中國汽車技術研究中心動力電池領域首席專家王芳：動力電池系統測試解開安全迷局
圖為中國汽車技術研究中心動力電池領域首席專家王芳在CBIS2018“鋰想”峰會上發表主題演講
戳此進入峰會官方專題，了解更多會議信息：“鋰想”2018第三屆動力電池應用國際峰會(CBIS2018)
2018年11月8日，以“新時代·破而立：前行中的產業轉折之路”為主題的“鋰想”2018第三屆動力電池應用國際峰會(CBIS2018)在北京興基伯爾曼飯店開幕。中國汽車技術研究中心動力電池領域首席專家王芳在峰會上發表主題演講，以下為主題演講內容。
中國汽車技術研究中心動力電池領域首席專家王芳：
我的報告，張秘書長給我之前交代任務了，提到從測試看電池的安全。我臨時把這個題目改成從測試電池的安全，前天我還在溫州跟大家分享，因為溫州開了一個電池國際標準的研討會，分享電池所有產品品質的評價。為了今天能夠有一些新的想法，我昨天特地又重新做了一個PPT，把一些內容希望從一個新的角度去解讀。
這個報告我沒有列一個目錄，因為整個內容我覺得是整個一部分的內容，從產品目前的性能狀態來看目前的安全水平。大家看一下我們目前測試性能的狀態，剛才從第一個報告，測試實驗室分享的數據，大家已經有很清晰的認識了，我們現在電池產品的技術水平。因為我們做的是產品的評價，這個是法規的測試。這是2017年平均的能量密度，大概是在115瓦時/公斤左右。我們看一下截至到上個月，我們電池的能量密度數值，截至到上個月，我統計了一下我們2018年目前電池產品的能量密度的平均值已經到了139瓦時/公斤。可想而知，能夠拿到1.1以上補貼的百分比大概在61%以上，所以大家可以想到，優秀率已經超過了半數以上這樣一個狀態。
我們看從測試的數據看幾點，第一，磷酸鐵鋰的能量密度單體有一定的局限，但是由于幾個方面的原因，它本身的安全性比較好，第二，應用場景目前大部分用于大巴車一些商用車領域，我們也做過統計，截至到上個月的目錄，乘用車領域300多款車型里面，94%是用了三元電池，剩下的6%是用其他類型的電池。我們可以看到三元用在乘用車領域，乘用車的設計本身對于電池PACK設計的要求就會遠遠高于客車的標準廂的設計，多方面的原因，使得PACK在成組率方面有不同的表現。但是從2017-2018年的成組率和能量密度可能有點超越了正常的發展規律的提升。我們再來看一下，其提升的可能性在哪里？首先看體系，這個是當前產業化的電池體系，它已經進入到市場的產業化。剛才也有專家提到，按道理，我們現在應該是在什么階段？333這樣一個狀態，622應該是在中試的狀態，而811應該處于研發的階段。但是實際上，我們可以看到能量密度快速的飛升，能量密度的范圍我們就知道，在現在甚至在未來很短的一個時間內，尤其是很多人現在都在關心明年政策補貼的時候，目前的狀態是有可能電池已經從532、333快步跳躍過622，跑步走進811的時代，這是可能的一個狀態。這是電芯的層面，我們可能關心什么？跑步進入的狀態它的產品可靠性、安全性和壽命需要驗證的周期夠不夠，這是希望大家想一想的問題。
剛才說到電芯層面，我們從技術的發展可能的選擇，電芯層面無限度盡量提高能量密度。第二個，我們看到系統剛才提到的，一個是電芯能量密度的提升，另外我們考慮系統能量密度提升還有哪一個？就是系統的集成。系統集成考慮的目前無外乎有兩種技術路線，一方面在有限的空間內，我們能夠盡量有越來越多的電池；另外一個，我們所用的電池PACK的材料能夠盡量的輕、緊湊化和輕量化。緊湊化和輕量化其實也有一定的表現，第一個，我們在做短路、擠壓實驗的時候，就會發現有一些線速的排布，由于在有限空間范圍內選擇很小，排布的科學性有待提高，這種情況下，有可能導致受到機械破壞的時候，容易引起高壓線速的打火，導致發生事故的可能性。另外，輕量化和緊湊化的另外一個舍棄，有可能這種冷卻方式選擇的取舍問題，可以看到其實電池在這幾年能量密度提升過程中，對冷卻方式的選擇還是有了一個前后的變化。比如，大家一開始會越來越重視液冷系統的選擇，到去年到今年，很多時候這種方式的舍棄還是明顯的可以看到的。近期來說，大家還是會越來越關心冷卻系統的選擇和改進，包括我們今天跟各位專家分享，專家們也提到，對于管理系統的重視，我想這是一個比較好的現象。
