中國儲能網(wǎng)訊：23日下午的大會則主要圍繞“動力電池安全和梯次利用”主題進行討論,中國汽車技術研究中心電池首席專家、博士王芳女士發(fā)表了題為“動力電池熱安全評價研究”的演講。
以下是由電動汽車資源網(wǎng)整理的王芳博士演講的主要內(nèi)容:
今天我報告的題目是動力電池熱安全評價的研究。今年有這么多的安全事故,這種情況下討論這個更有意義。報告分三個部分,一是為什么要做這個事兒?二是熱失控擴散的測試評價。
大家可以看到我們這幾年的一些電動汽車的事故:
1. 2008年 Prius PHEV 起火事件
事故原因:因裝配設計存在缺陷(報道中稱用戶對電池包進行了改裝),行駛中電池組某處接頭松動,該處電阻增大,異常生熱導致其附近溫度過高,并最終引發(fā)熱失控,并波及整個電池包。
2.2013年 Tesla Model S 起火事件
事故原因:汽車在高速運行中,與路面上的大型金屬物體發(fā)生碰撞,底盤(電池包外殼)被刺穿,導致電池內(nèi)部短路,引發(fā)熱失控。
3. 2011年 雪佛蘭沃藍達PHEV 起火事件
事故原因:車輛在碰撞測試中鋰電池組受損,經(jīng)過翻滾試驗后電池熱管理系統(tǒng)的冷卻液泄露并與電池組件接觸,有導致電池內(nèi)部短路的風險,并會最終引發(fā)自燃。
電動汽車起火事故的直接原因有很多種可以看到的過熱、內(nèi)短路、外短路碰撞等等現(xiàn)象,而最終的表現(xiàn)是整個電動汽車的熱失控,其實應該叫熱失控的蔓延。
鋰離子動力電池熱失控的發(fā)生機制:鋰離子電池在正常充放電反應外,還存在許多潛在的放熱副反應。當電池溫度過高或充電電壓過高時,容易引發(fā)。
主要的過熱副反應:1.SEI膜分解導致電解液在裸露的高活性碳負極表面的還原分解;2.充電態(tài)正極的熱分解;3電解質的熱分解;4.粘結劑與高活性負極的反應。
看一下這個圖,剛剛提到4個副反應,如果在某一個環(huán)節(jié)斷裂,不發(fā)生后續(xù)的連鎖反應,就不會發(fā)生大規(guī)模擴散的事故,就是我們所期望的結果。
上圖是在不同溫度的時候發(fā)生反應的溫度范圍。
鋰離子動力電池熱失控評價的必要性:盡管電池能夠通過當前法規(guī)測試,但也不能保證電池不會發(fā)生熱失控。很多我們不期望的一些狀況會造成熱失控的發(fā)生。第一個就是內(nèi)短路,第二個是快充等這樣的一些特殊的使用環(huán)境造成的熱失控,第三個因為壽命的衰減,出現(xiàn)了一些異常反應。
熱失控是不可避免的,安全是相對的,不安全是絕對的。怎么做才能夠盡量地提高安全的幾率,降低安全事故發(fā)生的風險呢?需要保證的是什么?安全。當熱失控發(fā)生了,還要保證什么安全呢?保障的是這個時候車上的乘員的安全,乘員在電池發(fā)生熱失控的狀態(tài)下,能夠快速地逃離到安全的區(qū)域,不發(fā)生人員傷亡,這個是我們要求的安全。
我今天提到的測試評價就是希望提一個要求:不管采用什么樣的技術,電池是一個系統(tǒng)工程,從電芯的生產(chǎn)到集成可能需要很多的工作,無論想用什么樣的技術手段保障,我只要求你在一個電芯事故發(fā)生的情況下讓乘員有逃生的時間,發(fā)生起火等嚴重事故之前有足夠的逃生時間。
美國一家實驗室提出,熱失控產(chǎn)生擴散是不應該發(fā)生的,希望車廠在做電芯設計的時候,將阻止電池熱失控的擴散蔓延發(fā)生作為重要的目標。
各種情況導致熱失控發(fā)生的時候,我們怎么去評估它?這里面就要解決的問題是怎么觸發(fā)?怎么評估?怎么判斷是否能夠pass這個實驗?所以這個是我們做這個研究的背景。
整車廠要設計一款電池,要做好熱管理,關心的不單單是熱失控的安全問題,還有電池本身的比熱容、產(chǎn)熱速率、產(chǎn)熱量,不同的條件下產(chǎn)熱量和產(chǎn)熱速率是什么樣的?這些基本的熱特性是熱穩(wěn)定性的邊界條件,也就是說電池本身的熱穩(wěn)定性包括它的熱失控不同階段的參數(shù),還有生命周期的熱穩(wěn)定性。
電池做熱失控的時候,可以看到不同階段熱穩(wěn)定是什么樣的狀態(tài),最關心的是有幾個點:一個是當電芯剛剛開始發(fā)生熱失控的點,一個是電池發(fā)生熱失控的終端最高溫度點,當然還有就是剛開始自產(chǎn)熱的點。
給企業(yè)做這樣的測試評價的時,狀態(tài)不同的測試都會影響電池自身熱的穩(wěn)定性,這個是能夠監(jiān)測到,能夠測試評價的,能夠很好很直觀看到的。但現(xiàn)在的問題是,怎么能夠把內(nèi)短路,像這種無法通過檢測手段表達的這種熱失控來測試出來?
