中汽中心王芳博士：測試評價(jià)須貫穿動(dòng)力電池全生命周期
11月18日-20日，第九屆動(dòng)力電池應用國際峰會(huì )(CBIS2024)在中國上海舉行。本屆峰會(huì )以“向新·融合——開(kāi)創(chuàng )產(chǎn)業(yè)合作新時(shí)代”為主題，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì )聯(lián)合電池中國網(wǎng)共同主辦，廣東利元亨智能裝備股份有限公司總冠名。
在18日下午舉行的“逸飛激光專(zhuān)場(chǎng)：先進(jìn)電池技術(shù)及應用”主題論壇上，大會(huì )主席/中國汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司首席科學(xué)家/動(dòng)力電池應用分會(huì )專(zhuān)家委員會(huì )副主任委員王芳博士，作題為《在役動(dòng)力電池全生命周期先進(jìn)測試技術(shù)》主旨發(fā)言。
以下是王芳博士主旨發(fā)言?xún)热荩?/p>
非常感謝，我的報告主要分為四部分的內容。我們首先看一下動(dòng)力電池的綜合評價(jià)體系。
對于動(dòng)力電池來(lái)說(shuō)貫穿了動(dòng)力電池全生命周期，在從電池的研發(fā)設計開(kāi)始到研發(fā)生產(chǎn)當中的材料選型，相應的反應機制到生產(chǎn)制造，再到實(shí)際的產(chǎn)品下線(xiàn)，到用車(chē)和全生命周期的使用，再到回收的環(huán)節，也就是說(shuō)退役再生的環(huán)節。
整個(gè)全生命周期都離不開(kāi)測試評價(jià)技術(shù)的發(fā)展，今天和大家交流只涉及到從生產(chǎn)線(xiàn)下線(xiàn)以后到使用的全生命周期。
首先第一在正常電動(dòng)汽車(chē)使用的環(huán)節，電動(dòng)汽車(chē)到目前為止的全球保有量和整個(gè)產(chǎn)銷(xiāo)量已經(jīng)到了很高的級別，隨著(zhù)這么多年的快速發(fā)展和經(jīng)驗的積累，動(dòng)力電池在這個(gè)階段的測試評價(jià)和應用，從原來(lái)最開(kāi)始對于電池電壓、內阻等等的常規性能的評價(jià)到了結合氣體、壓力、膨脹力、內阻等等綜合性能的多參數、多維度的綜合評價(jià)過(guò)程。
在這個(gè)過(guò)程當中很多的測試技術(shù)也會(huì )用到對于載用車(chē)健康狀態(tài)的評價(jià)上，包括與管理系統連用的交流阻抗的測評，包括析鋰熱力，就剛才說(shuō)的膨脹力等等和電池在全生命周期循環(huán)過(guò)程當中鋰枝晶的損失，活性鋰的損失，鋰枝晶的生長(cháng)以及ICR膜的閉環(huán)等等關(guān)聯(lián)關(guān)系。
大家會(huì )用這個(gè)方法綜合的去開(kāi)展，對電池的全生命周期的健康狀態(tài)的評估和安全預警、故障診斷等等一些工作。
去年相關(guān)部委當時(shí)又交給我一個(gè)這樣的課題，電動(dòng)汽車(chē)到了這個(gè)階段大家關(guān)心這樣幾件事：
第一，年檢，每年電動(dòng)汽車(chē)要檢測什么，最主要最關(guān)鍵的就是動(dòng)力電池的健康狀態(tài);
第二，保險，保險公司會(huì )非常在意對電動(dòng)汽車(chē)的保險定價(jià)和理賠怎么確定、診斷;
第三，二手車(chē)交易時(shí)電池的健康度是怎樣的，二手車(chē)定價(jià)的依據是什么。
所以去年交給我這樣一個(gè)課題我們團隊通過(guò)結合以前經(jīng)驗的基礎數據，用大半年的時(shí)間給出了一個(gè)答案，我們研制了一些裝置，你要想做剛才說(shuō)到的幾件事無(wú)論年檢、理賠、二手車(chē)交易我們不可能把電池把從車(chē)上拆下來(lái)，所以對在役的電池來(lái)說(shuō)我們要想準確的評估它的健康度，有兩個(gè)必要的條件：
1，高質(zhì)量數據的獲取，我們能夠高質(zhì)量的拿到本身表征電池的數據，相當于人體檢一樣能夠高質(zhì)量獲取人體的參數;
2，高精度的模型。
高質(zhì)量的數據和高精度模型的結合才能夠得到高準確度電池的健康狀態(tài)，這是我們去年做的一件事，我們研制了一個(gè)小的裝置在車(chē)上可以通過(guò)充電樁也可以同時(shí)應用，通過(guò)五分鐘充放的過(guò)程，可以根據相關(guān)的模型快速的得到相對較高健康度的評價(jià)。
