《金砖锂电论坛》林春景:动力电池安全性测评与标准体系

发布日期:2020-12-08

核心提示:由深圳市电池行业协会、第一锂电网共同举办的2020中国国际锂电技术发展高峰论坛于11月2日-3日在深圳会展中心盛大召开。本次论坛
    由深圳市电池行业协会、第一锂电网共同举办的“2020中国国际锂电技术发展高峰论坛”于11月2日-3日在深圳会展中心盛大召开。本次论坛以“新技术、新应用、新发展”为主题,推动企业交流发展。

    中国汽车技术研究中心博士林春景在本次中国国际锂电技术发展高峰论坛为大家演讲,题目是《动力电池安全性测评与标准体系》。
林春景1

    各位行业同仁、各位专家,大家上午好!我介绍一下我们这边的工作,期待后面其他专家更加精彩的报告。
 
    我们这个团队主要的工作就是做电池的测试评价和标准化的工作,所以今天主要聚焦安全和大家做一些分享。今天汇报主要包括三部分,首先简单回顾一下电动汽车和电池的安全问题,可能有些东西还是偏科普一点的性质;第二部分介绍我们在电池热安全测评这块最近开展的一些工作进展和未来的工作计划;最后简单介绍一下安全性标准的现状和趋势。
 
    昨天很多人都在朋友圈刷屏,国务院发布了新的新能源汽车发展的规划,所以未来几年新能源的发展肯定是大势所趋,所以所有我们在这个行业里的人应该都觉得非常的庆幸,未来几年应该是大有可为,电动汽车的普及可以说未来几年是很好的态势,但是在这个背景下,过去几年安全事故可以说给很好的趋势蒙上了一层阴影,目前电动汽车有几个焦虑问题,安全焦虑、充电焦虑、里程焦虑。安全焦虑是目前最难解决的,今天我们主要探讨一下这个事情。首先我们看一下过去几年安全事故主要包括哪些类别,第一类就是和充电相关的,比如说充电桩不过关,起火把车辆引燃,再就是充电桩整车还有BMS控制策略匹配不当,其实充电还是在前几年发生的多,这几年随着技术的进步越来越少。另外一类是IP防护失效,比如说车辆经受底部磕碰之后,原来密封没问题的它有些缝隙会导致水、水汽浸入,导致局部绝缘失效、局部过热,慢慢孕育之后发生起火,第三类碰撞相关的,正碰、侧碰还有底部球击,现在大家越来越关注了,这几种导致电池受到一些损伤然后起火,这三类特别好理解,因为它的事故原因也比较确定,比较好追溯。最后一类是最难的,占比也是最高的,我们基于事故的统计,大概能占到80%以上都是和车辆在行驶充电或者静置过程中不知道怎么样就起火了,这里面的原因多种多样。
 
    为了解决这个最大的难题,既然它很多原因在事故的过程当中都烧没了,我们说叫做诱发原因模糊,从这种监控数据上也不太好寻找蛛丝马迹,这块是最难解决的,只能采用分析从源头去找,一个环节一个环节梳理,把所有会导致电池自燃的诱因梳理出来,再一个一个克服,无非这几个环节,关键材料、电芯设计、电芯制造、系统集成、实际使用。首先电池材料的选择,能量密度越来越高,镍的含量越高肯定是正极的活性越差,从碳到硅碳膨胀率变差,材料的选择对电池的安全性是最根本最核心的因素,现在能量密度的提升导致材料本身稳定性的下降,就会导致电芯安全性降低,如果材料来料控制不良,里面有颗粒杂质,后续使用过程当中也会导致局部热区的形成的,再就是电芯设计,比如NP比设计不佳,安全户装置设计余量过小,卷绕电芯边缘皱褶,这些可能都是安全隐患。
 
