充电过程中会涉及到能源、车辆、充电的连接装置、充电的设备以及供电网络的状态,所以它是个非常复杂的整个跨产业链的系统,所以它的安全的失效模式就会涉及到多维度的全寿命周期的不同的使用环境下的,我总结为对充电安全有可能是电的安全的失效也可能是火的安全的失效,大家会关注这里边的很多内容,我从我们调查的事故里选两个例子来给大家分享一下我们对这个的理解。

第一,过充电,因为过充电的失效,我们理解过充电的失效可能涵盖的内容包括车上所有的部件、电池的控制单元、整车的控制单元的失效带来的隐患,当然它也基于整车设计对于电池安全的解析是不是到位,这是一个系统的概念;第二是充电,我给大家分享两个诱因,一个是一致性,刚才很多人提到车规级的概念,电池本身用在车上本来就应该是一个车规级的产品,我觉得它不是一个新鲜的名词,它应该是大家都应该达到的要求,一开始大家就应该是统一的观点,而不是新鲜的名词。一开始对于产品的一致性的要求必须要达到一个水平,在车实际的使用过程中即使它有很好的一致性也会不断的出现分裂,它的一致性会降低,这个过程中如果充电的策略不及时调整就有可能因为频繁的微小的在策略允许范围内的过充出现,这个会导致集中的事故的发生。

第二,充电策略与电池特性不匹配,现在的充电策略有这么多种,但是哪一种策略能够符合你的电池的实际特性,需要大家做大量的评价工作,比如我要从它的全生命周期的温度、容量、功率特性的衰减来评判电池的控制策略是否准确是否恰到好处,如果在这里面有某个参数并不能满足电池的特征的话,充电过程必然会影响到电动汽车的安全性。刚才已经提到了现在的状态下共享的汽车和出租的汽车这类的汽车经常存在长期快充的状态,对于电动汽车的考验是非常值得大家关注的一个话题。

第二,机械的安全。讲两点:第一是碰撞的安全。现在的碰撞包括正碰撞侧碰撞,有很多种形式,法规的测试比如正规的碰撞,实际道路的实验是2019年9月份做的实验,模拟一个十字路口一个车没有刹住车,追尾了红车,把它冲出去以后另一个车把它侧面碰撞,我们关注的是在实际使用过程中车的电安全、电池安全、人员安全,我考虑电池的角度,比如现在的法规测试已经有了静态的挤压和动态的碰撞,但是实际发生的状态是综合的作用,大家看是不是?所以我们现在发明了这样一个方法,动态的挤压,带着速度的挤压,我们要看它对电池的伤害值,正在跟一些企业合作做一些评价。

第二,跟大家分享一下托底,这是大家越来越关注的内容,比如车辆的托底会引起底盘的变形,当时有可能没有任何严重的后果,但是在后期的使用当中有可能会是一个隐患,我们现在做了大量的仿真,现在也开始和企业合作设计实验做这样一些测试,模拟包括地面的障碍物,包括铁轨、马路牙子、软路面和硬物的冲击等情况下有可能对电池造成的伤害。

第三,可靠性和安全性的概念,我们跟国际专家做了很多争论,他们现在已经接受了我们的观点,我们原来看普通车上的部件的可靠性,它就是能够完成某种功能的能力,它不存在安全问题,而安全性是在一定程度的耐用下它能够承受的安全能力方面的状态。对于动力电池来说它是个高压系统而且它是个变化的高压系统,它在长期的可靠性的情况下,比如行走了1万km以后它就有可能可靠性下降演变成安全性的问题,所以我把这类归类为可靠性问题。举个例子,现在写进了法规的测试,我们先做振动然后做泡水,就是为了看经过长期的实际使用以后它能够满足的IP等级等等,可靠性是否能够满足实际的使用要求,在1万km2万km甚至10万km以后是否还能够达到可靠安全。

热失控的安全方面我们应该做的评价包含哪些?热失控的评价今天大家讲的比较多了,其实它的诱因有很多,从材料、电芯、系统到实际使用。材料的层级,我们调查的事故中有一例是非常典型的事故,我们能够明显看到这样的结果,一开始跟大家分享了50%多的事故是因为热失控,我们在分析事故调查的时候,最后写报告的时候并不能完全给出一个结果,这个系统完全是由谁造成的,我们经常给出的是不排除的两个原因或者三个原因。大家也知道事故发生的时候有可能毁坏的程度比较大或者因为二次救火毁坏了前面一次着火的痕迹,但是我们能看到它的导向和诱因,我们能够推断出一些不排除的一两个原因。我们归类跟这几个都有关系,材料正负极材料或者隔膜的缺陷,电芯的制造过程中因为质量控制的水平的差异导致了电芯层面的异物或者内短路等隐患的存在,系统集成的层面比如焊接的工艺、线速的排布方式,这是我们在前期事故里面发现的,纯补贴类的产品,大家知道什么概念,他们为了追求高比能的要求所以系统集成的时候考虑得相对欠缺一点,产品的制造方面还需要提升的情况下这类的问题就会比较多一点。

第四类是实际使用过程中,我不考虑监控的东西,我只说电池本身,一个是过度的使用,我说的过度的使用比如刚才提到的快充频繁的快充或者低温充电超低温充电这样的问题,第二类是电池的自然的衰减,比如锂枝晶的生长、隔膜的腐蚀等带来的问题。我们从这个角度可以看到从材料到整车级别,我们都要综合地考虑它的热安全性,这是一个大的课题。2019年我带着我们团队做了很多这样的思考,比如从材料到电池,我们原来测电池都是一个黑箱的测试,我们看到的就是最终的结果,电池里面发生了什么我们其实并不知道或者我们只是猜测地大概知道它的机理,所以今年建立了一个方法,我们要看电池的热稳定性降低,它是因为极化热的增加,它的不可逆反应热的增加或者包含了它的结构的变化等等,与之相关的是跟电极的极片有关系,又跟前面的材料有关系,我们能够用一些手段分析这里面的极片变化过程,从而看到整个电池的安全的变化和里面的反应有什么样的直接关系,这是我们想要做的。

我们后面在研究电池电化学热分析的时候也穿插了这样一个手段来看它在不同的SOC、不同的温度、不同的倍率下电池的热学性质以及对应的材料的特征,去看它们之间的热安全的构效关系,引入了原位的中子扫描的手段来做这样的综合评估,到了系统的层级,大家现在最为关注的测试就是热扩散的测试,这个概念是我们认为现有的电池体系下热失控的可能性还依然存在,这是我们能够接受的,但是接受的前提条件是在电池的发生热失控的瞬间要给大家一个信号,在信号发出以后到车最终发生起火事故之前能够有五分钟的时间给大家逃生,这是我们的安全概念。

但是这个过程中有很多测试评价体系,包括我一开始提到的现在大家越来越多的液冷系统的重要性,但是热管理系统能不能很好的实现热管理的功能的设计,这里面又有两个大的测试话题,第一个如何设计一个热管理系统,我们就要对整个热管理系统进行一个系统评测的体系,另外当你建立热管理系统以后如何评价热管理系统能实现它的功能安全,我们要对热管理系统进行综合评价,这是我们这两年出大量标准的领域、板块,大家如果感兴趣可以跟我们在这方面做深入的合作和交流。

最后简单做一个小结:我们认为国际法规和国家标准只是最低的要求,大家不要把它作为最高的要求来看,我们电池的安全应该是以满足整车的实际使用安全为目标,应该从材料、电芯、BMS和系统各个层级建立面向产品开发的各层级的研发性的测试评价体系。

谢谢大家。

(转载自:盖世汽车资讯)


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