鉅大LARGE | 點擊量：1233次 | 2019年04月14日
動力電池安全性問題展開分析
國家863電動車重大專項動力電池測試中心主任王子冬先生做客北京前途·驛，為我們帶來了一場關(guān)于“動力電池安全性問題”的公開課。在現(xiàn)場，王子冬先生就動力電池發(fā)展趨勢、動力電池安全性以及動力電池安全性問題展開了分析。
動力電池發(fā)展趨勢
據(jù)了解，18650是鋰離子電池的鼻祖–日本SONY公司當年為了節(jié)省成本而定下的一種標準性的鋰離子電池型號，其中18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，0表示為圓柱形電池。
我們熟知的特斯拉ModelS所采用的就是18650圓柱形電池，雖然其在純電動車領(lǐng)域很牛，但是其電池的安全性卻是目前純電動車所使用電池種類中最危險的，也是耐久性最低的。其的循環(huán)次數(shù)只有700次左右，而國內(nèi)軟包和硬殼方形鋰電池達2000次之久。
不僅循環(huán)次數(shù)低，電池的放電功率也存在問題。特斯拉ModelS是一款主打性能的產(chǎn)品，對電池的放電功率要求較高。特斯拉ModelS的前電動機功率為193千瓦，例如其搭載的動力電池容量為10度，如果要想讓這臺電動機發(fā)揮出色的性能，那么其電池的放電功率將達到19.3C，這是一個非?？膳碌臄?shù)字。為了減小放電倍率，特斯拉通過增加電池容量來解決這一安全問題一。當電池電量達到100度時，放電倍率減小到了1.9C，這也是為什么更高性能的特斯拉所搭載的動力電池容量更高，是一種或不得已而為之的做法。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
還有一個缺點是18650圓柱形電池從單體到電池系統(tǒng)過程中衰減的問題。我們國內(nèi)常見的特斯拉ModelS其電池單體到電池系統(tǒng)的衰減達57%。正是由于他的種種缺點，國內(nèi)主流純電動車都沒有選用18650電池。
特斯拉雖采用最新21700電池其單體能量密度為280Wh/kg，然而系統(tǒng)能量密度只有150Wh/kg，這一衰減也達到了53.5%之多。然而軟包和硬殼方形鋰電池在這一過程中就有著巨大的優(yōu)勢，國內(nèi)PACK做的較好的企業(yè)能夠?qū)⑺p控制到20%以內(nèi)。
除了受結(jié)構(gòu)限特種致的問題以外，其安全性相比于軟包和硬殼方形鋰電池也更差。“最近，因為電動汽車安全問題引發(fā)的事故層出不窮，其中大部分都是18650的事情。因此動力電池未來的發(fā)展趨勢會向方形硬殼和方形軟包100Ah以上大容量電池發(fā)展。
動力電池安全性
王子冬講到：這是一個敏感的話題，又是一個不能回避的話題。應(yīng)該說我國動力電池行業(yè)經(jīng)過十年的積累，已經(jīng)有了非常大的提升，特別是對動力電池的理解和認識方面，應(yīng)對當下純電動車的使用是能夠勝任的。
十年的積累和探索，現(xiàn)在的新能源汽車應(yīng)該滿足目前的推廣的要求，但問題也開始顯現(xiàn)出來，那就是技術(shù)這些年沒有明顯的進步。實際上，這些問題大家應(yīng)該理解，一個是技術(shù)的進步不會像電子產(chǎn)品，6個月迭代，兩年就完全顛覆了，汽車行業(yè)沒有這么快的更新速度?，F(xiàn)在的動力電池在材料上如果沒有明顯的技術(shù)突破前，比能量發(fā)展到一定水平后就很難再有進一步的突破，與此同時，在安全性方面的負面影響會越來越大。
因為我們在追求能量密度的同時，發(fā)現(xiàn)了一個怪圈。那就是能量密度越高，安全性越差。有人說能不能再保障能量密度高的情況下做好安全性呢？其實這是一個矛盾體，在這個矛盾體中我們只能盡量的追求一種平衡。