另外，我們換個角度看電池的安全，因為這是現在市場上的電動汽車，我統計了幾十起事故原因，從2011年到現在大概80多起的不完全統計的數據，看到里面總體分為這樣幾大類，一大類就是充電，可能是在充電過程中，或者末期或者充完電的時候，所發生的一些事故。第二個就是機械的破壞。第三個是因為電池的部位的各種原因，有可能是單體，有可能是系統，各種原因導致的自燃，電池的熱失控。另外就是海水的浸泡，水的浸泡，由于IP等級的一些缺失，后面在測試的時候，其實剛才說到的產品的評價里面也可以看到，市場上這些車的表現可以看到它這幾個方面的一個缺失。
我想舉幾個例子，第一個例子不太恰當，我們對事故進行分析，有些案例進行分析，其實充電出現的問題大部分并不是過充電的狀態。但實際上是充電末期或者是充電完畢，也有這樣一些狀態。但是我舉的這個例子，因為是過充電。因此我換了一個思路，安全保護的功能。更多提到了管理系統的作用。這個事故是在過程中，電池應該在停止充電的時候，接著充電，一直到充電機強制停止，過充了60%的電，在這個過程中，電動汽車著火。我們在這個過程中進行了詳細的事故分析，知道充電是一個系統的綜合的工程。可能會涉及到很多個方面，首先是電芯本身的抗過充的能力，第二個就是電池的BMS的通信功能，第三個就是充電機和電動汽車整車兩方的充電抗過充的充電設計，最后是車輛監控中心和充電樁監控中心對故障及時的監控、響應和處置。這個事故比較早了，應該是在2016年的時候，現在國家對事故的監控、對故障的監控越來越完備，越來越重視，整個系統的安全工程會越來越完備。
下一步，大家會越來越關心什么呢？充電過程中的安全，我們相關的標準也在制定。這是充電兼容性的標準，里面也涉及到安全的問題。截止到目前，測了一千多輛車的充電兼容性，在這里面也會看到一些充電過程中發生的安全問題。下一步，充電安全相關的標準正在制定，將與電池的管理和通訊密切相關。
第二個，剛才提到的整車，提到第二個出事故比較高的就是機械。機械方面，它更多是因為碰撞，但實際上，能反映出電池的機械可靠性和安全性的測試項目，就是振動。現在國家提到的振動頻率，大家認為它的強度過高，現在提出了修改變成了三個小時的振動，這個振動是非常低的。我們根據這個振動的實際路譜，采集了20多輛車，制定了新的振動的曲線。這個曲線現在也已經寫進了強制性標準，該標準馬上會進入公示的階段。可以比較一下這幾個標準振動的強度，JB的強度是處于中等的柔和切合電動汽車運行實際狀態的數值，我希望企業不要按照修改單去修改振動強度，至少應該按照JB新的標準對自己的產品進行考核。
我們在考核的時候發現振動出現問題的主要狀況，包括外部車體的破裂，包括里面絕緣層的破裂、連接線的破裂。企業在開發過程中，會更重視振動，除了振動強度外，還包括它跟整車連接自身的共振頻率的破壞。在測試的時候，我們發現主要的破裂點是連接的這個位置，特別是它跟整車連接的一些位置。
第三個就是熱，剛才說到熱失控是車輛事故里面百分比最高的一部分。現在也受到大家越來越多的關注，剛才很多專家提到熱管理的設計、熱失控的分析。我們也在做評價，我們從評價當中來看電池的熱安全，首先從頭開始看。材料的熱特性，到電池本身處于什么樣的熱安全的等級，在這個基礎上，我們在BMS方面要有一個系統的熱管理的設計。這樣的話，才能有一個有用的電池PACK。
我后面正好從這幾個等級來給大家匯報一些我們的看法。材料到電池層級，我們一方面要關心的應該是熱穩定性，包括熱失控特性等狀態，我們在追究更深層的原因，包括電池的安全，特別是在電池反應過程中，導致了電池在安全性能上的一些表現差異。我們今年開始用原位無損的方法去分析在這個過程中結構，AC膜的變化等等狀態的變化，對安全帶來的一些挑戰。可能要結合過程中在無損測試以后，最終衰減以后，進行拆解，對它進行電極和材料層面的逆向解析的分析，看材料和電池之間的安全性的衰變和性能衰變的過程。
