电动汽车最大的弱点是什么?对于消费者来说,这可能是里程焦虑,但对于生产商来说,电池安全是他们最大的担忧。锂电池不仅是电动汽车的核心部件,也是电动汽车自燃的首要原因——截至今年5月,国家新能源汽车监管平台共发现79起安全事故。58%的火灾是由电池问题引起的。2019年10月7日,第三届国际电池安全研讨会在北京举行,主题为“制造更安全的电动汽车高比能电池”。在动力电池比能不断提高的背景下,来自全球大学的知名教授和来自企业的动力电池研发设计师就电池热失控的机械、电气、热力原因和预防方法、电池热失控机理和抑制方法等话题进行了讨论,电池的燃烧爆炸特性和消防安全,以及电池系统热失控的蔓延和管理。在中国汽车技术研究中心首席专家王芳看来,电池系统、新材料系统、电池尺寸不断提高的趋势,给电池安全带来了巨大挑战。中国科学院院士欧阳明高院士带领团队深入研究锂电池,通过单电压监测、可燃气体预警、改进电解液、建立防火墙等手段,降低热失控概率,控制热扩散,他们还在碰撞安全设计、监测和控制散热等各个方面加强电池的安全性。左边是高比能量需求,右边是安全——动力电池从业者需要在保持双方平衡的同时向前迈进。到目前为止,他们学到了什么“平衡技巧”?电动汽车对长续航里程和快速充电的需求带来了技术变革,这将带来挑战。中国汽车技术研究中心首席专家王芳将其总结为四大挑战。
中国汽车技术研究中心首席专家王芳首先表示,能量密度的增加对稳定性构成了挑战。电池系统的能量密度逐年增加,从2015年的90瓦时/千克增加到现在的140瓦时/公斤以上,问题也很明显。在2016年、2017年和2018年,我测试了当时大量的国内外产品,包括三星和LG电池。随着能量密度的增加,无论你如何提高身体的安全性,电池的稳定性都在恶化, “王芳说。其次,材料体系的挑战发生了变化。目前的产品追求高比能,电池从磷酸铁锂过渡到三元体系,从三元333过渡到532,再过渡到811体系。这种变化带来的缺点是热失控时间不断提前,正极的释氧温度升高电极材料逐渐减少,并且电池材料的热稳定性变得越来越差。第三,远程驾驶的挑战。为了增加续航里程,除了改变材料系统外,在有限的空间内封装尽可能多的电池也是很重要的。这将导致电池变得越来越大,不可避免地使电池的铝箔和铜箔变薄,也使隔膜变薄。然而,隔膜越薄,其击穿电阻就越差,被击穿并导致电池短路的可能性就越大。第四,电池衰变后的安全挑战。王芳指出,他们统计的许多事故发生在一万多公里之后。这证明了电池是一个动态过程。这意味着,在整个生命周期内评估电池的可用性、可控性和失控性面临着重大挑战。电池的测试和评估技术可能是一个贯穿整个生命周期的评估项目。在电池的整个生命周期中,安全性将随着其寿命的衰减而变化。在不同的循环下,电池单元的内部状态和外部指标也在变化。电池的危险来自于热失控。为了应对电池的热失控,f……
第一步是了解机制并找到表现形式。欧阳明高总结,电池热失控的原因有三个,即内部短路、正极释氧和负极析锂。
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中国科学院院士欧阳明高依靠BMS检测内部短路和内部短路,可分为缓慢型和突然型。欧阳明高介绍,缓慢变化的内部短路的第一步是电压下降,第二步会有温度上升,最终导致热失控。对于变化缓慢的短路,可以在电压下降的第一阶段使用故障诊断来检测它们,这可以防止进一步恶化。例如,对于串联电池组,第一步是分析电压的一致性。如果某个蓄电池电压下降,则表明蓄电池可能存在内部短路。但是,如果还不能确认,请添加温度检测。