很多人曾問，為什么燃油車著火沒有人關(guān)注，而電動車著火卻被如此重視呢？這是因為目前我們還不能夠掌握動力電池著火的規(guī)律，現(xiàn)在全世界沒有人能夠找出來某一次著火事故的真正原因因此，在我們沒有掌握鋰電池著火規(guī)律之前，把控能量密度與安全性之間和長壽命之間的平衡關(guān)系是我們不能忽視的問題，不能一味的追求某一個目標。
前途K50的動力電池就是找到了這個平衡點。并沒有一味的追求更高的能量密度。而是選擇在能量密度、安全性、高效及耐用性之間尋找最佳平衡。確保了動力電池組的電高安全、長壽命、高性能、輕量化、低能耗。
我們都知道前途K50是一臺跑車，注重的是性能，但是其并沒有將安全性和長壽命拋棄在腦后。
車輛在研發(fā)階段進行了超大電流放電性能測試：模擬車輛BOOST模式下放電性能測試，車輛BOOST模式為5C放電，試驗室采用5.5C放電工況，結(jié)果表明5.5C放電經(jīng)過20000次循環(huán)后沒有導(dǎo)致電池壽命衰減；5.5C放電經(jīng)過30000次循環(huán)后會導(dǎo)致電池壽命衰減，在5.5C放電的情況下，可以支持駕駛員10年的使用（按每天10次，每年開車300天計算），5C可放電可以大大延長電池的壽命。
由此我們就可以看出，為了保障電池壽命，K50并沒有采用更為極端的5.5C放電，而是在保證動力電池長壽命的前下，做出最強性能。
現(xiàn)在很多企業(yè)在追求更高的單體和系統(tǒng)能量密度，為了保障更多的能量供給，正負極的電解液都不能少，只能去壓榨膈膜厚度。以前的鋰電池隔膜厚度有40微米，現(xiàn)在僅有12微米左右，這層薄膜一旦破損，后果很嚴重。2016年三星Note7電池火災(zāi)就是由于隔膜太薄導(dǎo)致的。
目前三元鋰電池理論的能量密度的極限在350Wh/kg-400Wh/kg左右，這里還有很多工程問題需要解決。因此如果沒有在新材料上的突破，電池比能量可能在300Wh/kg-400Wh/kg之間徘徊。只有在實現(xiàn)工程技術(shù)突破的前提下，才有可能實現(xiàn)將單體電芯能量密度提高到500Wh/kg，才有可能將電池組能量密度提升至260Wh/kg以上。
然而各種材料的開發(fā)和運用都需要在1-2年，甚至更長。目前國家一年調(diào)整一次系統(tǒng)比能量密度的做法與動力電池系統(tǒng)開發(fā)周期不協(xié)調(diào)，帶來的結(jié)果就是無法充分驗證，導(dǎo)致了著火事故的頻發(fā)。
EV世紀也采訪了王子冬先生對于目前很多車企采用NCM811電池的看法。王子冬先生表示：在對電池系統(tǒng)驗證不充分，以及在熱管理系統(tǒng)技術(shù)不到位的情況下，這些車型就是自己之前所提到的行走中的定時炸彈，希望車企能夠重視。
動力電池安全性問題
1、電芯制造過程中。在制造過程中對安全的要求非常高，做鋰電池的工廠沒有沒出過事故的，這里面包括LG、三星都出過事。
2、電池組集成過程中。電池單體裸露在外面，組裝成電池包時出的問題。
3、儲存過程。電池生產(chǎn)出來為什么要儲存，而不能直接給用戶使用。因為鋰電池的制造工藝要求太苛刻了，目前國內(nèi)的水平，包括國際上的水平，這些大牌的企業(yè)都很難控制得萬無一失。只有在擱置的過程中才會讓不好的顯現(xiàn)出來。好的企業(yè)10-15天，在這期間，小瑕疵是電池的電壓衰減快一點，大的就是著火了。
4、運輸過程中。一次事故是運電池的車下長坡，10-20公里，剎車系統(tǒng)溫度過高把電池點著了。
5、使用過程。這個跟充電有直接關(guān)系，市面上所有的充電器原理全錯了，這個原理有點像我今天早晨坐地鐵，是靠后面推的方式逼得推進去。1970年發(fā)明的時候，叫搖椅電池，離子在正極和負極是來回移動?，F(xiàn)在充電過程沒有產(chǎn)生搖的還原法，要采用牽引式充電法，而不應(yīng)該是推的方式充電。鋰在元素周期表非?；钴S，就像在擠地鐵，大家都堵在門口，越擠越多，都堵在門口就形成問題。大家看到網(wǎng)上很多照片，都是充電的時候著火了。
