王芳:电动汽车动力电池安全性测试技术

2015年09月28日 10:09 来源:节能与新能源汽车网 作者:LJ
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    测试联盟(AessE&AT)年度工作会议 暨动力电池技术研讨会于2015年9月22日在北京顺利召开。会议期间中国汽车技术研究中心在电池测试方面的首席专家王芳博士进行了发言,以下为发言实录:

 尊敬的各位德国同行的朋友和咱们国内的同行朋友,下午好。我来自中国汽车技术研究中心试验所,负责新能源相应的测试评价。今天我的报告是关于电动汽车动力电池安全性评价测试技术的内容,其实我们在平时的测试当中会有很多涉及到整车的领域,也涉及到电池从单体模块到系统各个层次的一些测试评价。其实最近两三年内大家也知道WP29下面也在做电动汽车安全的法规,在这里面也分了两个层级,一个是电动汽车整车层级的安全,另外一个是它所用的电池系统的安全。今天我的报告也是结合我们实际的测试以及企业关注的重点,以及咱们在做的过程当中跟各国专家讨论比较多、大家比较关注的内容,在这里跟大家分享一下。

     第一个是整车级别的安全测试。今天上午德国的朋友也跟大家分享了咱们的电动汽车最近的一些事故,我本人也跟着吴主任参加了国内的三起电动汽车起火事故调查的整个全过程,在这个过程中我们的感触也非常深,电动汽车的感觉带来的一个是人员的伤害,一个是财产的损害,另外会上升到对这个汽车品牌的破坏,最终影响整个电动汽车行业的发展。明天开始也会有EVTIF的会议,后天我也会再做一个跟电动汽车充电相关的报告,在那里就会涉及到充电过程和整车在使用的过程当中的一些安全。所以今天我这个报告主要是从车的产品本身以及电池的产品本身的安全性来跟大家做一个探讨。

     电动汽车安全性从整车级别我们主要关注这样几点,一个是碰撞的安全,第二个是高压安全,第三个是EMC就是电磁兼容的安全。电池的层级会关心到系统的安全保护,电池包模块到电池单体,它本身的一些安全性的等级,安全的一些边界的条件,我这里列的有国内的标准也有国际的标准,这里是我们在测试和研发当中会用到的参考的法规,一个是对整车安全,我们现在国标有18384.1.2和.3,也是今年刚刚发布的,它等同于就是ISO的 6469对电动汽车安全的一些要求。另外我们比较关心的是UN ECE R100里面对于电动汽车的结构以及电池系统的一些要求,还有一个是最下面那两个,国内刚刚新发布的,对于电池系统的安全性要求与试验方法,以及31485对电池单体和模块的安全要求和试验方法。

     电动汽车的高压安全,其实我们做得非常多,最重点的其实是关注电动汽车在平时涉水的过程当中,或者在暴雨淋雨的环境下,电动汽车安全的防护等级,它的绝缘以及危险能量的这样一些数据是否能够达到可靠的安全使用的范围。电动汽车碰撞试验,其实我们更关心的有这样三个方面,第一个是乘员保护,第二个是电安全,包括绝缘电阻、低电压、低电能,第三个是电池的保护,电池的保护我们会关心这样几点,一个是电池是否发生严重位移,是否有电解液的泄露,是否会发生起火或爆炸这样的一些后果。第三个,刚才提到整车级别的电磁兼容安全,之前大家提得非常少,提电动汽车整车安全的时候说的比较多的就是碰撞安全和高压安全,为什么提电磁安全,现在电动汽车用得比较多,里面含有一个包括电磁的兼容、电磁干扰和电磁敏感性,这样一些问题,当车步入到普通消费者家庭的时候跟咱们密切相关,是否会在日常的生活当中就会影响到咱们,这个也是值得咱们特别关注的话题,它属于环境安全的一个课题。特别是现在越来越多的,包括无线充电技术的发展,电动汽车在使用的过程中,在充电的过程中,它对于人体的影响,对于咱们人的生活的影响又会怎么样,我个人觉得这个也是非常值得关心和关注的一个课题。

