中汽研王芳：动力电池热安全评价研究

23日下午的大会则主要围绕“动力电池安全和梯次利用”主题进行讨论,中国汽车技术研究中心电池首席专家、博士王芳女士发表了题为“动力电池热安全评价研究”的演讲。

以下是由电动汽车资源网整理的王芳博士演讲的主要内容:

今天我报告的题目是动力电池热安全评价的研究。今年有这么多的安全事故,这种情况下讨论这个更有意义。报告分三个部分,一是为什么要做这个事儿?二是热失控扩散的测试评价。

大家可以看到我们这几年的一些电动汽车的事故:

1. 2008年 Prius PHEV 起火事件

事故原因:因装配设计存在缺陷(报道中称用户对电池包进行了改装),行驶中电池组某处接头松动,该处电阻增大,异常生热导致其附近温度过高,并最终引发热失控,并波及整个电池包。

2.2013年 Tesla Model S 起火事件

事故原因:汽车在高速运行中,与路面上的大型金属物体发生碰撞,底盘(电池包外壳)被刺穿,导致电池内部短路,引发热失控。

3. 2011年 雪佛兰沃蓝达PHEV 起火事件

事故原因:车辆在碰撞测试中锂电池组受损,经过翻滚试验后电池热管理系统的冷却液泄露并与电池组件接触,有导致电池内部短路的风险,并会最终引发自燃。

电动汽车起火事故的直接原因有很多种可以看到的过热、内短路、外短路碰撞等等现象,而最终的表现是整个电动汽车的热失控,其实应该叫热失控的蔓延。

锂离子动力电池热失控的发生机制:锂离子电池在正常充放电反应外,还存在许多潜在的放热副反应。当电池温度过高或充电电压过高时,容易引发。

主要的过热副反应:1.SEI膜分解导致电解液在裸露的高活性碳负极表面的还原分解;2.充电态正极的热分解;3电解质的热分解;4.粘结剂与高活性负极的反应。

看一下这个图,刚刚提到4个副反应,如果在某一个环节断裂,不发生后续的连锁反应,就不会发生大规模扩散的事故,就是我们所期望的结果。

上图是在不同温度的时候发生反应的温度范围。

锂离子动力电池热失控评价的必要性:尽管电池能够通过当前法规测试,但也不能保证电池不会发生热失控。很多我们不期望的一些状况会造成热失控的发生。第一个就是内短路,第二个是快充等这样的一些特殊的使用环境造成的热失控,第三个因为寿命的衰减,出现了一些异常反应。

热失控是不可避免的,安全是相对的,不安全是绝对的。怎么做才能够尽量地提高安全的几率,降低安全事故发生的风险呢?需要保证的是什么?安全。当热失控发生了,还要保证什么安全呢?保障的是这个时候车上的乘员的安全,乘员在电池发生热失控的状态下,能够快速地逃离到安全的区域,不发生人员伤亡,这个是我们要求的安全。

我今天提到的测试评价就是希望提一个要求:不管采用什么样的技术,电池是一个系统工程,从电芯的生产到集成可能需要很多的工作,无论想用什么样的技术手段保障,我只要求你在一个电芯事故发生的情况下让乘员有逃生的时间,发生起火等严重事故之前有足够的逃生时间。

美国一家实验室提出,热失控产生扩散是不应该发生的,希望车厂在做电芯设计的时候,将阻止电池热失控的扩散蔓延发生作为重要的目标。

各种情况导致热失控发生的时候,我们怎么去评估它?这里面就要解决的问题是怎么触发?怎么评估?怎么判断是否能够pass这个实验?所以这个是我们做这个研究的背景。

整车厂要设计一款电池,要做好热管理,关心的不单单是热失控的安全问题,还有电池本身的比热容、产热速率、产热量,不同的条件下产热量和产热速率是什么样的?这些基本的热特性是热稳定性的边界条件,也就是说电池本身的热稳定性包括它的热失控不同阶段的参数,还有生命周期的热稳定性。

电池做热失控的时候,可以看到不同阶段热稳定是什么样的状态,最关心的是有几个点:一个是当电芯刚刚开始发生热失控的点,一个是电池发生热失控的终端最高温度点,当然还有就是刚开始自产热的点。

给企业做这样的测试评价的时,状态不同的测试都会影响电池自身热的稳定性,这个是能够监测到,能够测试评价的,能够很好很直观看到的。但现在的问题是,怎么能够把内短路,像这种无法通过检测手段表达的这种热失控来测试出来?

