2015年1-9月，中國新能源汽車?yán)塾?jì)生產(chǎn)15.62萬輛，其中純電動(dòng)車增長速度非常快。不過，新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不能光看規(guī)模，更應(yīng)看重推動(dòng)這一產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵要素之動(dòng)力電池技術(shù)。
事實(shí)上，中國電動(dòng)汽車動(dòng)力電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)整體不錯(cuò)。從科技部電動(dòng)汽車重點(diǎn)專項(xiàng)起步開始推動(dòng)動(dòng)力電池的研發(fā)，當(dāng)時(shí)主要是鎳氫電池和錳酸鋰電池，到后來磷酸鐵鋰電池支撐著電動(dòng)汽車的發(fā)展，如今業(yè)內(nèi)研發(fā)重點(diǎn)又轉(zhuǎn)向了三元鋰電池。
在全國政協(xié)常委、國家“863”計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目總體專家組組長、清華大學(xué)教授、“中國電動(dòng)汽車百人會”執(zhí)行副理事長歐陽明高看來，今年三元鋰電池的比能量預(yù)計(jì)將達(dá)到180Wh/kg。
隨著下游應(yīng)用要求的提高及技術(shù)的進(jìn)步，鋰電池比能量將逐步上升，美國能源部預(yù)計(jì)今后5-10年，也即是到2025年，單體到達(dá)大約350-400 Wh/kg左右;真正到系統(tǒng)，可能在250Wh/kg。而這，也將是鋰電池所能達(dá)到的性能極限。
根據(jù)國外的趨勢，中國2020年高比能量電池目標(biāo)也是要達(dá)到300Wh/kg，壽命1500次，系統(tǒng)比能量大約210Wh/kg(比現(xiàn)在約提高1倍)。在邁向高比能量鋰電池的過程中，動(dòng)力電池比能量提高，續(xù)駛里程上升，且成本有所下降，屆時(shí)電動(dòng)汽車將可以與燃油車競爭。
當(dāng)一切朝著所有人的預(yù)期方向發(fā)展時(shí)，有一點(diǎn)卻必須引起高度重視：經(jīng)預(yù)測判斷，未來幾年動(dòng)力電池比能量的確會逐步上升，但安全性并沒有隨之提升。
深諳技術(shù)的人想必都清楚，動(dòng)力電池比能量越高，安全性面臨的挑戰(zhàn)越大。而一旦動(dòng)力電池缺乏安全性，一切研究都將變得毫無意義。所以，在業(yè)內(nèi)致力于提高動(dòng)力電池比能量的同時(shí)，務(wù)必將安全性列為重點(diǎn)研究對象。
幸好不少動(dòng)力電池與整車企業(yè)已開始意識到這一問題。
在今年11月20-21日即將舉行的2015廣州國際電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)高峰論壇上，歐陽明高等業(yè)內(nèi)權(quán)威專家，比亞迪、廣汽集團(tuán)、北汽新能源、宇通客車、上汽集團(tuán)等國內(nèi)領(lǐng)先新能源車企，寧德時(shí)代新能源(CATL)、中航鋰電等國內(nèi)第一梯隊(duì)動(dòng)力電池企業(yè)，將共聚一堂商議新能源汽車產(chǎn)業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)的“突圍”之策。
尤其值得一提的是，動(dòng)力電池安全性是上述會議的重要議題之一。一直在動(dòng)力電池產(chǎn)品上注重安全性且產(chǎn)品經(jīng)過實(shí)踐考驗(yàn)的CATL將在會議上與業(yè)內(nèi)分享“決定動(dòng)力電池系統(tǒng)性安全風(fēng)險(xiǎn)的若干因素”，將有益于推動(dòng)整個(gè)行業(yè)重視動(dòng)力電池安全性。
事實(shí)上，動(dòng)力電池安全性問題概括起來叫“熱失控”，也就是到達(dá)一定的溫度之后，就不可控了，溫度直線上升，然后就會燃燒爆炸。而過熱、過充、內(nèi)短路、碰撞等是引發(fā)動(dòng)力電池?zé)崾Э氐膸讉€(gè)關(guān)鍵因素。
在CATL與業(yè)內(nèi)分享安全及防護(hù)創(chuàng)新技術(shù)之前，下文將結(jié)合歐陽明高的觀點(diǎn)，先針對引發(fā)動(dòng)力電池安全問題的幾個(gè)要素分別提出應(yīng)對之策：
(1)過熱觸發(fā)熱失控
導(dǎo)致動(dòng)力電池過熱的原因來自于電池的選型和熱設(shè)計(jì)的不合理，或者外短路導(dǎo)致電池的溫度升高、電纜的接頭松動(dòng)等，應(yīng)該從電池設(shè)計(jì)和電池管理兩個(gè)方面來解決。
從電池材料設(shè)計(jì)角度，可以開發(fā)來防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應(yīng);從電池管理角度，可以預(yù)測不同的溫度范圍，來定義不同的安全等級，從而進(jìn)行分級報(bào)警。
(2)過充電觸發(fā)熱失控
今年的一起純電動(dòng)大巴起火事件原因就在于“過充電觸發(fā)的熱失控”，具體則是電池管理系統(tǒng)本身對過充電的電路安全功能缺失，導(dǎo)致電池的BMS已經(jīng)失控卻還在充電導(dǎo)致的。