剛才提到的從材料到電池再到BMS，BMS要實現的管理有很多種，包括電的管理、安全健康的管理、熱管理。熱管理作為一部分，簡單來說就是四位一體的評價，因為我們做的更多的是對性能的一個評價。現在對于BMS的評價來說，已經上升到一個非常重要的位置。包括均衡、熱管理和相關算法以及電子兼容以及功能安全的評價，最重要的是熱管理的評價，熱管理技術的發展。我們在做測試的時候也看到，很多的企業要求我們幫他做研發性的測試評價，幫助他來設計一款很好的熱管理系統。首先從源頭做起，分析電池在不同的SOC狀態下，不同的功率，不同的溫度特性下，它的產熱特性、產熱功率，產熱方式和發熱量等等，再看它在不同的狀態下的熱失控的特性，以及熱傳播傳遞到另外一個電池的傳播途徑，這樣參數都詳細了解了，才能有基礎數據作出一款比較好的熱管理系統。電池做成系統以后，我們在新的JB標準里面提出了對整個系統的安全性的評價。現在想符合電池安全性的設計要求，必須能夠滿足什么？在發生電池安全事故的時候，能夠滿足逃生的要求。在這里面第一點要有事故的報警信號，這個報警信號必須是熱事故報警，對管理系統又提出了一個新的要求。除了溫度報警以外，還要有熱事故報警，這個熱事故報警是什么意思呢？只要報警信號一發出，意味著在未來五分鐘或者更長的時間內，一定會有熱事故發生，所以這個報警信號是不同于過溫信號的。這里面要求單體有可能發生這種熱失控的狀態下，因為電池發生安全的可能性永遠存在。我們只是作為技術人員希望能夠把這種可能性降到最低，如果一旦發生了以后怎么辦？我們就希望發生了以后，能夠在特定的情況下，能夠及時給出事故信號。如果給不出這個信號，是不行的。給出了信號以后，五分鐘內起火的話也是不行的，只有在發生五分鐘以后不會起火，不會報警，或者能夠五分鐘之內給乘員足夠的逃生時間，才認為它是合適的安全的設計。
我剛才提到幾個方面的問題，包括熱電結構等等，都起到了共同的東西，熱電池管理系統，電池管理系統在電池安全里面扮演越來越重要的角色，我們電池管理系統現在的標準越來越成為一個單獨的體系。這是目前已經有的管理系統相關的一些國家標準，正在做的幾個管理標準，包括團體的熱管理系統的性能測試方法，也是我正在起草的。下周五我們要討論JBT電池管理系統的技術條件，下周五討論完以后，馬上形成報批稿，大家還是要重視這幾個標準，也希望能夠多提出一些建議，能夠給出管理系統未來的安全性要求，能夠有一個很好的考量。
最后就是一個簡單的小結，還是要從測試來說，我們現在給企業做這樣一些測試性的評價。我記得我在吳老師那兒讀博士的時候，吳老師跟我提到靜態一致性和動態一致性，我當時做了這樣一些分析。我們幫企業做的更多就是靜態一致性的測試，靜態一致性的測試對電池的出廠一致性進行詳細的評估，得到一致性的狀態，能更好的讓電池在使用的時候進行動態一致性的管理。
我想說的小結也是今天會議的一個總結，大家今天談了很多電池的性能、安全、后補貼時代的這樣一些應對措施，特別是后補貼時代大家提到了好幾次這樣一個概念。我想在這里稍微引申一下，剛才說到的很多問題，歸根到底是表現在我們的電芯的品質控制的層面。先從電芯來說，實際上我們在做一致性評價的時候，還是會發現雖然能量密度能夠做的很高，但是在產品的一致性控制方面可能企業還是會有一段路要走，還是需要做更多的功夫來去提升。我也在一些企業看過，包括我每次去看的時候都會問一句話，你們的CPK值是多少，我想我們在至少目前來說，咱們國內的電芯企業的CPK值控制基本還是以1.33為一個基準，1.67為一個天花板的。甚至有些企業現在還在努力達到1.33，我想這個可能與國際上一些企業相比的話，還是有很多事情要做。因為你的品質控制決定了后補貼時代，在市場這種競爭下，你的產品性能、安全、壽命和成本是否能夠與別人去競爭，與別人去抗衡，這個是非常非常重要的一塊。
第二個總結，安全是一個系統的工程，從材料到電池到PACK，可能我們每一個部分都有各自要做的事情，每一部分都要有一定最基本的安全要求。作為一個聯合的體系去共同協作，才能作出一個比較好的相對安全的電池系統，去用于整車上。并不是把某一部分的安全壓力都集中在某一個環節上，它應該是一個系統的工程。
（根據嘉賓現場演講整理，未經本人審閱）
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