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王子冬:提高动力电池系统能量密度 保证安全是

作者/整理:盖世汽车网 来源:互联网 2018-11-02

中汽协近日最新公布数据显示,1-9月,新能源汽车累计产销分别完成73.46万辆和72.15万辆,照此趋势,年底突破100万辆大关已成大概率事件。市场如火如荼,规模上量,电动汽车安全性问题也日益受到关注。

刚刚过去的这个夏天,大巴车、乘用车,烧了不少,触目惊心的事故令人产生了对起火原因的疑问。近日,中国北方车辆研究所国家863动力电池测试中心主任王子冬在中国宜春·2018全球锂电产业链高峰论坛上,对电动汽车频繁发生自燃事故背后的安全性问题进行了深度剖析和建议。他认为目前新能源汽车产业发展存在比较大的泡沫,产能过剩,在这种情况下企业很难把注意力放在研发上,产品的质量水平不高,事故隐患比较大,需要引起警惕。

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中国北方车辆研究所国家863动力电池测试中心主任王子冬

起火事故频发,是谁惹得祸?

王子冬认为,电动汽车起火其实与是不是磷酸铁锂或者三元材料并无重要关系,因为各种锂电池的易燃物都是电解液!只不过三元材料电池在出现问题时更容易点燃电解液而已。但目前业界还没搞清楚锂电池为什么会起火?好像大家都能说出引起起火的各种原因,但是实际上又说不清楚到底是什么原因,材料、隔膜、粘结剂、结构、封口、生产工艺、生产过程控制等等影响因素都有可能造成起火事故。

锂电池能量密度的提高,需要正极和负极材料有比较大的改进,对与之相匹配的高电压电解液、耐高温高强度隔膜、补锂工艺、电池安全性控制结构、系统保护结构等技术研究,这些问题的解决需要将近24-28个月的时间(如果一切顺利的话,需要8个月开发和调整材料,10个月的验证电池产品的可靠性和稳定性,国家行业认证单位测试3个月,用户上车试验5个月)。

新能源汽车补贴政策从2016年开始退坡,同时提出动力电池高能量密度路线。目前的行业发展一直是政策引导为主,按照2018年的最新补贴政策,能量密度在105Wh/kg以上的车型,补贴也越来越高。于是企业也是一直追随补贴政策的变化而不断改动,在技术验证时间并不充裕的情况下匆忙升级新的电池产品。

“这显然是不科学的,目前在中国生产动力电池的企业比较多,企业间电池的生产质量管控水平参差不齐,这样不管做什么锂电池都一定会起火!”王子冬还表示,现在有很多人在深入研究电池管理系统(BMS),但是在大量的起火事件中,BMS好像并没有起到作用,电池如果受到外部影响,BMS能够保护,但如果是电池内部出问题,BMS就不管用了。这就是有BMS也不能避免事故的原因。BMS都有报警推送功能,但是,对于有效控制起火事故,基本上没有发挥什么作用,有点“事后诸葛亮”的意思。另外,在动力电池回收再利用过程中的问题和麻烦更多。

因此,依靠增加电池组的带电量来增加电动汽车的行驶里程是不可行的,导致的副作用包括:结构件需加强车身重量加大、行驶能耗增加、电动汽车的安全性降低、车辆制造成本增加、充电时间变长等。

王子冬表示,在动力电池在材料上没有明显技术突破前,比能量发展到一定水平后,就很难再有进一步的突破。与此同时,在安全性方面的负面影响却越来越大。在没有掌握锂电池起火规律之前,把控能量密度与安全性和长寿命的平衡关系是不能忽视的问题。

“现在正常量产的三元里锂离子电芯,就目前的正极、负极材料体系和电解液体系,包括把硅碳添加负极中进来,理论的电芯能量密度的极限在350 -400Wh/kg左右。这里还有很多的工程问题需要解决。因此,如果没有材料上的技术突破,电芯比能量可能在300-400Wh/kg之间,会有很长一段时间的徘徊。只有在实现工程技术突破的前提下,才有可能实现将单体电芯能量密度提高到500Wh/kg,也才有可能实现电池组能量密度达到260Wh/kg以上的目标。”王子冬认为,当前还面临比较多的问题。整车企业应该根据市场的购买意愿等信息确定产品规划。对于用户里程忧虑问题,可以有不同行驶里程、不同价格的配置让用户选择,行驶里程长价格就高。而不应该由政策来决定电动汽车的行驶里程。

如何解决动力电池系统安全性难题?

