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| 本文作者： 利榮 | 2018-09-22 12:35 | 專題：2018杭州.全球未來(lái)出行大會(huì) |
雷鋒網(wǎng)新智駕按：“2018全球未來(lái)出行高層論壇”在杭州國(guó)際博覽中心召開(kāi)，除主題論壇外，還有2場(chǎng)高層論壇、2場(chǎng)主題峰會(huì)、1場(chǎng)閉門會(huì)議、15場(chǎng)同期會(huì)議等。
本次大會(huì)主要是整合全球頂尖智庫(kù)、產(chǎn)業(yè)資源、核心企業(yè)以及政府管理部門等出行相關(guān)的產(chǎn)業(yè)體系化資源，深入探討汽車與出行產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與創(chuàng)新實(shí)踐，從產(chǎn)業(yè)政策、戰(zhàn)略路徑、技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等多維度助推汽車產(chǎn)業(yè)升級(jí)與發(fā)展。
本文來(lái)自連續(xù)三個(gè)五年計(jì)劃擔(dān)任國(guó)家新能源汽車重點(diǎn)科技專項(xiàng)首席專家歐陽(yáng)明高院士的演講，雷鋒網(wǎng)新智駕對(duì)演講內(nèi)容做了不改變?cè)獾恼怼⒕庉嫛?/span>
今天主要從四個(gè)方面分享電動(dòng)汽車安全性問(wèn)題。
首先是電動(dòng)汽車發(fā)生事故的統(tǒng)計(jì)情況。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)電動(dòng)汽車自燃起火基本發(fā)生在碰撞后，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車起火有如下特征：
一半以上為三元電池，少數(shù)為磷酸鐵鋰電池；
以圓柱形電池為主，此類型電池鋼殼包裹，一旦發(fā)生熱失控，就會(huì)引發(fā)爆炸，并引燃其他電池；
充電失火的事故占比較大；
一般情況下，熱失控大都發(fā)生在滿電狀態(tài)下，因?yàn)槌潆姇r(shí)，電池與充電系統(tǒng)連接在一起，熱失控最易發(fā)生，再加上高壓電器的短路問(wèn)題等，就會(huì)引起事故。
新舊車型都有，系統(tǒng)能量密度不高。
新舊車型都有發(fā)生事故的可能，這些事故車輛主要是前幾年生產(chǎn)，總體來(lái)看，電池系統(tǒng)比能量不是很高。
大量研究表明，新能源汽車發(fā)生起火事故的主因是電池?zé)崾Э亍?/span>電池?zé)崾Э氐臋C(jī)理是電池達(dá)到一定溫度時(shí)，引發(fā)連鎖放熱負(fù)反應(yīng)，導(dǎo)致溫度快速上升，最高速度可達(dá)到每秒鐘溫升接近1千度。
據(jù)悉，引起電池過(guò)熱的原因很多，例如電池包本身溫度不均勻、局部區(qū)域溫度高、過(guò)充放、內(nèi)外短路以及密封性差或機(jī)械碰撞等原因。
新能源汽車起火，主要是產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，并不是技術(shù)路線問(wèn)題。
產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題是指產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證、使用過(guò)程中沒(méi)有嚴(yán)格遵守相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。分為如下三類：
1、電池產(chǎn)品測(cè)試驗(yàn)證不足
由于補(bǔ)貼退坡政策周期是一年一次，與產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期匹配度不足。具體來(lái)看，化學(xué)材料體系的改進(jìn)需一年以上，但企業(yè)沿著補(bǔ)貼政策方向走，盲目追求高比能量，縮短測(cè)試驗(yàn)證時(shí)間，甚至為了縮短開(kāi)發(fā)周期選擇物理改進(jìn)方法，例如把電池活性材料增厚，隔膜減薄，造成電池比能量上升的假象，實(shí)際上安全性能嚴(yán)重下降。
電池測(cè)試驗(yàn)證手段不完善，無(wú)法反映實(shí)車的使用條件，很大一部分企業(yè)并沒(méi)有建立公司內(nèi)部的電池安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，甚至部分企業(yè)沒(méi)有電池安全測(cè)試的能力，以致于生產(chǎn)出的電池質(zhì)量參差不齊。
2、車輛使用過(guò)程中可靠性惡化
車輛使用過(guò)程中可靠性降低，全生命周期中防水效果不佳。通常電池的密封性要通過(guò)IP67標(biāo)準(zhǔn)，但車輛長(zhǎng)時(shí)間使用后，密封性變差，車輛進(jìn)水，造成短路。另一方面，電池激光焊接的接頭內(nèi)部易出現(xiàn)空隙，導(dǎo)致阻抗增加，進(jìn)而發(fā)熱產(chǎn)生高溫點(diǎn)，最終引起熱失控。還包括電池系統(tǒng)和充電機(jī)高壓電器老化，充電時(shí)接觸器經(jīng)常開(kāi)斷，造成接觸器表面高溫?zé)龘p或者粘連。
3、充電安全管理技術(shù)水平低下
