王芳:《动力电池充电安全评估分析》

发布日期:2020-07-16

核心提示:新基建、新机遇、新发展,7月9日,由中国充电桩网主办的2020第六届中国国际电动汽车充换电产业大会(简称:金砖充电论坛)在上海

新基建、新机遇、新发展,7月9日,由中国充电桩网主办的“2020第六届中国国际电动汽车充换电产业大会”(简称:金砖充电论坛)在上海大华虹桥假日酒店隆重开幕。来自政府、院校、协会、企业、采购商、金融、媒体等850位代表出席本次大会,大会以“洞见当下、预见未来、聚力发展、合作共赢”为主题,推动产业交流发展。

 

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新基建引领发展新浪潮


中汽中心动力电池领域首席专家、中汽中心检测认证副总工程师王芳博士通过直播连线方式分享《动力电池充电安全评估分析》,以下是演讲嘉宾未删减实录:

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中汽中心动力电池领域首席专家、中汽中心检测认证副总工程师 王芳


很高兴参加这次会议,但是非常抱歉种种原因我不能到现场跟大家互动交流,只能以这种方式跟大家交流这个主题,我跟大家交流的内容是电动汽车充电安全的测试评价。

我的报告分四个部分,首先先从电动汽车以及电池的产业以及技术的特点和评价体系来说起,实际上电动汽车这几年产业特点非常明显,大家可以知道从这几年新能源汽车快速的增长,产销量的增长也带来了动力电池系统能量密度的快速提升,也包括整体技术的快速提升。在这里面看到电池体系显著变化,三元体系在乘用车领域的占比在这几年当中提升非常快。

另外一个电动汽车的产业还有一个显著的特点就是,大家对于大功率直流快充的技术也已经成为了行业讨论的热点话题。电动汽车在这样整体的产业环境下,其实这几年已经形成了比较完善的安全评价体系和标准体系,里面跟安全相关的有充电安全、碰撞安全、高压安全、动力电池安全和紧急救援安全,这些安全跟电动汽车的动力电池都有着或多或少的关系。

我们在建立这个标准评价体系的时候,很多时候是从电动汽车实际的行驶工况去出发考虑的,比如说我们所评价的每一项安全测试项目必然是在实际使用过程当中有可能发生或者存在着风险的情况,这几年大家看到陆陆续续出了一系列的安全事故问题,我们把这几年的事故做了统计分析,也可以看到主要的原因包括充电,机械的破坏、泡水以及无事故的自然等等原因。而这个跟我们前面电动汽车的标准体系也是基本吻合的,我们关注充电安全、机械安全、高压安全等等。

这里面大家可以看到充电有23%的比例还是比较高的。首先看充电整个安全的体系和标准化的内容。

充电安全可以首先看一下充电系统,涉及到不同类型、充电模式、连接的方式、充电设施的情况、电网的负荷以及各种复杂的使用环境等等,这些都会引起不同的安全问题,我们可以看到我把它分为两大类,充电的系统和连接装置这部分,还有一大类是整车和电池这部分,所以我后面会分两部分去跟大家探讨一下充电的安全问题。

实际上我们在测试评价的过程当中,把充电的安全失效模式分两大类,电安全失效和热安全失效,表现的形式一个是触电一个是起火,这个是多维度,适用全生命周期和不同的环境都有关联的状态。

具体会跟充电控制策略有关系,也跟所使用的限速和其他组件有关系,同样也跟电池本身有关系。

实际上我们这些年电动汽车充分安全相关的标准以及建立了一系列标准,包括高压安全、整车安全以及各个部件的安全,包括互联互通这部分的一些要求,也包括基础设施这部分的要求,甚至包括电动质量的要求。其实兼容性是比较重要的方向。

目前这两年逐渐从对充电兼容性的关注转向了对充电安全的关注。也就是说我们先解决互联互通能充上电的问题,现在大家开始关心能够安全充上电的问题。

第三部分看一下我刚才提到充电连接装置和充电系统这部分的充电安全。实际上充电的连接装置这块我刚才提到两大类,一类是防触电的安全,也就是充电安全;防触电相关的标准已经有明确的安全要求,包括基本防触电的要求,包括绝缘、耐压、防护等等,另外包括在非工作状态下电压、电能等等的要求,也包括连接状态,也就是充电的过程当中对车辆和充电桩的连接,以及带电导体的可燃体的防护等要求。另外还包括故障的保护,如果出现单点失效和多点失效模式下会有什么样的告警和功能,都要考虑环境因素的影响。