    第三电芯制造,这个环节是最复杂的,现在为什么电动汽车起火杜绝不了?其实很大程度上就是电芯带着成千万上亿只服役的时候,有些电芯制造的时候确实里面有缺陷和杂质,基于目前的制造水平、工厂环境中的水平,应该是很难完全杜绝克服的,所以就有可能会导致后面出现一些突发的情况,哪些环节可能会导致这些事情?有几类,一类是环境或者工艺控制不佳,引入异物,基本上很多环节都会导致异物进入或者激光熔铸、焊渣或者颗粒引入到电芯内部来,这是目前比较难控制的,我们通过CT扫描还有拆解也能看到有一些颗粒在电芯内部,当然这种缺陷的后果可以很严重也可以没什么事,比如电芯突然死掉,电压突然变为零,有的可能就会发生自燃的事情。制造这块还有一些影响因素,比如极片对齐不良,受到挤压的时候正负极就会短路,前几年三星手机经常出现这种事故,最后定位下来也是这个原因。还有断切的过程中如果刀永久了不是那么锋利,有可能边缘出现毛刺,毛刺同样会导致局部电气短路。最后一个环节是实际使用,这个环境也是非常复杂,因为电池用在无人机、储能、船舶、电动工具还有车辆上,所有这些应用场景里面车辆是最严苛也是最复杂的,因为它是一个电热机械很复杂的一个场景的综合,所以我们可以看到在电动汽车领域可能会导致电池热失控的因素有机械的滥用(碰撞、振动冲击、底部球击等)、电滥用、热滥用(高温)、多种应力综合作用的滥用,比如机械滥用、振动冲击会导致单体出现漏液、绝缘受到损毁出现局部短路,另外像车辆受到碰撞或者说托底的时候导致液冷系统破损漏液最后导致短路。现在我们知道电池包越来越多都是采用底部复制和底壳集成为一体,它会带来很多好处或者优势,比如双向结构互相防护的加强,重心的降低,操纵性能的提升或者说可以尽量挖掘可用空间,但是同时它也带来底部受到挤压针刺球击作用风险的提升。另外就是在整个服役过程当中反复托底的暗伤,它的累积也是目前很难去克服的一个事情,所以这块大家也都比较关注,但是目前这块标准化还没有做的特别好,就是用什么样的一个底部球击的试验方法可以最大概率模拟电动汽车在实际使用过程当中受到的损伤,我们目前在做这个工作,比如确定挤压图还有避让的形状、冲击的速度和角度也都需要确定下来,因为之前XY方向是准静态的挤压,但实际上是动态的冲击,是完全不一样的。还有BMS这块比如电流电压、温度、传感器、漂移或者说失效会导致电池发生过充,应力增加之后就会导致原来有些颗粒本来没事的,受到挤压之后这个地方就会穿刺或者过热。所以说,我们的电池用在车上需要进行全生命周期的应用,不能说新鲜电池验证一下没事儿了就可以装车,其实还是要谨慎一点。
 
    后面主要是给大家介绍一下我们在安全测评这块做的一些工作。电动汽车安全目前很严峻,如何做到电动汽车绝对的安全或者说是比较可靠,无非就是从这三个层面入手,首先最核心的最底层的就是做到电芯的安全,如果这个电芯本身就不会热失控,后面就都没事了,但是基于目前的技术水平,这个还是很难做到的,那么只能从后面几个阶段入手,比如进行电池系统热失控、热扩散有效的防护或者基于监控的数据技术及时的预警,所以有了这些工作之后大概就包括几种情形,比如电芯存在自失效的风险,但是BMS可以提前预警,我就可以提前把要失控的电芯及时替换掉,或者热管理系统及时介入把热量带走,也可以抑制热失控的发生,再差一点,外面也能看到,我只能是尽量延缓外部起火的时间,给人员逃生、事故处置留下足够的时间,从安全角度分析就是这么几个环节。对于我们测试评价而言,我们主要是聚焦后面两部分,一个对于电芯各个安全状态或者使用状态量化评价,就是电芯有所谓的最佳舒适区、可用区和失控区的,这个区域是随着电芯的老化一直在变化,我们说是一个安全边界的动态演化,所以测试评价需要把这些边界量化下来,对它的安全边界进行定量的评价。还有一个就是我们的测试需要覆盖产品的全层级,最好能够贯穿从材料到单体电芯到BMS到电池包到整车,只有这样,整车层面出现的问题才能最终定位到电芯层面,电芯才知道怎么去改,所以在实际电芯应用过程当中,可能整车厂和电芯的匹配互相的合作目前来讲是非常关键的。
 
    目前我们开展电池的热安全测评主要基于这样一个研究的思路,主要是包括三大部分,一个是电芯热失控的测评,然后热扩散的测评,第三部分是致灾和热扩散的抑制。热失控这块目前标准里面需要给出一些确定的触发方法,就是电芯不知道它后面会不会失控,我先用一种尽量真实的方法把这个电芯触发掉,看看后面热失控的危害,触发方法这块有一些难题,比如说不同的触发方法对于不同的样品可能它的普世性是不一样的,另外就是同一个触发方法对于同一款样品做五次做十次可能它差别也是比较大,重复性的高低需要进行研究、验证,另外不同触发方法在实际电池包改革的复杂程度,结果的可重复性方面有那些差异,这些都需要去做一些研究。
 