6、回收過程中，問題更大，因為他會對環(huán)境造成污染。在回收的過程中電池中的有機溶劑很不好控制住，如果意外散發(fā)到環(huán)境中的話，會造成很大的污染。電解液遇到水泥，水泥就會被腐蝕，甚至連玻璃也會被腐蝕。
電解液的泄露還包括電池燃燒，目前我們還沒有辦法處理泄露到環(huán)境中的電解液，最好的辦法就是讓它全燒光。電解液里面含砩，是一種巨毒的化學(xué)物質(zhì)，它經(jīng)過的地方?jīng)]有生命。
7、在電池所需材料提煉過程中，也會對環(huán)境安全產(chǎn)生極大地威脅，這是當下需盡快解決的問題。
前途K50安全性優(yōu)勢
眾所周知，電動汽車上的動力電池組是一個非常復(fù)雜的能量系統(tǒng)，涉及面非常廣，除了電池本身有關(guān)化學(xué)、材料、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備以外，儲能電池系統(tǒng)還涉及電池箱架布置結(jié)構(gòu)、能量管理系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、系統(tǒng)集成匹配、各種傳感器、安全保護系統(tǒng)、系統(tǒng)一體化設(shè)計、系統(tǒng)可靠性、測試技術(shù)、試驗及家屬、日常維護調(diào)整、成本、回收等諸多方面，屬于典型的多學(xué)科協(xié)調(diào)特種攻關(guān)項目。
而且在動力電池出生前就要考慮好：電池模塊的可組裝性設(shè)計、電池模塊的可安裝性設(shè)計、電池模塊的可維護性設(shè)計、電池模塊的可調(diào)整性設(shè)計、電池模塊的回收可方便拆卸設(shè)計。這些設(shè)計非常重要，不要把電池都做出來再去解決這些性能。
在方面前途汽車就做的非常出色，首先其電池系統(tǒng)是由10個標準箱串聯(lián)組成，每個標準箱都是一個單獨的個體。結(jié)構(gòu)和數(shù)量進行標準化設(shè)計，可根據(jù)客戶需要進行組配，適用于不同車型。
電芯與電芯之間采用柔性物質(zhì)連接，既可起到壓緊電芯的作用，又可吸收“呼吸效應(yīng)”產(chǎn)生的變形（約1.8%）。模組用金屬帶組合，具備合適的壓緊力和柔韌度。模組的連接不采用螺栓，以避免螺接失效。
標準箱通過懸置裝置固定，有效吸收路面振動，采用柔韌性金屬帶雙重緊固，有效緩沖碰撞能量。
采用標準箱的另一個好處是，當車輛動力電池發(fā)生故障時，只更換發(fā)生問題的標準箱即可。大大減低了成本，同時也更利于后期的回收。其可調(diào)整行、可維護性、可安裝性能和后期回收做的都非常出色。
在電池系統(tǒng)溫控方面，前途K50采用主動液冷/液熱溫控系統(tǒng)：水路系統(tǒng)采用了并聯(lián)回路設(shè)計，保證了每個標準箱都能夠得到充分的熱交換，最小化電芯之間的溫度差，提升了溫度一致性，環(huán)境溫度0~45℃時系統(tǒng)溫差小于3℃，環(huán)境溫度-30~55℃時系統(tǒng)溫差小于5℃；-30℃環(huán)境下，靜置24h，熱管理開啟20min，百公里加速時間提升50%；45℃環(huán)境下，靜置12h，熱管理開啟20min，百公里加速時間達到最優(yōu)；水室設(shè)計經(jīng)過CFD優(yōu)化和臺架測試，性能優(yōu)異；根據(jù)電芯不同的溫度狀態(tài)，能夠智能的選擇強力和經(jīng)濟熱管理模式，優(yōu)化能耗；具備先進的充電保溫管理功能，為車輛的運行提前做好準備。
此前王子冬先生曾考察過前途體系下的華特電動（集電動汽車動力系統(tǒng)及主要零部件研發(fā)生產(chǎn)與銷售于一體的高新技術(shù)企業(yè)）之后評價稱“前途汽車是現(xiàn)在中國電動車行業(yè)中，動力電池設(shè)計最安全的，沒有之一”。作為中國北方車輛研究所動力電池實驗室主任、國家863電動車重大專項動力電池測試中心主任。能對前途汽車給出這樣的評價，足以證明其在新能源領(lǐng)域領(lǐng)先的地位。