  第二部分,详细说说一说电动汽车电池的安全测试,这张图其实是接用咱们国内专家的一个片子,里面电池从设计到变成产品,再到最终进入市场来应用的过程当中,都离不开对它的安全性的一些系列的评估,包括研发阶段对于电芯sell性能的要求,经过国家最基本的法规论证,再到实际应用过程当中,对它的有效的管理、合理的维护以及正确的一些使用,都是非常的重要。我本人从2007年开始一直到现在做了这么多年的测试评价,在研发性的测试,其实研发性的测试是居多,在这些测试过程当中,对于安全性来说,主要是分成这样几个层级来考虑,对于单体和模块来说,我们更关心的是它电芯本身的一些安全性,今天上午几个专家也都讲了很多关于电芯本身的安全性,包括它的热失控以及它热失控在电池模块以及系统之间的热扩散的特征。包括系统层级,我们希望它能够达到的是可靠性,我们更关心的是系统能够让整个Tec能够保证它在使用过程中,通过系统的保护,能够规避掉sell本身的一些缺陷。一款电芯从设计到最终成的pack过程当中,其实管理会花费很多的精力,也需要更多的一些关注。在这里面以前说的比较多的就是热、电、结构这三方面的一些管理,在这里面上午几位领导也提到我们电池联盟的一些工作。其实在过去的两年我们也是集中于这个里面的电管理和热管理这一块,就是想多做一些工作,能够结合在电管理,就是电池使用的过程当中,它的一些热特性的分析来做相应的研究。我们昨天也开了电池联盟年度总结的会,跟大家讨论了所有的测试的数据。因为在前年的时候关心与电池的一些表征的感觉性,比如说针刺、挤压、过冲、短路等等这样一些表现出来的安全性,到底是在哪一个等级。我们在去年的时候开展了所有的热特性的分析,因为我们觉得电池在正常的使用过程中,它的安全就是因为热稳定性发生了变化,出现了这样的一些热的问题。上午黄老师也跟大家讲到了电池是一个复杂的电化学反应,在这里可能会相关有SER膜的分解,电极跟电解液的反应,也包括隔膜的熔断这样一些反应的发生。这里有因为正常的充放电反应产生的这种反应热,也有非正常的咱们不期望的一些极化反应产生的极化热,也包含咱们电池本身的一些内阻产生的焦耳热。这些热汇总起来成了咱们电池在充放电过程中表现出来的热量。另外电池在反应的过程中也会有各种气体发生,去年我们在做联盟的时候,也是把热特性这块反成了三个部分,一个是本征热特性和电化学特性耦合研究,本征特性该是说它电池本身的比热容是什么样的状态,它在正常的充放电的时候,它的温升的情况和发热量多大。第二个是电池的边界条件是什么,也就是说一个电池发生这种热失控的促发条件是什么,它的边界在哪系。第二个是次级扩展,也就是说一个电池发生热失控以后,它扩展到第二个电池到第三个电池的扩展行为路径是什么样的,我们知道它路径以后,我们应该采取什么样的措施能够阻断这种路径的传播。第三个是电池的安全性和寿命的耦合,在正常使用的过程当中,我们知道无论前面发生了那么多的安全性事故、起火事故,很多都是在电动汽车使用了一定阶段以后发生的,在那一定阶段以后电池发生了什么样的变化呢,它的交流阻抗是什么样的变化,它的热稳定性、热特性又是一个什么样的变化呢,我们做了这三大方面的系列的研究。这里我简单给了几张片子,一些简单的结果,提了几点,一个是正常使用的时候,大家看到,正常放电的时候,上面一个是绝热条件下,我们可以测到电池在绝热条件下它的绝对的温升是什么状态,而在有外界的温度箱给它冷却的条件下,它的温升又是什么样的状态。我们可以看到电池在放电的过程中它的温度的一些变化情况,通过充电的时候也一样,大家可以看到这样一个变化。那我们就能知道电池其实里面有几个信息,一个是在某一个倍率下,这个电池是否能承受这样的倍率充电,从它的温升已经知道,合适的最大的充电倍率在哪里。第二点,在这个倍率下,你需要什么样的冷却系统,什么样的热管理细节来管理连接整个电池包。