    首先,针对触发方法的普世性现在用的最多的就是加热、针刺还有过充,我们大概选了十三块电芯覆盖到不同的材料体系、不同的能量密度、不同的结构形式,每一款电芯分别用这三种方法去触发,也会做一些重复性的试验。其中加热的话几乎可以触发所有的样品发生热失控,针刺把加热稍微差一点,但是基本上对于大部分样品没有问题,过充因为里面有一些防翻转的保护装置,所以只能触发46%,这也是为什么新出的GB38031里面优先推进加热和针刺。
 
    第二部分,具体触发方法重复性到底是怎么样的,大家用的最多加热的触发方法最关键的参数是加热功率的选择,我们选了18650的电芯,一款电芯我们会做七种加热功率,每个加热功率下面会做五次重复性的试验,基于加热时间和热失控的温度,然后去评价这个加热功率下结果可重复性的好坏。一款电芯选定了一个加热功率之后我们最后得到了右下角的结论,三款电芯每款电芯各选了一个加热功率,最终它们落在一条直线上,为了验证这种方法的有效性我们又做了第四款电芯,它也是成功的落在了这个公式对应的直线上,结论是一款电芯只要能量密度和质量是确定的,18650的只要知道了能量密度和质量就可以找到重复性最好的一个加热的方法。不同触发方法的对比,其实现在研究领域用的方法很多,但是标准这块用的主要还是加热和针刺,对于加热国内国外也不一样,国内主要是面积比较大,加热功率可能三百瓦六百瓦,一般的加热功率的方法,国外是用小面积大功率的加热方法,它主要模拟局部内短路,这两种方法孰优孰劣过去几年一直在争吵,我们在这块也是做了一些试验+仿真的工作,具体试验这块就是在电芯外面布电加热片,不同的位置会布一些传感器采加热触发过程当中温度的变化,同时我们会建一个模型,模型把这些点的温度也仿真出来最后一验证还不错,有了这个模型之后我们就会去做一些对比,两个面积,25×25,100×100,加热功率一个是一般的600瓦,一个是高功率的1000瓦,最后落下来就是这两幅图里对比的结果,受电芯内部传热速率的影响和温差传热的影响,对于小面积高功率加热对于模拟局部烧时其实还是非常有效的,所以未来几年过内也会重点在这方面做一些研究,优先推荐这种方法。
 
    热失控第二个问题就是安全边界,电池有舒适区、失控区、安全状态,所以这块不同体系能量密度电池的耐受程度存在多大的差异,它的热稳定性、机械边界、老化之后的安全边界到底怎么演化,电池对于不同实用功耗的耐受程度存在多大的差异,另外随着老化的加剧,它的安全边界发生怎样的演变。首先第一块,不同材料体系不同能量密度电芯安全边界的演变,我们主要选一些不同能量密度的电池采用加热和过充的方法做试验,采用引入能量比的概念去评价它稳定性的高低,引入能量越低就代表这款电池所需要越少的热量就可以触发掉,它的安全性越差,我们做下来的结果来看,当能量密度提升超过一定的数值它所需要的引入能量就会慢慢趋于平衡,它的安全性就会变差,这是一个基本的结论。另外样品对于不同工况的耐受程度,这里主要是以过充热失控做举例,比如三元体系的软包电池在1C、2C、3C倍率过充过程中都会发生热失控,但是倍率高了之后它热失控的时间会明显的缩短,热失控的温度会显著的降低,所以它的耐受边界是明显收缩的。对于铁锂而言,1C、2C都是冒烟,致灾危害没有那么严重,从白烟转变成黑烟,一旦过充倍率增加到3C之后就直接爆掉了。全生命周期热稳定性边界,我们采用绝热垫精准的测定不同老化状态下电池一些安全状态的情况,比如说自产热温度、热失控温度还有热失控过程当中热量释放的速率,从右下角这幅图可以清晰的看到随着老化的进行,当它超过70SOH之后它的自产热温度会陡降,原来可能一百度,现在六十度它可能就不行了,它在过程当中产热功率释热功率会陡增,它的危害性会增加。过充我们也是做了不同老化状态,老化了之后失效的时间会显著的缩短,过充所需要的能量会显著的变少,热失控的温度会明显的降低,也是有明显收缩的趋势,我们做测试评价可能就需要针对具体的电芯把它的规律分析出来,把它的边界条件把它的阈值标定出来。
 