测试评价需要触发一个热失控,触发一个热失控,可能有几种办法,包括加热、过充等等,其他的办法也有试过,目前来说这几种办法还是能够实现。如果用这几种方法不能触发电池的热失控,我们认为这个电芯是安全的是可以的,就不再进行实验,如果有一个办法让电池发生热失控了,这种情况下不管中间有什么样的过程,我们直接到最下面,到最后当最终电芯发生热失控的时候,整个系统能够维持多少分钟不起火不爆炸,这个是我们关心的,也就是说乘员是不是有足够的时间逃生。

当然这个里面关心的就是监测,就是热失控发生的条件是怎么判断的?因为热失控实验的时候不能自己走近了看,得通过相应的仪器和参数评价。让电池包可以抗几分钟的热失控蔓延?用什么样的办法最合理?第三个就是监测的点怎么判定?

我们第一个要求几分钟,这个里面其实我们最初考虑得是在之前不起火不爆炸的,但是考虑了以后又考虑了烟雾的问题,几分钟到底怎么定呢?当我们监测到一个热失控信号的时候,这个时候司机需要做出反应,他有两个时间是需要考虑的,一个就是说当热失控发生的时候,一个是汽车起动、汽车制动到停止的时间;第二个就是乘员逃生的时间,这两个时间之和是我们需要考虑的总时间,我们给电池留的起火时间必须大于这个时间。

我们做过一个实验,用电动车做了简易的实验,车上5个人都系好了安全带,在发出指令以后,迅速逃离安全区域以外所用的时间大概是平均10几秒之内,这是一个乘用车的;我们又做了商用车的实验,这个跟上海消防所一起做的,80人用了一个大巴车做了实验,实验分了几类,一个是前门开,后门开或者是前后门都开,还有就是在车里面放烟雾,同时放烟雾的情况下做实验,所以说做了各种实验以后得到的数据大概是这样的,最高的是在50几秒撤离,这个是大家非常井然有序而且知道没有任何问题,没有任何危险的情况下的结果,我们之前还做了一个实验,大概是用了一个大巴车,跑5米以外大概需要的时间是4分钟左右,人员差不多的但是人员的分布年龄结构优差异。权衡考虑几个方面,实验的结果和跟国际专家的协商,目前来说认为5分钟的时间,不起火不爆炸是给热失控扩散基本的要求。

第二个关心的问题触发的方法,我刚刚提到有三种:针刺、加热、过充,这三个方法都做了相应的研究。我们对这个模块,传递到后面电池的速度和方式都进行了详细的分析,这个实验结果拿到国际法规上讨论的时候,没有得到任何人的认可,模块不代表PACK。

去年年初开始又做了大量的电池PACK的热失控实验,一共有十几个电池的PACK实验,其中包括方形软包的,实验就涉及到一个问题,有时候为了达到这个实验的目的,对电池的样品做小小的改动,而这个改动也是会引起极多的讨论,因为改变了电池包的状态,目前状态下没有办法改变,尽可能降低改动的幅度。另外还有一个实验是通过气缸把针直接刺进去了,第二个就是过充,这个样品就是把这个PACK左上角的进行了改变,接上了一个冲放电线,对它单个的进行过充,其它的模块是不变的,我们看到最终的电池PACK,大家可以看到着火了,这个其实是小的PACK,我今天想跟大家展示的都是所有实验的过程,而且实验要求是5分钟之内不起火不爆炸就可以,所以大家看到各种不同的现象。这个也是过充的实验,但是因为我们这个电池容量非常大,所以我们在做过充的时候用了很小的,三分之一,这又引发了另外一个讨论,我们在这么长的时间内触发,跟实际的情况又偏离很多,这个也是我们要考虑的问题。我们做的过充实验,19分钟的时候吸气,20分钟的时候有冒烟,但是没有发生热扩散的现象。第三个方法就是加热,加热目前是有几种,一种是用加热的block,而我们用加热的膜,当然还有加热泵缠在膜上进行实验,对于方形和软包的我们做的更多的是用加热膜的做,对于圆柱的电池更多是用加热泵缠起来做实验,加热的方法是目前相对接受度比较高的实验,大家可以看到SAEJ2464里面已经有推荐的方法。