我们具体看一下直接的防护保护,危险带电部分我们都要求在正常的状态下或者是发生了故障的条件下都不应该被人体所触及,也就是说如果发生了单一故障的情况下,我们也得立刻有切断的措施,能够确保人体防护的安全,也就是说它的绝缘耐压、接触电流危险的能量都要低于对人体造成伤害的域值范围。

第二个防触电方面就是电容方面和故障保护,电容方面就是对于可接触的导电部分与保护接地导体之间的电压不大于60伏直流的要求,故障的保护要求包括自动断开,双重或者加强绝缘,等等要求。实际上我们在测试过程中会给大家一些建议,比如说在结构设计、材料选择和控制策略的选择上就要注意到对于绝缘故障漏电保护和绝缘监测的一些考量,能够确保最终的充电系统达到保护的要求。

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我们在实际测试过程中会发现很多问题,我举了三个典型例子。

第一,不充电状态接口带电以及充电非工作接口带电。这个都是不被允许的,也是存在安全隐患的。

第二,充电设备PE中端,电动汽车无法停止充电。

第三,DC+/DC-对PE绝缘电阻小于安全域值了,车辆也无法停止充电。这是我们认为非常应该不被允许的事故状态。

第二大块就是防起火,防起火的安全要求包括过温防护、过流防护、材料性能耐燃、阻燃等等性能的要求以及热管理策略的要求,比如说大功率充电和液冷系统、流速、流量等等的要求,当然也包括控制策略,包括继电器故障诊断,SOC诊断等等要求。

实际上我想强调一点,随着大功率技术的发展,冷却技术的性能对于过温保护来讲是非常重要的,这个也是在未来产品开发设计和生产过程当中应该重点关注的一部分内容。

对于过温保护,对于不同的对象,比如说接口、充电设施、连接器、充电桩都已经有相应的一些标准,有一定过温保护的要求包括阻燃的要求。

过流方面分两部分,一个是交流的,一个是直流的。对于交流来说,对一不同的短路点装侧和里面充电连接装置、限速,不同模式充电器都有相应的要求。对于交流来说选择合理的熔断器的熔断容量对于短路设计来说尤为重要;另外,车辆侧继电器和熔断器的相关技术要求还未有统一规定,需要开展深入的研究。

直流的充电回路保护,对于不同的短路点,标准里面有明确提到,对于桩侧和车侧有一个过载保护的动作。另外一点想提一下,目前回流的电流最大是250,随着未来大功率技术的发展,未来可能高达600A甚至更高的状态,这个对充电系统会提出更高的要求,尤其是材料、热管理、工艺等等。

充电连接装置充电安全要求,其实在材料层面也是非常重要的,比如说拿端子举例,这是我们测试当中发现的例子,材料层面搭载的线缆如果太细或者材料的性能不能满足极高温或者极低温的要求发生变形或者开裂或者结构工艺不到位,导致腐蚀、进水等等的现象,增加绝缘隐患的增加,这都是我们不希望看到的。

另外,不同企业插头和插座之间兼容性不匹配的话也会带来腐蚀、变形,从而带来安全隐患的问题。

从过流的层面看防火,这个跟产品在全生命周期里面的可靠性有关的,在全生命周期当中会发生机械结构损坏或者腐蚀,会导致在端子上充电的时候产生剧烈的变化,这个也会带来起火安全隐患。

最后提一下控制策略方面,在18487和27930里面明确提出对于充电策略控制要求,比如说要进行安全监控,出现过温、过流、短路等等现象的时候,充电机和车辆保护功能,这个有一系列的故障和错误的一些判定。

实际上我们在测试的时候也会看到由通信引起的安全隐患,举一个例子,当它实际输出电流与CCS电压电流有较大偏差的时候,这时候仍在充电,这是非常危险的。另外,桩实际电压、电流输出高于车辆需求值,这时候居然没有任何反应,仍在正常充电,也是不被允许的。

另外一个情况,举一个例子,我们在现场测试的时候发现有一部分车辆没有额外主动停止充电的可控的功能,也就是说当充电桩APP、刷卡功能失效了怎么办?或者车辆发生故障了,这时候没有办法人为终止充电的时候,我们有没有额外主动停止充电的功能,这个也是值得关注的。

另外就是我一开始提到的熔断器继电器这些,因为这些是电动汽车高压安全非常重要的部件,它出现异常的话可能会导致负载、电池包的损坏甚至车辆的抛锚、爆炸、起火等事故,但是相关标准在研制过程当中。

