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欧阳明高:动力电池,安全保护设计和电池管理是关键

作者:  信息来源:中国客车网    发布日期:2016-01-07

  中国电动汽车电池技术的产业基础,应该说总体上还是不错的, 在十年前的“十五”期间,科技部电动汽车重点专项起步开始推动中国电动汽车动力电池的研发,当时主要是镍氢电池和锰酸锂电池;到“十一五”的时候,主要是磷酸铁锂电池,应该说磷酸铁锂电池的发展支撑了国家“十二五”电动汽车的发展;到“十二五”,科技部重点的研发转向了三元锂离子电池,这在一定程度上,引起了三元和磷酸铁锂的技术路线之争。

  欧阳明高

  客车用磷酸铁锂 乘用车用三元

  从安全的角度来看,磷酸铁锂电池会好一点。对于大客车尤其是12米大客车来说,一旦出现安全事故,车上那么多人很难逃生,所以安全性成为这类客车首要考虑问题,采用磷酸铁锂电池更合适。而对于6米小型客车及乘用车来说,由于这些车型对重量、续航里程要求更高一些,安全敏感度较大客车低一点,在安装保护系统后可提前预警危险,应用三元电池是趋势。

  目前我们国家新能源汽车的动力电池技术路线还是比较合理的。从不同车型搭载电池种类看,客车领域搭载电池以磷酸铁锂为主,占比达88%,三元锂电池仅占12%;乘用车领域,搭载三元电池占比达69% ,磷酸铁锂电池占比29%,锰酸锂电池占比只有2%。

  但问题也是存在的,从电池消耗量看,客车部分电池消耗超过了60%(纯电动客车占比约54%),占比偏大,而且客车的电池质量很不一致,全国各地都有客车厂,品牌比较杂,而且地方保护比较严重,质量参差不齐。

  同样,中国动力电池产业比较分散,整体水平与日韩有差距,这就需要我们特别重视技术的提升。相关材料、电化学体系、电池系统的完善,以及电动汽车安全性能,都要靠技术来保证。没有技术,光靠投资,这个产业难以长足发展。

  现在电池市场火爆,企业实现盈利不难,这就更需要把技术创新放在首位,要尽可能把技术能力提上去。目前中国虽然也有像比亚迪、CATL等技术实力非常不错的动力电池企业,但毕竟像这么好企业的数量太少。

  众所周知,在传统汽车的发动机技术方面,中国与国外有差距。相对而言,现在新能源汽车的动力电池技术,中外差距变小,但我们也应当留意到,韩国动力电池企业在向中国客车企业推荐使用三元电池。在这方面国内客车企业要慎重,可以尝试,但不宜马上大规模采用。对于客车尤其对于12米大客车,安全还是绝对重于一切的。毕竟韩国纯电动汽车市场很小,推广使用的纯电动汽车量也很少,尤其是客车领域不像中国市场那么大的容量,也因此,韩国企业生产的动力电池主要用在中国市场。当然,也不要排斥合资企业的电池,通过他们的加入会带来竞争压力,可以促进国内电池企业提升。

  现在新能源汽车补贴多、电池供不应求,什么电池都能卖出去,这是一种危险的现象,而且客车总体水平不如乘用车,整体把关不严,容易出现问题。随着补贴热度下调,会掀起一股竞争热潮,技术实力不佳、达不到质量水平门槛的企业将会被淘汰,中国动力电池行业总体水平会有所提升,赶超国际水平也是可以做到的。

  而且从全球范围来看,目前国内研究电池的人数是最多的。例如从年轻人才的角度看,在国际杂志发文章的中国作者最多,比美国要多百分之三四十。当然其中有些水平不是很高,顶尖科学家也比欧美少。但总体来看,我们的后劲还是很足的,新成立的企业创新能力都很强,值得期待。

  从客车起火事件谈动力电池安全

  目前,新能源客车起火事件时有发生,整车企业应在动力电池路线要考虑安全性,大客车以磷酸铁锂电池为主;其次,电池管理系统技术水平必须大幅提高,现在很多大客车出现安全事故源于此;再者,要有全方位的安全保障系统,从安全设计、热管理到充电等。

  动力电池安全性的问题概括起来叫动力电池热失控,也就是到达一定的电池受热到一定温度之后就不可控了,温度直线上升,超过500℃、1000℃,然后就会燃烧爆炸。

  为什么会有这个问题,首先是因为过热会,温度上来,最终都是温度上来导致的,它会触发电池里的副反应,随着温度的升高,电池里会产生一系列的副反应,这些副反应都会放热,导致热的失控。另外一种原因,电触发的,比方外部短路、内部短路、过充,这些都会导致产热,然后形成热,然后产生热失控。第三个个原因就是碰撞,比方说车辆的碰撞、挤压。挤压之后就像一个针刺了电池一样,然后短路,短路这是一个电的触发,然后再产热,然后热再引起热失控。

  热失控的几种不同分类

  第一,是过热的热失控触发。比如说插电式的普瑞斯,就是个三元电池的热失控过程:随着不同时间、不同的温度,底下是它不同的热失控的反应,可以看出温度逐步上升,可以在此基础上对这个温度进行一个预测和判断。这是过热的原因和解决办法,包括电池的选型和热设计的不合理,或者外短路导致电池的温度升高,或者是电缆的接头松动等。

  解决办法两个方面,一个是电池的设计,一个是电池的管理。比如说从材料设计的角度,可以开发来某种防止热失控的材料,阻断热失控的反应。另外从电池管理的角度,可以根据不同温度范围的预测,来定义不同的安全等级。

  第二,是过充电触发的热失控。比如说前一阶段出现的电动巴士的燃烧就是这个原因,这个原因最后发现是电池管理系统本身对过充电的电池管理系统的电路没有功能安全,导致电池的BMS已经失控,然后还在充电导致的。

  过充电的原因和解决办法为:充电机的故障可以通过充电机的安全冗余来解决;电池管理的不合理情况,比如说没有监控每一节电池的电压。

  第三,是内短路触发的热失控。比方说波音的787事件,最后找到的原因,电极和隔膜上有金属物,有了内短路,尽管不能100%确认这个热失控是内短路触发的,但是它是最可能的原因,因为找不到其他原因,而且内短路没办法复现。

  要解决这个问题,第一个方面是电池的选择和电池单体容量的选择,要找到好的电池厂商,第二个是内短路的安全预测,根据单体参数变化,来判断它的一致性是否发生显著性变化。

  第四种触发是机械触发,比方说碰撞,根据实验室针刺试验,可以看出不同的材料在针刺的时候反应不一样的,磷酸铁锂相对安全。

  总之我们在热失控扩展和抑制方面,我们是从安全保护设计和电池管理两个方面来着手。

  结语

  “十三五”期间,我们国家的电动汽车规划将继续坚持“纯电驱动”的技术转型战略,开发电动汽车动力系统技术平台,超前研发下一代技术,完善电动汽车产业链,支撑电动汽车产业化发展,在这方面,中国动力电池产业大有可为。

  简介:

  欧阳明高,1958年出生,工学博士。全国政协常委,教育部长江学者特聘教授,清华大学学术委员会副主任,汽车安全与节能国家重点实验室主任,中国电动汽车百人会执行副理事长,国家“863”计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组组长。

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