处理突然的内部短路,如微短路,可以依靠可燃气体传感器,该传感器可以至少提前3分钟提供热失控警告。也就是说,通过BMS可以有效地检测内部短路。在没有内部短路的情况下改进正极和电解质以减少氧气释放仍然会导致热失控。隔膜塌陷,正极和负极进行生物质交换,这意味着从正极释放的氧气流向负极,形成剧烈反应,导致不受控制的加热。为了改进材料,一种是正极材料,另一种是电解质。欧阳明举例说,正极材料可以将多晶到单晶的氧气释放温度提高100度。在电解质方面,可以使用高浓度电解质,例如DMC。此外,在电解质、高浓度电解质和新型电解质的添加剂方面也有很大的潜力。通过充电控制降低锂离子电池整个生命周期安全性的主要影响因素是锂离子的演变。如果没有锂离子演化衰减,电池的安全性就不会恶化。锂沉淀引起的过度放热会直接与电解质发生剧烈反应,导致温度显著升高,并导致加热失控。负极电位与锂的析出有关。只要控制负极的过电压,就可以确保不发生锂析出。通过使用该模型,可以导出没有锂析出的充电曲线。我们将负极电位保持在不低于零的水平,以获得最佳充电曲线,而不会析出锂。我们可以使用三个电极来校准该曲线,并将其用作充电算法, “与企业合作的欧阳明高说,通过使用这种算法,有可能完全实现无锂分离。但这是一个校准过程,电池的衰减性能会随着时间的推移而变化。因此,他们开发了一种无锂析出的反馈控制算法,需要一名观察者观察负极。事实上,这是一个数学模型。在欧阳明高看来,就整体热失控而言,控制热扩散仍然是一个有规律的趋势。并联电池组热失控的特点是,第一个电池在热失控后会短路,导致电压下降;串联电池的热失控是一个热传导过程;第三种情况是,一开始是有序传播,然后是暴力传播,这可能导致立即发生爆炸和燃烧事故。欧阳明高认为,对电池来说,绝缘是不够的,还需要散热设计。利用防火墙技术,将隔热与散热相结合,通过隔热阻断传热,通过散热带走能量。另一种类型的热失控是喷发。从实验中可以看出,火山喷发有三种状态:固体、液体和气体。中间的气体状态是一些可燃气体,也就是燃料。固态是一些固体颗粒,通常会形成火焰。一般来说,它像传统汽车一样,通过过滤器收集颗粒物;
另一种方法是稀释可燃气体。除了机制层面的控制,车企还从整车的角度开发了一系列解决方案,如碰撞安全设计、监测、控制散热等。在主动碰撞安全设计会议上,北汽新能源和一汽介绍了各自在碰撞安全方面的设计解决方案。据北汽新能源工程研究院副院长戴康伟介绍,北汽新能源为电池提供四级保护。
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北汽新能源工程研究院副院长戴康伟首先将电池设计成与整车乘客舱一样的安全不变形区域;在电池周围设计一个过渡区和一个可变形区,以吸收车辆碰撞时的冲击强度,这是车辆级保护的第一层。第二层PACK级采用高强度铝型材箱体设计,结合我们补充设计的优化点,确保PACK级具有第二层强度保护。第三层是对电气功能的保护。首先,通过优化电池组中心的BMS和BDU等高压切断装置的电气部件,确保电气系统在车辆碰撞时不会过度损坏,并确保其正常功能。同时,系统引入相关碰撞信号和异常监测信号,确保电气系统在出现异常情况时能够主动切断高压装置,保护司乘人员的安全。第四层为模块级,采用高强度铝型材模块设计,与普通铝型材相比,强度提高了35%。同时,在电池之间以及模块和PACK之间也设置了绝缘缓冲区,以尽可能保护电池在车辆受到挤压时不受挤压。一汽集团不仅对电池进行了防撞维护,还提供了高压停电保护。据一汽集团新能源发展研究院院长王德平介绍,一汽集团为电池设计了特殊的保护措施,以确保电池在低速行驶和支撑底盘时不会因车辆碰撞而变形。