這實(shí)際上是我們目前做的比較多的對再役電池健康狀態(tài)的評價(jià)，也是未來(lái)一段時(shí)間里大家會(huì )非常關(guān)心的，也應用比較多的。我們目前這個(gè)裝置已經(jīng)投入保險、物流、二手交易的平臺，有大量裝置跟它合作。
在這個(gè)過(guò)程中隨著(zhù)檢測技術(shù)的發(fā)展，大家看檢測技術(shù)對在役電池來(lái)說(shuō)與AI技術(shù)、數字化、軟實(shí)力結合比較多一點(diǎn)，這種情況下我們會(huì )關(guān)注到一個(gè)焦點(diǎn)就是智能的發(fā)展。
前一階段像歐盟Battery2030的規劃和韓國2030K-Battery計劃里都明確提到智能電池的概念，我們中國做電池路線(xiàn)圖時(shí)不能忽略的是智能電池的概念，雖然說(shuō)智能電池可能涉及到很多方面的內容，比如本身智能化材料的應用是一方面，第二是智能傳感的手段在電池內的應用和跟電池產(chǎn)品的結合。
這在實(shí)際應用過(guò)程中還有很多問(wèn)題需要我們解決，比如傳感器本身的可靠性，比如它對電池的性能有可能帶來(lái)的影響或者電池對它可靠性的破壞，這些都是需要一段時(shí)間解決、提升的一些問(wèn)題。但我們不能忽略的是，在未來(lái)這種測試的手段里，一些智能的測試技術(shù)、裝置和產(chǎn)品本身的結合，也就是我們未來(lái)智能測試技術(shù)在先進(jìn)產(chǎn)品里的應用。
第三，想跟大家分享下我們對車(chē)上應用電池到一定階段過(guò)程中，它必然伴隨著(zhù)生老病死的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程里不能忽略的是比較常態(tài)化應用常規典型的場(chǎng)景，比如機械外部的破壞，最典型的就是底部的傷害。
其次是快充，大家近些年對快速補能的需求越來(lái)越迫切，超充、閃充的技術(shù)越來(lái)越多，明天后天我們在太原還有一個(gè)充電聯(lián)盟的會(huì )也會(huì )聊到這些話(huà)題。
然后是自燃。在這種情況下，我們可以看到無(wú)論是哪一種破壞，在這個(gè)過(guò)程當中都會(huì )伴隨著(zhù)熱和電，損傷，這種損傷積累到一定程度以后就會(huì )帶來(lái)電池內部的結構損傷失點(diǎn)的產(chǎn)生，以及到后期有可能失控和致災的發(fā)生。
我正好結合GB38031這個(gè)標準，正好今年修訂，前一階段剛剛報批，標準修訂里面也是重點(diǎn)關(guān)注這三個(gè)典型的場(chǎng)景，是這個(gè)標準里最關(guān)鍵的三個(gè)修訂點(diǎn)。我們團隊和行業(yè)專(zhuān)家一起做了非常多的實(shí)驗。結合這個(gè)和大家談一下在實(shí)際使用過(guò)程當中損傷累計產(chǎn)生的典型狀態(tài)。
一類(lèi)是底部破壞。
在分析前一階段實(shí)際應用過(guò)程當中，發(fā)生的一些和外部的破壞相關(guān)的事故形態(tài)，我們可以看到對于電池的底部甚至損傷有幾種類(lèi)型：凹坑型、劃痕型、IP等級破壞的破損型。這些形態(tài)為了更好的復現它，行業(yè)有很多做各種類(lèi)型的，根據自己的車(chē)型定位和有可能應用的場(chǎng)景做各種類(lèi)型的異型物的破壞實(shí)驗。比如說(shuō)鐵軌、井蓋、停車(chē)位上的三腳架等等去看這種情況下對于車(chē)身的底部損害。
我們把它做了一種總結，這些形態(tài)都是實(shí)驗室給企業(yè)做過(guò)的實(shí)驗，包括還有模擬從馬路牙子下來(lái)等等這樣的形態(tài)。這上面是實(shí)際的這些場(chǎng)景，下面是我們實(shí)驗室模擬的動(dòng)態(tài)，有可能是直接從異形物上蹭過(guò)去，還有一種可能是從臺階上下來(lái)的時(shí)候逐步有刮蹭的形態(tài)。這個(gè)是前一階段車(chē)輪打到井蓋，井蓋又彈上去打到底盤(pán)電池包位置的狀態(tài)。
這些形態(tài)分為幾大類(lèi)：但是我們在做標準的時(shí)候，我們要求的是你們把所有的形態(tài)都涵蓋在內，我們必須要把所有形態(tài)的共性提取出來(lái)，制定一個(gè)共性化的標準，我們總結了一下大概會(huì )為兩大類(lèi)：
一類(lèi)從前到后的刮蹭，這種刮蹭破壞除了在上面的點(diǎn)，從異型物接觸到電池包的第一點(diǎn)，會(huì )形成一個(gè)凹坑會(huì )有一個(gè)比較大的傷害，緊接著(zhù)在后面會(huì )有一個(gè)長(cháng)段的劃痕。