測試評價需要觸發(fā)一個熱失控,觸發(fā)一個熱失控,可能有幾種辦法,包括加熱、過充等等,其他的辦法也有試過,目前來說這幾種辦法還是能夠實現(xiàn)。如果用這幾種方法不能觸發(fā)電池的熱失控,我們認為這個電芯是安全的是可以的,就不再進行實驗,如果有一個辦法讓電池發(fā)生熱失控了,這種情況下不管中間有什么樣的過程,我們直接到最下面,到最后當最終電芯發(fā)生熱失控的時候,整個系統(tǒng)能夠維持多少分鐘不起火不爆炸,這個是我們關心的,也就是說乘員是不是有足夠的時間逃生。
當然這個里面關心的就是監(jiān)測,就是熱失控發(fā)生的條件是怎么判斷的?因為熱失控實驗的時候不能自己走近了看,得通過相應的儀器和參數(shù)評價。讓電池包可以抗幾分鐘的熱失控蔓延?用什么樣的辦法最合理?第三個就是監(jiān)測的點怎么判定?
我們第一個要求幾分鐘,這個里面其實我們最初考慮得是在之前不起火不爆炸的,但是考慮了以后又考慮了煙霧的問題,幾分鐘到底怎么定呢?當我們監(jiān)測到一個熱失控信號的時候,這個時候司機需要做出反應,他有兩個時間是需要考慮的,一個就是說當熱失控發(fā)生的時候,一個是汽車起動、汽車制動到停止的時間;第二個就是乘員逃生的時間,這兩個時間之和是我們需要考慮的總時間,我們給電池留的起火時間必須大于這個時間。
我們做過一個實驗,用電動車做了簡易的實驗,車上5個人都系好了安全帶,在發(fā)出指令以后,迅速逃離安全區(qū)域以外所用的時間大概是平均10幾秒之內(nèi),這是一個乘用車的;我們又做了商用車的實驗,這個跟上海消防所一起做的,80人用了一個大巴車做了實驗,實驗分了幾類,一個是前門開,后門開或者是前后門都開,還有就是在車里面放煙霧,同時放煙霧的情況下做實驗,所以說做了各種實驗以后得到的數(shù)據(jù)大概是這樣的,最高的是在50幾秒撤離,這個是大家非常井然有序而且知道沒有任何問題,沒有任何危險的情況下的結果,我們之前還做了一個實驗,大概是用了一個大巴車,跑5米以外大概需要的時間是4分鐘左右,人員差不多的但是人員的分布年齡結構優(yōu)差異。權衡考慮幾個方面,實驗的結果和跟國際專家的協(xié)商,目前來說認為5分鐘的時間,不起火不爆炸是給熱失控擴散基本的要求。
第二個關心的問題觸發(fā)的方法,我剛剛提到有三種:針刺、加熱、過充,這三個方法都做了相應的研究。我們對這個模塊,傳遞到后面電池的速度和方式都進行了詳細的分析,這個實驗結果拿到國際法規(guī)上討論的時候,沒有得到任何人的認可,模塊不代表PACK。
去年年初開始又做了大量的電池PACK的熱失控實驗,一共有十幾個電池的PACK實驗,其中包括方形軟包的,實驗就涉及到一個問題,有時候為了達到這個實驗的目的,對電池的樣品做小小的改動,而這個改動也是會引起極多的討論,因為改變了電池包的狀態(tài),目前狀態(tài)下沒有辦法改變,盡可能降低改動的幅度。另外還有一個實驗是通過氣缸把針直接刺進去了,第二個就是過充,這個樣品就是把這個PACK左上角的進行了改變,接上了一個沖放電線,對它單個的進行過充,其它的模塊是不變的,我們看到最終的電池PACK,大家可以看到著火了,這個其實是小的PACK,我今天想跟大家展示的都是所有實驗的過程,而且實驗要求是5分鐘之內(nèi)不起火不爆炸就可以,所以大家看到各種不同的現(xiàn)象。這個也是過充的實驗,但是因為我們這個電池容量非常大,所以我們在做過充的時候用了很小的,三分之一,這又引發(fā)了另外一個討論,我們在這么長的時間內(nèi)觸發(fā),跟實際的情況又偏離很多,這個也是我們要考慮的問題。我們做的過充實驗,19分鐘的時候吸氣,20分鐘的時候有冒煙,但是沒有發(fā)生熱擴散的現(xiàn)象。第三個方法就是加熱,加熱目前是有幾種,一種是用加熱的block,而我們用加熱的膜,當然還有加熱泵纏在膜上進行實驗,對于方形和軟包的我們做的更多的是用加熱膜的做,對于圓柱的電池更多是用加熱泵纏起來做實驗,加熱的方法是目前相對接受度比較高的實驗,大家可以看到SAEJ2464里面已經(jīng)有推薦的方法。
