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欧阳明高演讲全收录,首次发布电池安全分析「全文+PPT」 | 全球未来出行大会 2018

本文作者:利荣 2018-09-22 12:35 专题:2018杭州.全球未来出行大会
导语:新能源汽车起火是产品质量问题,技术路线不背锅。

欧阳明高演讲全收录,首次发布电池安全分析「全文+PPT」 | 全球未来出行大会 2018

雷锋网新智驾按:“2018全球未来出行高层论坛”在杭州国际博览中心召开,除主题论坛外,还有2场高层论坛、2场主题峰会、1场闭门会议、15场同期会议等。

本次大会主要是整合全球顶尖智库、产业资源、核心企业以及政府管理部门等出行相关的产业体系化资源,深入探讨汽车与出行产业的未来发展趋势与创新实践,从产业政策、战略路径、技术与产品创新、法规标准等多维度助推汽车产业升级与发展。

本文来自连续三个五年计划担任国家新能源汽车重点科技专项首席专家欧阳明高院士的演讲,雷锋网(公众号:雷锋网)新智驾对演讲内容做了不改变原意的整理、编辑。

今天主要从四个方面分享电动汽车安全性问题。

首先是电动汽车发生事故的统计情况。根据统计,近年来电动汽车自燃起火基本发生在碰撞后,国内电动汽车起火有如下特征:

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  • 一半以上为三元电池,少数为磷酸铁锂电池;

  • 以圆柱形电池为主,此类型电池钢壳包裹,一旦发生热失控,就会引发爆炸,并引燃其他电池;

  • 充电失火的事故占比较大;

一般情况下,热失控大都发生在满电状态下,因为充电时,电池与充电系统连接在一起,热失控最易发生,再加上高压电器的短路问题等,就会引起事故。

  • 新旧车型都有,系统能量密度不高。

新旧车型都有发生事故的可能,这些事故车辆主要是前几年生产,总体来看,电池系统比能量不是很高。

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大量研究表明,新能源汽车发生起火事故的主因是电池热失控。电池热失控的机理是电池达到一定温度时,引发连锁放热负反应,导致温度快速上升,最高速度可达到每秒钟温升接近1千度。

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据悉,引起电池过热的原因很多,例如电池包本身温度不均匀、局部区域温度高、过充放、内外短路以及密封性差或机械碰撞等原因。

新能源汽车产品质量问题

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新能源汽车起火,主要是产品质量问题,并不是技术路线问题。

产品质量问题是指产品在设计、制造、验证、使用过程中没有严格遵守相关技术标准和规范。分为如下三类:

1、电池产品测试验证不足

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由于补贴退坡政策周期是一年一次,与产品的开发周期匹配度不足。具体来看,化学材料体系的改进需一年以上,但企业沿着补贴政策方向走,盲目追求高比能量,缩短测试验证时间,甚至为了缩短开发周期选择物理改进方法,例如把电池活性材料增厚,隔膜减薄,造成电池比能量上升的假象,实际上安全性能严重下降。

电池测试验证手段不完善,无法反映实车的使用条件,很大一部分企业并没有建立公司内部的电池安全测试标准,甚至部分企业没有电池安全测试的能力,以致于生产出的电池质量参差不齐。

2、车辆使用过程中可靠性恶化

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车辆使用过程中可靠性降低,全生命周期中防水效果不佳。通常电池的密封性要通过IP67标准,但车辆长时间使用后,密封性变差,车辆进水,造成短路。另一方面,电池激光焊接的接头内部易出现空隙,导致阻抗增加,进而发热产生高温点,最终引起热失控。还包括电池系统和充电机高压电器老化,充电时接触器经常开断,造成接触器表面高温烧损或者粘连。

3、充电安全管理技术水平低下

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充电过程中数据通讯不规范,BMS的厂商和充电机的厂商未严格执行新颁布GB/T 27930-2015《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》国家标准,不严格执行充电安全的相关标准。具体包括,直流充电未采用专用网络,与整车总线共用,导致充电网络充斥大量无关数据,负载率高;BMS充电管理未按照功能安全要求进行设计,在电压、电流检测失效情况下,无法有效避免过充;充电机未与BMS建立有效的充电配合与功能校验,在BMS失效情况下,无法及时停止充电等。

动力电池技术发展趋势

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高比能量电池面临更严峻的安全技术挑战。根据中国新能源汽车动力电池比能量发展趋势,预计不久会向300瓦时/公斤的高比能量电池迈进,高镍三元811电池将很快进入市场。

电池安全共性技术问题

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高比能量电池比原来相对低比能量电池所面临的安全技术要求更高。针对此情况,清华大学专门建立了电池安全实验室开展相关的基础研究和技术开发,与国内外企业和研究机构开展了广泛合作,包括宝马、奔驰、日产等公司,主要研究如下三方面:

  • 热失控的诱因,包括热、电、机械等原因;

  • 发生热失控的机理是什么,如何在材料设计层面加以防护;

  • 热蔓延,一旦单体电池无法防止热失控,需配备二次防护,在系统层面切断热失控。

截至目前,电池安全实验室已经取得了如下研发成果。

高比能量单体动力电池热失控发生机理与抑制

在电池热失控发生机理与抑制方面,采取了两种试验方法,一是从材料热稳定性研究差示扫描量热仪,另一个是电池单体热失控测量的加速量热仪。

1、建立各种类型动力电池特征温度数据库

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根据上图实验曲线,提出了高比能量电池热失控时三种特征温度的定义。当电池温度升到一定程度,电池自产热,此温度为T1;产热到无法抑制,热失控触发,此温度为T2;最后温度上升到最高点为T3。