在這個(gè)過(guò)程當中我們需要考慮整個(gè)過(guò)程對電池內部損傷的形態(tài)，我們在這次GB的標準里沒(méi)有把它寫(xiě)進(jìn)去，但是在GB18384電動(dòng)汽車(chē)安全的標準里會(huì )考慮這個(gè)，現在正在討論那個(gè)標準明年會(huì )報批大家可以關(guān)注下。
第二個(gè)形態(tài)就是類(lèi)似于碎石的沖擊，會(huì )在某個(gè)地方形成定點(diǎn)的損傷，這種損傷會(huì )跟沖擊力和嵌入的深度有關(guān)系，這個(gè)寫(xiě)進(jìn)了GB38031的修訂稿，模擬當電池在150J損傷的情況下還能正常使用，這是我們考慮的一些狀態(tài)。
第二就是充電。這是我們選了國內典型的電池，使用它給企業(yè)承諾的快充的倍率進(jìn)行快充，隨著(zhù)快充倍率循環(huán)次數的增加，它的容量有明顯的衰降，而它的內阻也明顯增加，我想道理非常簡(jiǎn)單，因為在快充過(guò)程中隨著(zhù)鋰離子負極嵌入的過(guò)程中，長(cháng)間距也在逐漸增大，而且在內部尤其在負極表面邊緣區域能夠看到鋰的沉積和鋰枝晶生長(cháng)的過(guò)程。
這種過(guò)程中我們也能夠看到晶格和它熱穩定性的變化，我們看它T1的溫度點(diǎn)明顯有一個(gè)前移，所以當電池循環(huán)到一定周次后它的安全性跟初期相比某些安全性會(huì )有下降，但我們既然承諾了消費者能夠快充也就意味著(zhù)全生命周期快充的，這種情況下意味著(zhù)循環(huán)到末期快充也不能出安全問(wèn)題。
所以國家標準里增加了這樣一條就是循環(huán)300次后，我們算了下大概有10萬(wàn)公里的里程，循環(huán)后再做短路我們要求也不能起火和爆炸，這是基本的要求。
第三是加熱，加熱有很多有外部的火源也有內部的，當做加熱時(shí)我們前幾年的國標里大多做的是PACK熱擴散的實(shí)驗，但我們從今年開(kāi)始會(huì )陸陸續續的把重點(diǎn)關(guān)注到整車(chē)的熱擴散上，這可能是最接近實(shí)際使用的狀態(tài)。
所以今年的修訂里重點(diǎn)的地方是把整車(chē)方案寫(xiě)進(jìn)國標里面具體怎么做實(shí)驗。大家可以看到我們在做的時(shí)候，里面會(huì )有很多的溫度探測點(diǎn)和煙霧探測點(diǎn)，意味著(zhù)對于整車(chē)來(lái)說(shuō)除了要求電動(dòng)汽車(chē)當一個(gè)電芯發(fā)生熱失控的時(shí)候，不能熱擴散、起火爆炸以后，按道理我們內部的溫度也不能超過(guò)對人員的傷害的極限溫度，以及煙氣不能在短期內進(jìn)入到乘客艙，比如說(shuō)5分鐘之內。
在這個(gè)過(guò)程當中，除了我們關(guān)心最簡(jiǎn)單的會(huì )不會(huì )著(zhù)火之外，大家關(guān)注更多的是對人體的健康和安全的考量，所以到了最后一點(diǎn)就是危害。
電池無(wú)論是發(fā)生熱能量的傷害以后，最關(guān)心的是人員安全的問(wèn)題。在前期對于當發(fā)生失控，從健康到損傷產(chǎn)生再到失效，我們再看失控的環(huán)節。
我們希望我們車(chē)有正常的報警，另外不能有煙氣過(guò)高的溫度，比如說(shuō)48度，超過(guò)人體損傷能夠承受的溫度到達乘客艙的位置。
除了這個(gè)以外，我們非常關(guān)心的有一些體系的電池失控以后，燃爆極限和有可能產(chǎn)生的安全風(fēng)險等級。
最后提一點(diǎn)，我們在做這個(gè)過(guò)程當中，這個(gè)也是我們團隊剛剛研制的裝置，可以同時(shí)把電池從損傷產(chǎn)生到失效失控的全過(guò)程，把一氧化碳、氫氣、溫度、電壓、膨脹力等等9個(gè)參數同時(shí)進(jìn)行測試，去看它在全生命周期損傷產(chǎn)生的過(guò)程中，內部特性的變化和外在性能的表現直接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，更好的評價(jià)電池從健康到損傷產(chǎn)生，到失效失控全過(guò)程的變化。
也希望以后有機會(huì )可以和大家有更多的機會(huì )做交流，我自己本人平時(shí)在天津比較多一些，我們科研的內容會(huì )在天津多一些，但是在廣州、武漢、常州也有基地、也有相應的實(shí)驗室，也歡迎和大家有更多的互動(dòng)和交流，謝謝大家。
(以上為嘉賓演講內容速記，未經(jīng)嘉賓核對)
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