我們做的用加熱膜給電池加熱觸發(fā)的實驗,這個是整個實驗的操作的過程,一個流程,這個流程是可以跟大家分享的,因為咱們電動客車的安全也正在做,里面也要求對電池的單體的熱失控和電池PACK的熱擴散提出相應的要求,大家以后給電動汽車配套是要做這個實驗的,有很多人做這樣的摸底,也問到怎么做實驗?這個現(xiàn)在已經(jīng)完全可以按照這樣的標準和流程去做。
大家看我們做的幾個實驗的結果,就是用加熱膜把里面的一個電芯拆下來做,到電芯達到138℃的時候發(fā)生了熱失控,這個時候加熱片的溫度是330℃。這個實驗是做的時候加熱到123℃就熱失控了。當然這個實驗,我們在國際上展示這個錄像的時候又引發(fā)了新一輪的討論就是煙霧的問題,所以說在法規(guī)討論的時候要增加一條這樣的要求,如果用整車做實驗的時候,5分鐘之內(nèi)不得有這種煙霧進入乘員艙,因為火還沒有來呢,人就被煙嗆死了,這個是不允許的。
這兩個是平行實驗,為了考核實驗的可重復性,拿了兩個同樣的PACK,用同樣的加熱的辦法做實驗,大家看到第一個實驗是123℃的時候熱失控,第二個是121℃的時候,我們很好呈現(xiàn)了這樣的實驗結果。別的就不詳細說了,這個是190℃的時候熱失控的,這個也重現(xiàn)了191、198℃的時候。
這個是圓柱形的,我們用加熱泵纏繞做加熱的實驗,我們在討論的時候,在做的時候發(fā)生了這樣的問題,熱失控也不是說必然發(fā)生的,如果熱失控沒有發(fā)生我們什么時候中止這個實驗呢?這個是我們考慮中止的條件,因為我們做了很多的實驗以后,發(fā)現(xiàn)無論是什么樣的體積都進行了分析,發(fā)現(xiàn)一系列的實驗的熱失控的點都在300℃以下,都在200℃左右,所以我們規(guī)定了如果你在300℃還沒有熱失控就可以中止實驗了,這是我們的一個要求。
下一個我們要講的就是熱失控發(fā)生的監(jiān)測,這個會過的很快,因為做了很多的實驗,但是最后有一頁有一個總結的,在這個里面我們要提一下的是什么呢?在全球法規(guī)里面對熱失控有一個定義,當溫升速率發(fā)生劇烈變化的時候我們認為發(fā)生了熱失控,這個時候監(jiān)測劇烈變化是多劇烈呢?我們做了大量的研究來想要得出這個數(shù)值比在多少合適?另外附加什么參數(shù)值?增加了電壓的下降還有最高使用溫度的值,這個是我們目前能夠監(jiān)測到的。
在這里我給大家展示了三個實驗結果和幾個三元的,大家看到我們在右邊把這個電壓下降的時候這個時間點,和溫度達到PACK廠家規(guī)定控制的最高溫度點的時間,以及DT比DT達到1度每秒的時間我們都進行了總結,其實不是一度每秒,我們把幾個都總結了一下,20℃每分鐘,一直到100℃每分鐘,4℃每秒這樣的數(shù)值進行了統(tǒng)計,大家知道我們定這幾個值的時候有依據(jù),因為做了好幾年的工作,在各國討論的時候都定了這樣的值,希望找到一個點。
后面是三元的這些數(shù),我們可以直接來到這一頁,這個就是剛剛幾個數(shù)據(jù)的總結匯總,也就是說我們把認為正好,因為我們可以最終看到熱失控的點是什么,溫升速率明顯的變化,而且最終直接失控的,我們找到失控的點,把這個時間點跟我們電壓下降的點,以及到達最高使用溫度的點進行比較,如果正好吻合就打勾,如果比熱時空的點提前拉,實際上應該是在60秒鐘的時候確定熱失控,但是30秒的時候已經(jīng)觀察到達到企業(yè)規(guī)定的峰值溫度,認為就提前了,如果有一項提前,一項正好達到,我們認為條件判定是可以的,如果兩個都提前了就不行。