我们做的用加热膜给电池加热触发的实验,这个是整个实验的操作的过程,一个流程,这个流程是可以跟大家分享的,因为咱们电动客车的安全也正在做,里面也要求对电池的单体的热失控和电池PACK的热扩散提出相应的要求,大家以后给电动汽车配套是要做这个实验的,有很多人做这样的摸底,也问到怎么做实验?这个现在已经完全可以按照这样的标准和流程去做。

大家看我们做的几个实验的结果,就是用加热膜把里面的一个电芯拆下来做,到电芯达到138℃的时候发生了热失控,这个时候加热片的温度是330℃。这个实验是做的时候加热到123℃就热失控了。当然这个实验,我们在国际上展示这个录像的时候又引发了新一轮的讨论就是烟雾的问题,所以说在法规讨论的时候要增加一条这样的要求,如果用整车做实验的时候,5分钟之内不得有这种烟雾进入乘员舱,因为火还没有来呢,人就被烟呛死了,这个是不允许的。

这两个是平行实验,为了考核实验的可重复性,拿了两个同样的PACK,用同样的加热的办法做实验,大家看到第一个实验是123℃的时候热失控,第二个是121℃的时候,我们很好呈现了这样的实验结果。别的就不详细说了,这个是190℃的时候热失控的,这个也重现了191、198℃的时候。

这个是圆柱形的,我们用加热泵缠绕做加热的实验,我们在讨论的时候,在做的时候发生了这样的问题,热失控也不是说必然发生的,如果热失控没有发生我们什么时候中止这个实验呢?这个是我们考虑中止的条件,因为我们做了很多的实验以后,发现无论是什么样的体积都进行了分析,发现一系列的实验的热失控的点都在300℃以下,都在200℃左右,所以我们规定了如果你在300℃还没有热失控就可以中止实验了,这是我们的一个要求。

下一个我们要讲的就是热失控发生的监测,这个会过的很快,因为做了很多的实验,但是最后有一页有一个总结的,在这个里面我们要提一下的是什么呢?在全球法规里面对热失控有一个定义,当温升速率发生剧烈变化的时候我们认为发生了热失控,这个时候监测剧烈变化是多剧烈呢?我们做了大量的研究来想要得出这个数值比在多少合适?另外附加什么参数值?增加了电压的下降还有最高使用温度的值,这个是我们目前能够监测到的。

在这里我给大家展示了三个实验结果和几个三元的,大家看到我们在右边把这个电压下降的时候这个时间点,和温度达到PACK厂家规定控制的最高温度点的时间,以及DT比DT达到1度每秒的时间我们都进行了总结,其实不是一度每秒,我们把几个都总结了一下,20℃每分钟,一直到100℃每分钟,4℃每秒这样的数值进行了统计,大家知道我们定这几个值的时候有依据,因为做了好几年的工作,在各国讨论的时候都定了这样的值,希望找到一个点。