    第三部分是特征参数,电池热失控的时候有外带表现,常用的是温度的信号、电流电压的信号,其实还有一些机械的信号、气体的信号、压力的信号,有效的测试对预警也是比较有效的手段,所以我们针对膨胀率做了一些工作,电芯的膨胀问题其实是越来越严重。我们分析了正常充放电过程电芯能量的变化,老化之后它的膨胀力水平会有显著的提升,这样就会导致潜在自发失效风险的加大,更有意思的是电芯在失控过程当中膨胀力到底是怎么变的,我们做了一些加热还有过充的触发试验,从试验结果可以看到膨胀力其实比压力还有温度出现的时刻更早,可以作为优先级报警信号去用。热失控时它的膨胀率变化和正常充放电相比区分度是非常明显的,正常充放电只有三四百牛,热失控的时候可以达到四五千牛。
 
    第二部分是关于热扩散,主要是针对大家目前关注的热点问题做分享,一个是高比能电池热失控热扩散防护,现在比如像622、523,有的厂家能够做到不起火,81硅碳体系、81碳体系现在做的好的厂家能够做到一小时不起火,这还是非常厉害的,进步非常快,尤其在我们要控制成本的前提下。另外一个就是高温条件下的电气绝缘防护,之前我们对于高压绝缘不是那么的关注,但是从我们的测试经验来讲,一个电芯触发了之后整个电池包内部其实都是高温的环境,因为它的高温气体可能会扩散,这个情况下有些地方本来绝缘是OK的,如果绝缘出现问题,那个地方可能就会出现打火,那个地方就可能会发生扩散,就是跟高温情况下电气绝缘防护做的不行有关,另外液冷系统对热扩散的促进和抑制,主要核心的就是电芯本身安全性的高低,如果它本身特别不稳定,你开启了液冷非但没有效果,反而会加剧热扩散,如果电芯本身安全性比较好,比如一小时一直都是冒烟,你这个时候液冷系统强势介入有可能就会导致它不扩散或者扩散时间会显著延长。
 
    第三部分是致灾和抑制,今天主要和大家分享一下关于预警或者报警这块我们的一些思路。我们做工作的思路主要是把数据算法还有电池失效的机理结合起来,如果我们能摸清电芯在所有工况下失效的特征,我基于这些特征去构建算法,然后搭建这样一个体系,在实际应用的时候我不管整车数据发生怎样的变化,只要它落在这个范畴内我就认为它要发生失效,我就可以进行有效预警,这是正常工作的思路,但是目前最大的问题是我不知道电池自发失效的机理到底是怎样的,因为整车数据很多有效的信息都已经过滤掉了,实验室层面怎么办?理想的情况就是我有一千支一万支电芯一直在跑试验,里面有一些电芯可能是有缺陷的,它在试验过程中爆掉了,我有效的采集到了它的信息,我就可以去做,但是这样试验量太大了,只能通过一些缺陷电芯退而求其次曲线救国,目前我们就针对缺陷电芯做一些循环试验,试图从有损无损分析得到它自发失效模式和热失控机理,然后去进行预警的工作。
 
    最后一部分简单介绍一下安全标准的现状和趋势,这是目前咱们国家电池标准体系的现状,安全性这块之前有两个GB/T标准,今年GB标准出来之后取代了这两个标准,我们现在又重新启动了那两个标准的修订,还是做推荐性的标准,像刚才说的底部球击、动态碰撞会试图加到里面去,给咱们企业提供一个参考。这里面最大的改动主要有两个,一个是振动,把振动图改掉了,另外热扩散,振动这块为什么变?主要是我们之前的时候GB/T的时候引用了国外的一些标准,但是从实际测试来讲确实太严苛,很多产品都过不了,所以最后出了修改单,这次在标准制定的时候我们就更合理了一些,我们实际选了大概有十几款车,在北京的一个试验厂里七八种典型的路面上跑路试,采它的振动谱,再把振动谱通过数据的算法提炼,再做一些强度方面的等效计算,最后得到这个黑色的曲线,这条曲线跟原来的GB/T相比它的严苛程度下降了,它跟国际上SO标准比较相似,因为ISO(音)也是基于这个思路做下来的,只不过它们是在国外跑,说明我们现在GB里面振动谱是能够代表目前我们国内的应用情况。另外大家关心的是热扩散,从测试的角度来讲可能整车厂或者电芯企业需要提供两个报告来说明你的预警、防护到底是怎么做的,另外需要在检测机构进行具体的测试,测试无非就是几种情形。最后我们关于安全性测评技术未来一两年的猜测,一个是如何进行多层级产品的关联性分析,重点从电芯层面,比如基于有损无损层面解决黑箱测试的难题,除了传统电、热,如何进行电、热、力、多为例场合耦合的综合分析,另外测试方法更加贴合实际失效模式打通实验室和实际工况之间有些断裂的局限,另外开展全生命周期快速的安全性验证。

 
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