舉個簡單的例子,大家知道7158的標準討論,最初有一個稿里面提到,客車上電池箱必須安裝滅火系統(tǒng),什么時候滅火系統(tǒng)要觸發(fā)?因為大家知道滅火系統(tǒng)是一次性的,在這種極端的事故發(fā)生的時候就觸發(fā)滅火的,就跟車上的安全氣囊是一樣的,爆發(fā)的點是在哪個點?如果說只監(jiān)測到溫度,溫度到了企業(yè)規(guī)定的60度了,這個時候還沒有真正的熱失控直接就說又監(jiān)測到電壓下降一點點了,這個時候就給噴發(fā)了,這個叫什么?這個叫誤噴發(fā),那這個時候是非常要命,這個時候電池怎么辦?拆下來重新修理還是怎么弄?什么點是熱失控的點,什么樣的參數(shù)決定熱失控恰好發(fā)生了?這個是非常重要的。
所以,我們目前研究的數(shù)據(jù)結果,我們認為用電壓下降和溫升速率達到一個值,或者是用最高的溫度和溫升速率達到一個值這兩個共同的控制,根據(jù)實驗結果都能夠符合要求,而這個值多少合理呢?目前根據(jù)我們考察了幾種典型的體系發(fā)現(xiàn),大概到1℃每秒,60℃每分的一個值基本能夠滿足要求,你這個值要比這個大是OK的,肯定沒有問題,值更大的話肯定熱失控就發(fā)生了。
這個是我剛剛總結了一下我們在加熱的時候做的單體電池熱失控的溫度點和加熱泵的溫度點到底是多少。我們也可以看到單體電池熱失控的溫度基本上是在200度以內(nèi),所以這也是為什么我們定300度目前認為沒有什么問題。
最后就是一些其他的問題,也就是剛剛引申出來的,上次6月份在美國開會又提出來了,產(chǎn)生了那么大的煙怎么可以?所以我們回來又做了這樣的煙的實驗,把電池電著以后放在了箱體里面,然后通過監(jiān)控的系統(tǒng)觀察,外部可以觀察到煙和火,但是在內(nèi)部基本上沒有煙能夠觀察到,這個也是做了一個對應的實驗,當然相應的研究還要繼續(xù)。
對于內(nèi)短路的研究,評價研究是新的課題,需要挑戰(zhàn)的。那其實大家看到我剛剛展示的是我們目前兩三年的研究的結果,我們做了大量的PACK等等的實驗,基本上給了可通過實驗可以保證人員安全的熱擴散的條件和要求,然后也給了一些觸發(fā)方式的建議,比如說針刺、過充和加熱,這三個方法跟內(nèi)短路是不能劃等號的,這個大家都知道,跟內(nèi)短路不是完全一樣,有外短路有其它的因素,但是我們的目的是什么?不管是內(nèi)短路還是外短路,表現(xiàn)出來的特征是熱失控了,我們希望當熱失控發(fā)生的時候,我們能夠看到的系統(tǒng)的熱擴散的表現(xiàn)是什么樣的?這個是我們要明確的一個理念。
內(nèi)短路怎么評估?我覺得這個課題還是非常非常難,也是非常需要很多人研究的一個課題,我們確實后面的幾年也還是會在這方面做工作。第三個就是熱失控發(fā)生的點到底是溫升速率和電壓以及最高溫度,還有沒有其他的參數(shù)可以表征的?滅火里面加入了煙霧傳感,火焰?zhèn)鞲袀鞲衅鞯谋O(jiān)測,這個怎么結合?也是我們需要考慮的,所以我們認為今天我講的這些內(nèi)容,只是對前一階段工作的總結,而這個正好是我們現(xiàn)在今天還要接著研究的一個內(nèi)容,所以說熱擴散測試評價在這里也是要感謝一下,因為這個測試評價的研究,并且作為全球的法規(guī)工作是在工信部的領導下,由我們行業(yè)專家牽頭,中汽中心、清華、CATL等單位共同進行的,而且有相當一部分的電池企業(yè)、整車企業(yè)給我們免費地提供了一些電池樣品,做這樣的實驗,目前工作仍然在進行當中,希望更多的國內(nèi)的專家和企業(yè)參與進來,因為未來得2-3年,包括SGS、CTI的法規(guī),我們要對這個法規(guī)的提案還是要做更多的研究和完善的工作,所以我覺得為了提升電動汽車的安全,也希望大家攜手共行,謝謝大家!