另一方面,一汽建立了双高压停电系统,这意味着在与高速车辆发生碰撞时,如果安全气囊开始工作,则必须在1毫秒内关闭整车的高压系统,以确保整个高压系统的安全。数据的实时监控对于新能源汽车公司来说至关重要。会上,北汽新能源、一汽和蔚来都详细介绍了各自的监控系统。北汽新能源采用多点监测高压系统,确保车辆上所有高压连接部件都能被监测到,确保在所有绝缘故障模式下都能被监控到。同时,主动和被动放电技术可以确保当车辆主动和被动切断高压时,参与的电压可以立即放电。一汽集团的新能源汽车监控包括两个方面。一方面,它是BMS监控,将云监控系统的数据导入车辆的BMS,使其控制和估计精度更高,并实现早期故障预警。一方面是电池热失控预警,它集成了云历史数据和实时监测数据,包括环境应力和系统状态信息,构建了热失控预警发展模型,然后将这些预警模型应用于整车的热失控系统。首先,通过热失控模型预警的系统诊断,可以实现高压系统的维护。其次,车辆、云和仪表可以向驾驶员提供热失控警告信息,包括后端服务。
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一汽集团新能源发展研究院院长王德平、蔚来汽车副总裁黄晨东也介绍了蔚来汽车的监控系统。NIO监测电池最基本的电压、温度和健康水平。在BMS层面,NIO进行实时监控,包括两个关键点:第一,监控事件,如电池单元、电池和电池组;例如,温度、电压、内阻等;
二是数据的监测,即统计差异,数据是否正态分布。黄晨东介绍,即使汽车处于休眠状态,NIO的电池安全监测预警系统仍然可以监测数据。所有大数据都进入云端,云端可以进行自动分析。如果发现任何异常,我们将发出警报,并对其进行审查和分析。或者,我们可以从客户处召回电池或更换电池。"○ 北汽新能源代表康伟介绍,控制热量扩散,确保驾乘人员安全。北汽新能源专注于电池热失控和热膨胀领域,我们正在与业内优质资源合作,对热膨胀路径进行一些分析,并研究热膨胀阻断技术,以便在未来真正发生热失控时有更长的热膨胀时间,并为驾驶员和乘客提供足够的逃生时间。NIO使用绝缘材料来防止电池的热扩散。在顶层,我们使用一些空间来防止烟雾逸出。在底部,我们很难控制它,但我们会有一个冷却板或冷却垫。如果我们使用这样的液体,它可以得到很好的控制,”黄晨东说。此外,黄晨东还介绍说,他们未来的设计将消除电池之间的热传递,模块的绝缘将包括防火墙设计,以防止热传递;在电池组的设计中,将有相应的烟道设计,以避免二次损失。
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一汽集团NIO汽车副总裁黄晨东采取的措施更加积极主动。他们采用主动灭火系统。使用特殊的灭火介质对容易发生热失控的动力电池进行灭火,实现热扩散控制。不过,王德平介绍,该系统目前处于开发阶段,尚未在产品上正式使用。从早期的实验结果来看,该系统已经显示出了极大的有效性。一方面,该系统可以对因发热而失控的模块和单体积极进行灭火实验。另一方面,由于所使用的灭火介质是具有高热熔比的介质,因此其具有大的吸热能力。通过这种吸热,可以降低电池组内部的温度,从而隔离电池组内部加热导致汽车内部起火的现象。该行业已将重点从新电池的安全转移到整个电池生命周期的安全;从处理烟雾和火灾事件到研究热失控的机理;从热扩散到主动灭火,这表明人们对锂电池的认识在不断加深。然而,随着动力电池比能和安全平衡的不断提高,整个行业还有很长的路要走。
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