众所周知,电动汽车上使用的“动力电池组”,是一个非常复杂的能量系统,涉及面非常广,除了电池本身有关电化学、材料、结构、生产工艺、生产设备以外,储能电池系统还涉及电池箱架布置结构、能量管理系统、散热系统、系统集成匹配、各种传感器、安全保护系统、系统一体化设计、系统可靠性、测试技术、试验技术、日常维护调整、成本、回收等诸多方面,属于典型的多学科协调作战攻关项目。

动力电池系统集成技术也是一项复杂的系统工程,是当今国际最新技术的有机集成,只有在总体集成、长寿命使用、电池的分选、安全管理系统综合控制技术、电池的一致性评价技术、宽温条件使用技术、安全使用技术等几项关键技术取得突破的前提下,才能放心使用。而这些技术攻关是否能够取得满意的结果,就要通过对动力电池组的测试评价结果来证明,同时还能够通过测试评价结果找到需要改进的目标,特别是安全管控的方法。

王子冬认为,首先,电池组安全性评价方法非常重要。企业可以通过对各种电池组的测试评价结果进行分析,选择出满足于各自车辆性能、功能、安全、可靠和符合成本要求的电池组。做这些研究工作的目的是为了掌握管控锂电池热失控的方法,找到如何避免发生起火事故的途径,或者找到能够提前预警的方法。

其次,动力电池组从一开始就要解决可设计性。动力电池出生前就需要事先考虑好:电池模块的可组装性设计、电池模块的可安装性设计、电池模块的可维护性设计、电池模块的可调整性设计、电池模块的回收可方便拆解性设计、电池组(系统)的可安装性设计、电池组(系统)的可维护性设计、电池组(系统)的可调整性设计、电池组(系统)的回收可拆解性设计、电池模块的可组装性功能设计等。 

第三、电池组充电时的安全管理是关键。

由于动力锂电池成组使用最关键、也是最核心的问题:一是安全、二是寿命。特别是在快速充电时,电池组内电池的差异加大,如何解决电池组的使用寿命?面临着巨大挑战。影响电池安全使用和循环寿命的因素,除了电池自身工艺性和产品质量外,至关重要的一个问题就是:电池成组充电时的安全性管控和热管理技术。没有完善的电池成组安全性管控和热管理技术,电池的安全性和长寿命循环就无法保证。因此,动力电池充电的管理系统与电池自身的质量同等重要。

王子冬表示,近年来中国锂离子动力电池性能在内在质量和产品工艺等方面,都有了长足进步,这是不可争议的事实。虽然中国的电池性能与国外有一定差距,但是绝没有人们想象得那么差,中国电池行业已经初步具备了在新能源汽车特别是在混合动力汽车上的应用基础,但影响中国发展新能源汽车产业化的技术难点主要是电池成组技术及必须与之配套的电池安全管理系统。

对电池管理系统认识的严重不足和目前业界一些电池管理系统生产企业的错误管理导向,直接或间接的影响了新能源汽车产业的快速发展已成不争的事实。另外,电池管理系统发展缓慢的一个很重要的原因,是缺少电池厂和整车企业的支持,研发电池管理系统,不仅需要电池厂配合整车企业进行台架试验,而且需要他们帮助完成电池管理系统的长期随车测试。没有电池厂和整车企业的有力配合,电池管理系统无法走向成熟。

动力电池的安全性是一个敏感的话题,又是一个不能回避的话题。我国动力电池行业经过十年的积累,已经有了非常大的提升。王子冬从科学的角度给出了他的建议:

1、由于目前的市场需求是政府用补贴政策拉动的,不是真正的刚性需求,企业需要注意行业泡沫,未来还存在许多的不确定性因素,需要引起警惕。

2、动力储能系统的设计和匹配需要创新,整车企业要与动力电池生产企业共同面对当前遇到的困难,解决困难需要时间和投入,切不可以朝三暮四;

3、解决好动力电池系统与电动汽车一体化设计问题,电池组和模块的设计需要全方位考虑周全,不是随便拿一个产品就能集成的:

4、加强对电池组产品的全面测试,不能根据片面的测试结果,就说产品技术好,需要对动力电池系统进行科学、系统、全面的评价5、通过评价,改进设计,解决好动力电池系统的重量能量密度、体积能量密度、充电接受能力、放电能力、安全性、高温适应性、低温适应性、循环寿命、搁置寿命、生产效率、维护方便性、回收方便性、成本接受度等这些基本层面性能的平衡;

5、通过评价,改进设计,解决好动力电池系统的重量能量密度、体积能量密度、充电接受能力、放电能力、安全性、高温适应性、低温适应性、循环寿命、搁置寿命、生产效率、维护方便性、回收方便性、成本接受度等这些基本层面性能的平衡;

6、要把动力电池安全性问题放在第一位,可靠性要重视,在能够保证安全性和可靠性的前提下,提高动力电池系统的能量密度。重视系统的优化,选择最合适的设计方案

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