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高比能量单体动力电池热失控主要在T2-T3阶段,发生机理不清,通常认为该现象是内短路造成的。但经研究发现,即使没有内短路,热失控还会发生。原因是高比能量电池的耐高温新型隔膜到200度以上无变化,电解液基本蒸发完全,而在230-250度时,正极材料相变放出的氧与负极反应产生了放热高峰。

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通过对比各种不同镍含量的三元锂离子电池差异性,可以得出如下初步结论:

  • 高镍正极对全电池的安全性有决定性影响;

  • 硅炭负极在电池初期阶段对其安全性的影响不大,但在循环衰减后影响比较大;

  • 陶瓷涂覆的隔膜对全电池的安全性有积极作用,热稳定性更高隔膜的效果需要在全电池中验证。

2、热失控蔓延与热管理

真正的事故都是热蔓延导致的,当一个电池单体热失控后,剩余电池包就开始蔓延,最终引发着火事故。

根据对热失控蔓延过程的测试和仿真分析,电池实验室设计出一种隔热方法,在主导传热的路径上加隔热材料作为防火墙,就能达到隔断热失控蔓延的效果。

热失控的诱因和电池管理

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1、内短路

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通过分析在用电池和事故电池,发现制造时均匀的极片在使用一段时间后,会造成折叠区域的破裂,从而导致局部析锂,引起热失控。

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此外,电池制造过程中的杂质也会引起内部短路。对此电池实验室发明了电池内短路替代实验方法,通过在特定电池里面植入记忆合金实现预期的内短路。

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根据研究,内短路可以分为四类,其中铝集流体和负极相连危险性最高,须提前预警。此外,内短路的演变过程可以分为三个阶段,第一阶段,只有电压下调,无温度上升;第二阶段有温度上升;第三阶段发生温度上升现象,也就是热失控。针对此演变过程,争取在前两个阶段识别出内短路,并提前15分钟预警热失控。该技术已经与宁德时代取得了合作。

2、充电

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通过对电池过充热失控进行机理分析和模拟预测,发现过充事故一般发生在微过充时,例如电池的不一致性,有些地方未充满,有的地方已充满,导致电池安全性变差。

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为了解决此问题,电池安全实验室开发了基于参比电极的无析锂快充技术,把负极的电位控制在零以上(零以下会析锂),再增加一个三电极,就可实现无析锂快充技术。该技术应用后没有发生析锂现象,而且能够加快充电速度,此外在三电基础上,还可以基于模型进行反馈和观测。

3、老化

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电池老化造成不一致性进一步扩大,随着容量一致性变差,电池管理的精确性也会变差。另外,低温环境下的老化会严重影响电池的热稳定性,最终导致热失控。

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分析上述问题得出,保障电池系统安全性的核心是研发先进的电池管理系统。

目前,电池管理系统方面,国内产品功能不足、精度不够、安全功能不全,因此需要加大电池管理系统的研发力度。清华大学在电池管理系统的经验比较丰富,已获得65项专利授权,并与国内外公司合作中得到了应用,其中部分专利授权给了奔驰汽车公司。

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电池安全技术发展趋势

如何彻底解决电池安全性问题是重中之重。

从近期看,可通过一些技术保障电池安全性。从长远出发,保障电池的绝对安全还需具备前瞻性的科学研究。

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目前世界范围内的发展关键趋势是锂离子动力电池高比能量化,因此不能因为安全问题就不发展高比能量电池,关键是要把握高比能量与安全性之间的平衡点。例如,高镍三元锂离子动力电池的本征安全机理是正极释放氧,因此可以通过界面修饰延缓正极释氧,提高稳定性。此外,开发新一代固态电解质,才能从根本上解决电解液燃烧问题。

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对比各国动力电池技术路线图来看,短期发展是液态电解液的锂离子电池,未来会向固态电池方向发展。

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综合考虑电池成本和动力电池的发展方向,建议中国也应该走类似路径,即短期考虑液态电解质,发展高镍三元正极和硅炭负极,通过电池管理系统和热蔓延的抑制来防止安全事故发生,此类电池能够满足电动汽车500公里续驶里程的要求。长远战略要从液态电解质逐步过渡到全固态电池,预计2030年全固态电池将得到产业化应用

正确看待新能源汽车起火事件

近期新能源汽车起火的主要原因是产品质量问题,部分企业没有遵守技术规范,或是技术验证周期偏短等。

总之,大家要力争解决动力电池本征安全问题,保障新能源汽车行业的健康发展。在政策方面的建议如下:

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  • 原有的产业化目标偏高,2020年单体达到350瓦时/公斤,系统260瓦时/公斤,循环寿命2000次,从安全角度出发,不宜强行推行;

  • 补贴政策要符合技术发展的规律,对能量密度的提升不宜过快过频;

  • 尽快推出电动汽车安全年检规范,以及电动汽车黑匣子,电池包消防安全接口等规范。

最后总结,电池安全技术是电池技术革命性突破的第一重点,是纯电动汽车性能升级的第一关键,也是电动汽车可持续发展的生命线。研发动力电池要以安全为核心,全力提升现有锂离子电池系统安全技术,同时突破新型固态电池技术。

雷锋网推荐阅读:欧阳明高院士解析2017年动力电池技术进展与发展趋势

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