針對這類過充電的原因，解決辦法首先是查找充電機(jī)的故障，這可以通過充電機(jī)的完全冗余來解決;其次是看電池管理合不合理，比如說沒有監(jiān)控每一節(jié)電池的電壓。
值得注意的是，隨著電池的老化，各個(gè)電池之間的一致性會越來越差，這時(shí)過充就更容易發(fā)生。這需要進(jìn)行整個(gè)電池組的均衡，來保持電池組一致性。
比如采用“先并后串”這一最常見電池組組合方法的串聯(lián)的電池組，在解決單體一致性問題后，最好的情況是擁有與最小容量的單體一樣大的容量。有了這個(gè)一致性之后，容量回升了，同時(shí)也能防止過充。
為了實(shí)現(xiàn)一致性，必須有一種方法對各個(gè)單體進(jìn)行容量估計(jì)。歐陽明高建議，可以根據(jù)充電曲線的相似性來進(jìn)行全體電池組狀態(tài)的估計(jì)。
也即是說，只要知道了其中一個(gè)單體電池的充電曲線，其他的曲線應(yīng)該跟它是相似的。經(jīng)過曲線變化，它們可以近似重合，曲線變化的過程中間的這些差異就很容易計(jì)算。根據(jù)一個(gè)單體可以推算出其他的單體。有了這樣的方法，就可以進(jìn)行上文提到的一致性的均衡，當(dāng)然這種算法的時(shí)間過長，需要進(jìn)行簡化。
(3)內(nèi)短路觸發(fā)熱失控
波音787客機(jī)曾因電池爆炸起火。在查找事故原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)電極和隔膜上有金屬物，產(chǎn)生了內(nèi)短路。雖然專家無法100%確認(rèn)熱失控是由內(nèi)短路觸發(fā)的，但它是最可能的原因，因?yàn)檎也坏狡渌颍覂?nèi)短路沒辦法“浮現(xiàn)”。
電池制造雜質(zhì)、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等都有可能造成內(nèi)短路。這種內(nèi)短路是緩慢發(fā)生的，時(shí)間非常長，而且不知道它什么時(shí)候會出現(xiàn)熱失控。若進(jìn)行試驗(yàn)，無法重復(fù)驗(yàn)證。目前全世界專家還沒有找到能夠重復(fù)由雜質(zhì)引起的內(nèi)短路的過程，都在研究當(dāng)中。
要解決內(nèi)短路問題，首先要找到產(chǎn)品品質(zhì)好的電池廠商，選擇電池及電池單體容量;其次對內(nèi)短路進(jìn)行安全預(yù)測，在沒有發(fā)生熱失控之前，要找到有內(nèi)短路的單體。
這意味著必須要找到單體的特征參數(shù)，可以先從一致性著手。電池是不一致的，內(nèi)阻也是不一致的，只要找到中間有變異的單體，就可以將其辨別出來。
具體而言，正常的一個(gè)電池的等效電路和發(fā)生了微短路的等效電路，方程的形式實(shí)際上是一樣的，只不過正常單體、微短路的單體的參數(shù)發(fā)生了變化。可以針對這些參數(shù)來進(jìn)行研究，看其在內(nèi)短路變化中的一些特征。
其中特征之一就是內(nèi)短路單體的電勢差，比較其內(nèi)阻跟其他單體的差異。歐陽明高提出，研發(fā)人員要利用模型來進(jìn)行單體的辨識。在測出每個(gè)單體的電壓、電流后，利用這些數(shù)據(jù)再結(jié)合模型，就可以把每個(gè)單體的內(nèi)阻預(yù)估出來。再把單體的參數(shù)全部預(yù)估出來后，根據(jù)參數(shù)的變化，便可以判斷其一致性是否發(fā)生了顯著性變化。
(4)機(jī)械觸發(fā)熱失控
碰撞是典型的機(jī)械觸發(fā)熱失控的一種方式。特斯拉屢次發(fā)生起火事故就是這個(gè)原因。歐陽明高透露，清華大學(xué)跟MIT共同合作對特斯拉在美國的碰撞事故進(jìn)行過分析。如果在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行碰撞的一個(gè)仿真，最接近的是針刺。
歐陽明高還表示，通過對三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池進(jìn)行針刺試驗(yàn)，研究熱失控過程，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池在這個(gè)熱失控過程中沒有三元鋰電池放熱表現(xiàn)的那么劇烈。實(shí)驗(yàn)表明，不同的材料在針刺的時(shí)候會有不同的反應(yīng)，，磷酸鐵鋰相對安全。
“所以到現(xiàn)在為止，仍然堅(jiān)持在大客車上主要使用磷酸鐵鋰電池，暫時(shí)還不宜大規(guī)模使用三元鋰電池，尤其對12米大客車。”歐陽明高如此說道。
解決碰撞觸發(fā)熱失控的辦法就是做好電池的安全保護(hù)設(shè)計(jì)。而這需要研發(fā)人員先了解熱失控的發(fā)生過程。
一般而言，熱失控發(fā)生之后，會往下傳播。比如第一節(jié)熱失控之后會有傳熱，開始傳播，然后整組像放鞭炮似的一個(gè)一個(gè)接下來。針對這種傳播，可以建立一個(gè)模型，包含中間溫度升高率、化學(xué)能電能的產(chǎn)熱、傳熱對流等。整個(gè)熱電耦合的模型，可以用量熱儀來做一個(gè)相關(guān)的定量分析。
有了傳播模型，研發(fā)人員可以設(shè)計(jì)如何來阻斷和抑制，這需要加隔熱層。但是，加隔熱層并不簡單，一方面加厚了體積大，另一方面隔熱層跟冷卻又是矛盾的。這些都是需要解決的問題。
總之，在熱失控?cái)U(kuò)展和抑制方面，研發(fā)人員要從安全保護(hù)設(shè)計(jì)和電池管理兩個(gè)方面著手。