充電過(guò)程中數(shù)據(jù)通訊不規(guī)范，BMS的廠商和充電機(jī)的廠商未嚴(yán)格執(zhí)行新頒布GB/T 27930-2015《電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，不嚴(yán)格執(zhí)行充電安全的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。具體包括，直流充電未采用專用網(wǎng)絡(luò)，與整車總線共用，導(dǎo)致充電網(wǎng)絡(luò)充斥大量無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)，負(fù)載率高；BMS充電管理未按照功能安全要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，在電壓、電流檢測(cè)失效情況下，無(wú)法有效避免過(guò)充；充電機(jī)未與BMS建立有效的充電配合與功能校驗(yàn)，在BMS失效情況下，無(wú)法及時(shí)停止充電等。
高比能量電池面臨更嚴(yán)峻的安全技術(shù)挑戰(zhàn)。根據(jù)中國(guó)新能源汽車動(dòng)力電池比能量發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)計(jì)不久會(huì)向300瓦時(shí)/公斤的高比能量電池邁進(jìn)，高鎳三元811電池將很快進(jìn)入市場(chǎng)。
高比能量電池比原來(lái)相對(duì)低比能量電池所面臨的安全技術(shù)要求更高。針對(duì)此情況，清華大學(xué)專門建立了電池安全實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展相關(guān)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)，與國(guó)內(nèi)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了廣泛合作，包括寶馬、奔馳、日產(chǎn)等公司，主要研究如下三方面：
熱失控的誘因，包括熱、電、機(jī)械等原因；
發(fā)生熱失控的機(jī)理是什么，如何在材料設(shè)計(jì)層面加以防護(hù)；
熱蔓延，一旦單體電池?zé)o法防止熱失控，需配備二次防護(hù)，在系統(tǒng)層面切斷熱失控。
截至目前，電池安全實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)取得了如下研發(fā)成果。
在電池?zé)崾Э匕l(fā)生機(jī)理與抑制方面，采取了兩種試驗(yàn)方法，一是從材料熱穩(wěn)定性研究差示掃描量熱儀，另一個(gè)是電池單體熱失控測(cè)量的加速量熱儀。
1、建立各種類型動(dòng)力電池特征溫度數(shù)據(jù)庫(kù)
根據(jù)上圖實(shí)驗(yàn)曲線，提出了高比能量電池?zé)崾Э貢r(shí)三種特征溫度的定義。當(dāng)電池溫度升到一定程度，電池自產(chǎn)熱，此溫度為T1；產(chǎn)熱到無(wú)法抑制，熱失控觸發(fā)，此溫度為T2；最后溫度上升到最高點(diǎn)為T3。
高比能量單體動(dòng)力電池?zé)崾Э刂饕赥2-T3階段，發(fā)生機(jī)理不清，通常認(rèn)為該現(xiàn)象是內(nèi)短路造成的。但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，即使沒(méi)有內(nèi)短路，熱失控還會(huì)發(fā)生。原因是高比能量電池的耐高溫新型隔膜到200度以上無(wú)變化，電解液基本蒸發(fā)完全，而在230-250度時(shí)，正極材料相變放出的氧與負(fù)極反應(yīng)產(chǎn)生了放熱高峰。
通過(guò)對(duì)比各種不同鎳含量的三元鋰離子電池差異性，可以得出如下初步結(jié)論：
高鎳正極對(duì)全電池的安全性有決定性影響；
硅炭負(fù)極在電池初期階段對(duì)其安全性的影響不大，但在循環(huán)衰減后影響比較大；
陶瓷涂覆的隔膜對(duì)全電池的安全性有積極作用，熱穩(wěn)定性更高隔膜的效果需要在全電池中驗(yàn)證。
2、熱失控蔓延與熱管理
真正的事故都是熱蔓延導(dǎo)致的，當(dāng)一個(gè)電池單體熱失控后，剩余電池包就開(kāi)始蔓延，最終引發(fā)著火事故。
根據(jù)對(duì)熱失控蔓延過(guò)程的測(cè)試和仿真分析，電池實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出一種隔熱方法，在主導(dǎo)傳熱的路徑上加隔熱材料作為防火墻，就能達(dá)到隔斷熱失控蔓延的效果。
1、內(nèi)短路
通過(guò)分析在用電池和事故電池，發(fā)現(xiàn)制造時(shí)均勻的極片在使用一段時(shí)間后，會(huì)造成折疊區(qū)域的破裂，從而導(dǎo)致局部析鋰，引起熱失控。
此外，電池制造過(guò)程中的雜質(zhì)也會(huì)引起內(nèi)部短路。對(duì)此電池實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了電池內(nèi)短路替代實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)在特定電池里面植入記憶合金實(shí)現(xiàn)預(yù)期的內(nèi)短路。
根據(jù)研究，內(nèi)短路可以分為四類，其中鋁集流體和負(fù)極相連危險(xiǎn)性最高，須提前預(yù)警。此外，內(nèi)短路的演變過(guò)程可以分為三個(gè)階段，第一階段，只有電壓下調(diào)，無(wú)溫度上升；第二階段有溫度上升；第三階段發(fā)生溫度上升現(xiàn)象，也就是熱失控。針對(duì)此演變過(guò)程，爭(zhēng)取在前兩個(gè)階段識(shí)別出內(nèi)短路，并提前15分鐘預(yù)警熱失控。該技術(shù)已經(jīng)與寧德時(shí)代取得了合作。