     第二个说一下热失控和热扩展这一块,其实电池热失控分为这样几个阶段,里面我们最关心的是第一个和第三个阶段,第一个阶段关心的是T1,就是电池刚刚发生自己产热的那个点的温度,那叫T1,T3是这个电池发生接近热失控的那个温度。在做的过程当中,我们看到这个图,电池在不同的SOC的状态下,它有不一样的热失控的特性,这个表格,大家看,有没有能看到不同的T3的点不同的T3的温度,也可以测算上,通过模拟仿真和实际的试验结果也得到,不同的热失控的温度点,它传播到另外一个电池,这是我们做的针刺来看电池热扩散的过程,这个电池从一个电池发生热失控的温度,如果是130度,它长过了第二个温度所需要的时间,只有21秒的时间。我们可以看到,只有当电池的这种热失控的温度在260度以上或者接近于这样一个温度的时候,它发生热传播的可能性我们认为它没有或者大大的降低,这也是我们对电池体系本身特性的一个了解。

  第三,寿命循环过程当中电池热特性,大家看到电池在不同的循环周次,它发生热失控的T3点是不一样的,T1点也有不一样的差异,包括它的Tmax的值,这样有助于我们知道电池在电动汽车循环使用的过程当中,什么时候它的电池会处于什么样的热稳定的状态,我们应该在管理它的时候关注哪些点,在维护它的时候应该关注哪些信息。

  刚才讲的主要是从Sell的层级,想让它做成一个好的Pack对对它进行的一些分析,其实在做成一个Pack以后,我们可能更关心的,一方面是电芯,Pack本身的安全性,另外一方面更关注整个系统的可靠性是什么样的。从电池箱、电池包和电池系统这几个层级都有相应的要求。电池箱来说,我们在跟企业的交流当中、测试当中,大家最关心的还是电池箱本身的,一个是它的IP等级,另外一个是防腐蚀的一些能力和抗撞击的机械强度等等这样一些要求。电池系统本身,那就是它的过充过放过流过温等等这样一些安全性的保护功能。

  这个是我们今年5月份新发布的国家标准,关于电池系统的安全性要求的十六项测试目测,里面分为三大类,一类是机械的可靠性,另外一类是环境的可靠性,第三类是BMS的保护功能。简单把里面几个项目跟大家过一遍。先提一下测试规程,因为电池系统今天讲的都是安全的主题,我们在做电池系统测试的时候也是一样,无论在哪一项测试包括对它的出厂检验的时候,都要经过这样的一个流程,在试验具体测试之前和之后,都会非常关心他的电安全的监测,也就是说它的绝缘电阻、绝缘耐压等等这样一些测试,在试验系前和试验后都必须进行,这是保证我们试验的安全、人员的安全一个必备的步骤。

  刚才把三大类都简单提及了,一个是安全保护功能,在电池发生过充或者是过放的时候,我们希望得到的是上面的这样一个图片,电池在某一个拟设定的安全保护的电压值或者是SOC值的点你就应该BMS起作用,及时切断你的系统保护或者至少你得给VCU一个提示,电池已经达到了过充或者过放的境界点。二,我们不希望电池一直处于一个无组织的过充或者过放的状态,直至达到电池红色的警报点。

  机械的可能性在这里面其实非常重要,也是我们测试当中每天必做的一些项目,也是企业非常关心的,因为机械振动,现在其实有几类,一类就是随机的震动,我们国家标准里也是这样的一个要求。另外还有一类是扫频的震动,也有企业在研发过程当中,他会用扫频来找到这个电池系统的共振点,然后再去进行点频的一些疲劳耐久的试验,这是在研发过程当中会经常做的一个试验。机械可靠性另外还有跌落的试验,在EVSGTR里面也提出了这些讨论,主要是针对可移动的电池包,也就是说可能会容易更换或者要经常维护的拿下来更换的电池包,我们要求它必须做跌落试验的。但是上面这个跌落试验其实是针对电池系统的运输箱,也就是说电池从生产厂家运输到使用的整车企业的过程当中,我们也有一些要求,他应该能够承受0.5米的跌落,但是那个跌落是一个常规的监测,也就是说他的测试是可靠性的测试,跌落以后里面的电池系统必须还能够保持正常使用,不能受到任何损坏。另外机械的可靠性的测试还是跟整车的碰撞的安全相关的,这里面有两项一个是下面的这个挤压,也就是说电动汽车发生碰撞事故的时候,电池包本身受到直接的挤压,我们要求它有一定的抗挤压的能力,它能承受一定的挤压里或者能承受一定的形变量。另外跟这个碰撞相关的就是模拟碰撞,也就是说电动汽车在发生碰撞事故的时候,它可能会以一定的加速度行进一段距离,这种情况下咱们电池会不会发生这种,一个是加速度不一致性带来的严重的移位,另外一个是会不会发生电解液泄露、或者起火爆炸这样一些严重的事故。