我可以给大家看一下目前有一些行业标准在制定,包括对熔断器损坏的分析和继电器的测试要求怎么去界定,这个正在讨论当中,大家感兴趣的可以关注。

第四部分想提一下动力电池,新能源汽车和电池本身的安全。首先看一系列的标准,GB38031锂电池安全要求刚刚发布,还很热乎,这对电池单体安全提出了充电的要求,也对电池系统提出了充电保护的要求。

现在正在实施的31467.3也有过温、过流、过充电的一些要求,实际上这所有的保护的要求它的责任主体是什么?是管理系统,所以我们在前几年也在积极做电池管理系统本身技术条件的标准,在2019年也出来了就是38661。开始考虑把功能安全的要求放在里面,后来发现这是一个非常庞大的工程,而且功能安全本身就是基于ISO26262(音)的体系,所以我们又成立了功能安全的标准工作组,然后对电池管理系统的功能安全的要求和试验方法,单独制订了一个标准。这里面会对充电的管理,功能要提出明显的功能定义和发生异常的表现,以及如果发生这种情况怎么处理。

我们再根据实际的案例判断一下充电相关安全分析,这是一个典型的案例,因为控制策略设计不当,电池的管理系统没有实现很好对电池过充电的管理,所以导致充电过充电的现象。

这个是最典型的案例,实际上这几年在事故见证过程当中,这种案例并不常出现了,随着技术的发展,这种预警功能也相对来说提升非常快了,这两年出现事故比较多的是什么?充电机理不清、充电策略不当而导致的充电问题。

我们知道充电的时候发生电化学反应的同时会有很多极化的反应伴随发生,如果充电的策略不当,极化反应就会不一样,也会各不相同,这种情况下可能会带来很多充电的问题。具体可以说一下,比如说快充,这是我们测试了一款电池,用两倍率三倍率快充的时候,可以明显看到自产热的点和发生热失控的时间会快速前移,这个安全的隐患是明显提升的。

另外一个,当不会发生安全隐患,但是我们可以看一下它能承受过充的电流下有什么样的表现呢?看看这个图里面,当发生快充的时候,它的极速的位置温度升高非常剧烈,它也是可允许的过充电的状态。如果长此以往这么充的话,那个地方会成为薄弱点(安全隐患的薄弱点)。我们之前跟电动汽车企业谈到这个问题,说你们这个车设计能快充到底能承受多少次快充,能不能保障安全性,企业也有提到,我们给客户承诺能够快充,但是也给他提醒了不能经常快充。

这种情况下,客户普通的消费者可能不会关注或者不会在意到那句话,即使在意到那句话也不想执行,他想享受的就是我充电的便捷性、舒适性、体验的快感,所以他不会关心你不能快充我就经常不快充,这是他不能接受的。

我们对一款电池到底能不能快充,能够承受什么样的充电策略,可能是一个综合的评价体系,综合评估充电过程当中的效率以及寿命的衰减、安全性的变化等等问题,去综合评估一款电池到底是做什么样的充电策略。
实际上在全生命周期里,随着电池的使用、车的使用,它的SOH的状态一直在变化,而在变化过程当中,由于异质性的差异,电池里面单一的差异会越来越明显。虽然都在安全的控制范围内,但是有个别电池处于轻微的过充状态是存在的。这种轻微的过充会导致什么样的后果?

长期轻微的过充又在安全的范围内,这种时间长了以后,电池产热增加,热失控的温度降低,而且电池一致性差异越来越大,发生热失控的风险概率会增加,也许某一天某一个时候会突然崩盘,这种情况是存在的,我们在事故调查过程当中也会发现这种状态。

今天时间关系只能和大家分享这么多,我简单做一个小结。实际上我们从电动汽车充电安全来看,它是涉及到车、桩、网,多产业链协调的话题,而且确实是大家关注的一个焦点话题。所以我们从这一点来说,我们希望能够车桩网跨产业链融合,而且结合未来技术发展的趋势,能够研究和优化车桩协调保护的机制,能够建立基于全生命周期的充电安全的测评体系。

在电池方面,我们第一考虑的肯定是从电池的体系角度、制造的角度提升本身的充电安全性,但是我们在电动汽车使用的环节,充电运营的部门和车辆运营的部门他们大数据是非常重要的,对于利用大数据的监测能够直接从原端和本地结合,真正实现大数据监控,这是我们从运营的环节提升电池、电动汽车充电安全性一个重要的手段。

所以总体来说一句话,这是一个系统的工程,需要我们跨产业链的协作,从各个环节,从研发、生产、制造、使用多个环节去掌控电动汽车充电的安全。

我的分享就是这些。谢谢大家!

 



 
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