后面是三元的这些数,我们可以直接来到这一页,这个就是刚刚几个数据的总结汇总,也就是说我们把认为正好,因为我们可以最终看到热失控的点是什么,温升速率明显的变化,而且最终直接失控的,我们找到失控的点,把这个时间点跟我们电压下降的点,以及到达最高使用温度的点进行比较,如果正好吻合就打勾,如果比热时空的点提前拉,实际上应该是在60秒钟的时候确定热失控,但是30秒的时候已经观察到达到企业规定的峰值温度,认为就提前了,如果有一项提前,一项正好达到,我们认为条件判定是可以的,如果两个都提前了就不行。

举个简单的例子,大家知道7158的标准讨论,最初有一个稿里面提到,客车上电池箱必须安装灭火系统,什么时候灭火系统要触发?因为大家知道灭火系统是一次性的,在这种极端的事故发生的时候就触发灭火的,就跟车上的安全气囊是一样的,爆发的点是在哪个点?如果说只监测到温度,温度到了企业规定的60度了,这个时候还没有真正的热失控直接就说又监测到电压下降一点点了,这个时候就给喷发了,这个叫什么?这个叫误喷发,那这个时候是非常要命,这个时候电池怎么办?拆下来重新修理还是怎么弄?什么点是热失控的点,什么样的参数决定热失控恰好发生了?这个是非常重要的。

所以,我们目前研究的数据结果,我们认为用电压下降和温升速率达到一个值,或者是用最高的温度和温升速率达到一个值这两个共同的控制,根据实验结果都能够符合要求,而这个值多少合理呢?目前根据我们考察了几种典型的体系发现,大概到1℃每秒,60℃每分的一个值基本能够满足要求,你这个值要比这个大是OK的,肯定没有问题,值更大的话肯定热失控就发生了。

这个是我刚刚总结了一下我们在加热的时候做的单体电池热失控的温度点和加热泵的温度点到底是多少。我们也可以看到单体电池热失控的温度基本上是在200度以内,所以这也是为什么我们定300度目前认为没有什么问题。

最后就是一些其他的问题,也就是刚刚引申出来的,上次6月份在美国开会又提出来了,产生了那么大的烟怎么可以?所以我们回来又做了这样的烟的实验,把电池电着以后放在了箱体里面,然后通过监控的系统观察,外部可以观察到烟和火,但是在内部基本上没有烟能够观察到,这个也是做了一个对应的实验,当然相应的研究还要继续。

对于内短路的研究,评价研究是新的课题,需要挑战的。那其实大家看到我刚刚展示的是我们目前两三年的研究的结果,我们做了大量的PACK等等的实验,基本上给了可通过实验可以保证人员安全的热扩散的条件和要求,然后也给了一些触发方式的建议,比如说针刺、过充和加热,这三个方法跟内短路是不能划等号的,这个大家都知道,跟内短路不是完全一样,有外短路有其它的因素,但是我们的目的是什么?不管是内短路还是外短路,表现出来的特征是热失控了,我们希望当热失控发生的时候,我们能够看到的系统的热扩散的表现是什么样的?这个是我们要明确的一个理念。

内短路怎么评估?我觉得这个课题还是非常非常难,也是非常需要很多人研究的一个课题,我们确实后面的几年也还是会在这方面做工作。第三个就是热失控发生的点到底是温升速率和电压以及最高温度,还有没有其他的参数可以表征的?灭火里面加入了烟雾传感,火焰传感传感器的监测,这个怎么结合?也是我们需要考虑的,所以我们认为今天我讲的这些内容,只是对前一阶段工作的总结,而这个正好是我们现在今天还要接着研究的一个内容,所以说热扩散测试评价在这里也是要感谢一下,因为这个测试评价的研究,并且作为全球的法规工作是在工信部的领导下,由我们行业专家牵头,中汽中心、清华、CATL等单位共同进行的,而且有相当一部分的电池企业、整车企业给我们免费地提供了一些电池样品,做这样的实验,目前工作仍然在进行当中,希望更多的国内的专家和企业参与进来,因为未来得2-3年,包括SGS、CTI的法规,我们要对这个法规的提案还是要做更多的研究和完善的工作,所以我觉得为了提升电动汽车的安全,也希望大家携手共行,谢谢大家!

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