  还有环境的安全性,举一个例子,环境安全性这块我们做过海水浸泡的试验是其中一个,比如电池泡在水里了,或者车快到大水掩盖路面的时候,这种情况下电池我们是要求它能够不起火不爆炸这样的状态发生,但是实际上我们在做的过程当中也是发现里面有很多的反应发生。另外一个,IP等级的测试这个是我刚才提到的对电池箱的基本要求。对于纯电动车用的电池,目前来说基本上整车的设计都要求达到IP6、7的水准,按这种情况下电池箱在里面浸泡了半个小时以后,仍然保持电池箱里面是不仅水的。所以这上面跟下面两个是完全不一样的测试的项目。

  再提一个环境是烟雾的试验,这两类是不同的环境的测试,左边是连续的96个小时的严苛的烟雾喷淋的试验,右边是阶段性的,比如说2个小时的烟雾喷淋以后,搁置20几个小时,然后再进行喷淋,模拟实际的使用状态,右面那个是我们国标测试的项目,左边这个是一些企业在研发过程当中会经常采用的一些相对来说高于标准的测试评价。

  最后一个是火烧的试验,这个测试规程是我们国标也是EVSGTR法规目前来说引用的这样一个标准,其实ECE R100里也是采用这样的规程,它的目的是保证人员的安全。电动汽车法规里面的一个宗旨,第一条就是保证乘用的安全,其他的都可以暂不考虑。这种情况下,我们做这个试验是模拟在这个车的本身或者车的周围有一些火源而带来潜在危害的时候,电池能够保持3分钟不起火这样一个给乘员3分钟的逃生时间。这是目前来说我们做的试验比较多的项目,但是在企业开发的过程当中,还有一个项目也是经常做的,火烧,20分钟的火烧,那个火烧的目的跟这个是不一样的,这个宗旨就是为了保证乘员的安全,而那个保证的有他周边的安全,比如说那个试验的目的是要让电池一定要着火,在着火以后再持续至20分钟,如果电动汽车已经着火了,这个时候得保证他周围的人员和财产,甚至是包括来救援的消防人员的安全,也就是说在这种情况下你起火可以,但是绝对不能爆炸,发生这种大面积的伤害,这个是对电池的另外一个要求。这个长时间火烧,我们在国际的EUSGDR法规里也讨论了好几轮,刚开始我们和美国也包含加拿大的一些专家,都认为它应该也是放在里面去讨论的,考虑把它作为一个国际法规。但是最后是根据最初的宗旨是保证乘员的安全,目前还没有把它最终放在里面,还处于一个讨论的阶段。

     我们还是这样的一个想法,我们做电池测试联盟的时候也是这样的想法,因为上午黄老师也提了,电池本身它是一个不稳定的物体,它是一个电化学反应的物质,所以它存在着很多不确定性,这种情况下我们希望对电池本身来说,需要他有一些最基本的安全等级的要求,在个基础上我们通过各种手段,包括今天各位专家跟我们分享了这些监测或者是分析的方法,我们去全面了解电池的优点缺点,它的一些安全的边界条件,它的短板,通过集成设计的过程当中,我们增加这些保护,在全面了解它的特性以后,通过辅助的一些手段,然后形成一个最终性能也相对比较完美,也能够保证整个系统安全运行的电池系统,把它用多电动汽车上,这也是我们今天在这里讨论这个话题的一个目的。

     特别高兴能跟大家一起分享,谢谢大家。

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