2、充電
通過(guò)對(duì)電池過(guò)充熱失控進(jìn)行機(jī)理分析和模擬預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)過(guò)充事故一般發(fā)生在微過(guò)充時(shí)，例如電池的不一致性，有些地方未充滿，有的地方已充滿，導(dǎo)致電池安全性變差。
為了解決此問(wèn)題，電池安全實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了基于參比電極的無(wú)析鋰快充技術(shù)，把負(fù)極的電位控制在零以上（零以下會(huì)析鋰），再增加一個(gè)三電極，就可實(shí)現(xiàn)無(wú)析鋰快充技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用后沒(méi)有發(fā)生析鋰現(xiàn)象，而且能夠加快充電速度，此外在三電基礎(chǔ)上，還可以基于模型進(jìn)行反饋和觀測(cè)。
3、老化
電池老化造成不一致性進(jìn)一步擴(kuò)大，隨著容量一致性變差，電池管理的精確性也會(huì)變差。另外，低溫環(huán)境下的老化會(huì)嚴(yán)重影響電池的熱穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致熱失控。
分析上述問(wèn)題得出，保障電池系統(tǒng)安全性的核心是研發(fā)先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)。
目前，電池管理系統(tǒng)方面，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品功能不足、精度不夠、安全功能不全，因此需要加大電池管理系統(tǒng)的研發(fā)力度。清華大學(xué)在電池管理系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)比較豐富，已獲得65項(xiàng)專利授權(quán)，并與國(guó)內(nèi)外公司合作中得到了應(yīng)用，其中部分專利授權(quán)給了奔馳汽車公司。
如何徹底解決電池安全性問(wèn)題是重中之重。
從近期看，可通過(guò)一些技術(shù)保障電池安全性。從長(zhǎng)遠(yuǎn)出發(fā)，保障電池的絕對(duì)安全還需具備前瞻性的科學(xué)研究。
目前世界范圍內(nèi)的發(fā)展關(guān)鍵趨勢(shì)是鋰離子動(dòng)力電池高比能量化，因此不能因?yàn)?/span>安全問(wèn)題就不發(fā)展高比能量電池，關(guān)鍵是要把握高比能量與安全性之間的平衡點(diǎn)。例如，高鎳三元鋰離子動(dòng)力電池的本征安全機(jī)理是正極釋放氧，因此可以通過(guò)界面修飾延緩正極釋氧，提高穩(wěn)定性。此外，開(kāi)發(fā)新一代固態(tài)電解質(zhì)，才能從根本上解決電解液燃燒問(wèn)題。
對(duì)比各國(guó)動(dòng)力電池技術(shù)路線圖來(lái)看，短期發(fā)展是液態(tài)電解液的鋰離子電池，未來(lái)會(huì)向固態(tài)電池方向發(fā)展。
綜合考慮電池成本和動(dòng)力電池的發(fā)展方向，建議中國(guó)也應(yīng)該走類似路徑，即短期考慮液態(tài)電解質(zhì)，發(fā)展高鎳三元正極和硅炭負(fù)極，通過(guò)電池管理系統(tǒng)和熱蔓延的抑制來(lái)防止安全事故發(fā)生，此類電池能夠滿足電動(dòng)汽車500公里續(xù)駛里程的要求。長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略要從液態(tài)電解質(zhì)逐步過(guò)渡到全固態(tài)電池，預(yù)計(jì)2030年全固態(tài)電池將得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
近期新能源汽車起火的主要原因是產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，部分企業(yè)沒(méi)有遵守技術(shù)規(guī)范，或是技術(shù)驗(yàn)證周期偏短等。
總之，大家要力爭(zhēng)解決動(dòng)力電池本征安全問(wèn)題，保障新能源汽車行業(yè)的健康發(fā)展。在政策方面的建議如下：
原有的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)偏高，2020年單體達(dá)到350瓦時(shí)/公斤，系統(tǒng)260瓦時(shí)/公斤，循環(huán)壽命2000次，從安全角度出發(fā)，不宜強(qiáng)行推行；
補(bǔ)貼政策要符合技術(shù)發(fā)展的規(guī)律，對(duì)能量密度的提升不宜過(guò)快過(guò)頻；
盡快推出電動(dòng)汽車安全年檢規(guī)范，以及電動(dòng)汽車黑匣子，電池包消防安全接口等規(guī)范。
最后總結(jié)，電池安全技術(shù)是電池技術(shù)革命性突破的第一重點(diǎn)，是純電動(dòng)汽車性能升級(jí)的第一關(guān)鍵，也是電動(dòng)汽車可持續(xù)發(fā)展的生命線。研發(fā)動(dòng)力電池要以安全為核心，全力提升現(xiàn)有鋰離子電池系統(tǒng)安全技術(shù)，同時(shí)突破新型固態(tài)電池技術(shù)。
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