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天津力神王念舉:打破動力鋰電池安全“死穴”

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年03月30日  

“電池安全和新能源汽車安全,不僅僅是行業痛點,甚至可以說是死穴。”


在一月初舉辦的2020電動汽車百人會上,天津力神電池股份有限公司常務執行副總裁王念舉這樣說道,在題為“動力鋰電池安全技術研究與市場化”的主題演講中,他具體闡釋了力神關于動力鋰電池安全技術的研究和產業化進展。


天津力神電池股份有限公司常務執行副總裁王念舉


汽車的電動化、智能化、網聯化、共享化發展已經成為行業共識,在這種變革中,安全、續航、充電便捷、全天候使用都是目前電動化過程中面對的挑戰,而這些挑戰,都具體落地到了關于電池技術的在安全、能量密度、充電速度、寬溫范圍上的要求。


王念舉的判斷是,目前電動汽車電池系統比作2007年手機電池,2007年蘋果公布了第一款智能手機,作為蘋果的手機電池的供應商,力神有非常深刻的理解認識。


“當時正常的手機電池,3美金就算很高了,但是蘋果的電池要8美金、9美金。當然目前成本是降下來了。”價格高的很大一個原因是,蘋果在電池管理系統上做了好多工作。


而關于動力鋰電池電芯來講,目前則相當于2012年左右的手機電池的電芯。彼時,行業在拼命想提高續航,拼命在提高能量密度,把隔膜降得非常薄,甚至從9往7降,再往5降。


從產業發展來看,動力鋰電池用了10年的時間,相當于手機電池走過了30年的時間,王念舉的判斷是,未來一段時間內,動力鋰電池能量密度會有一定提升,但將很快達到技術上的天花板。


然而,從消費者角度來講,追求能量密度,追求續航里程還是不變的要求,提高能量密度是行業的宿命,也是這個行業之所以難的一個重要原因。


與此同時,考慮到降成本的壓力,目前不少公司把電池單體做得非常大,甚至三元材料做到200Ah左右,假如一旦失控,電池包會燒車。安全問題假如處理不好,會給新能源行業帶來災難性后果。


事實上,隨著近年來三元電池裝機量新增,目前的乘用車裝機量三元電池的比例已經達到80%以上,而隨著能量密度提升,安全問題爆發頻率也在攀升,2019年各種媒體的報告已經有90多起,動力鋰電池的安全形勢非常嚴峻。


從目前電動汽車熱失控的發生場景來看,靜置、充電、行使過程中這三類大概占30%左右,剩下的10%是在碰撞、進水造成的。因此,如何保障動力電動汽車在全生命周期不同場景下的安全性研究,是行業面對的首要問題。


從力神的相關經驗來看,王念舉介紹,2018年到目前,力神總共配套乘用車是11萬套,其中,高鎳體系圓柱型21700配套3萬多套,到目前為止是零失效。方型三元電池裝機輛38550輛,到目前為止也沒有熱失控發生。


這背后,與力神在安全防護領域的研發和產業化投入密不可分。


從系統設計來講,力神有六大關鍵技術,包括BMS控制技術、熱管理技術、仿真分析以及測試驗證的技術、輕量化技術、快充技術、以及熱安全技術。


影響熱安全的重要是四點,機電熱化,“機”是機械設計,“電”是電子電氣的安全設計,“熱”是分布不均勻,剛開始一致性還行,隨著電池內部的不均勻,越來越加大,到最后跟化學都是直接相關的。


包括底盤撞擊,車撞擊完了,可能沒有什么事情,消費者還可以開,但是過一天,或者半天之后著了,在撞擊過程中已經擠到隔膜,造成了一些損害,但是當時看不到,因此影響電池重要的是機電熱化這四部分。


因此,在做系統研究的時候,要針對機電熱化多維度、多層次的熱安全解決方法。


從動力鋰電池系統熱安全技術上講,撞擊,電氣(比如高壓、低壓、快充)都可能轉化到化學反應,造成電池內部化學反應。因此,電池熱安全技術是非常非常關鍵的,重要集中在電芯。


可以做的是這個過程中通過多元參量耦合探測技術,SOH,SOE,SOF,包括內阻的變化,去探測它。提前10分鐘、20分鐘,可以給整車有非常明確的反饋信號,這樣就可以防止,而一旦熱失控,只能主動或者被動的去進行消防,去進行撲滅。


從電子電氣系統的安全設計來講,力神基于ISO26262的標準,優選BMS,優選ASIL-C/D安全芯片,硬件層面上采用適度的冗余設計,建立故障容錯機制,在軟件層面,采用AUTOSAR軟件架構,根據安全需求分解,制定全方位的安全診斷機制,采用多極故障報警處理恢復機制。


按照力神的技術路線規劃,從電子電氣系統安全的特性來講,2020年力神將側重于電芯安全以及高壓安全故障診斷,BMS系統功能安全ASIL-C/D(乘用車選C級),SOC/SOP全生命周期寬溫度范圍估算精度提升(原先是10%、后來是5%、今年要達到3%)。


2021年是側重于電芯安全及高壓安全故障管理及預測,智能能量管理、維護保養、預約管理,車聯網智能駕駛應用,電池壽命周期耐久性管理。


到2023年側重BMS及整車控制器的高度集成管理,BMS系統信息安全,云平臺大數據深度學習修正,新型電池智能管理。


從動力鋰電池系統安全性能的市場化推廣應用來講,王念舉建議,要從新能源車,整車需求側,動力鋰電池供應側分別進行,形成基于整車一體化的面向設計安全,制造安全,應用安全,維護安全,以及回收利用,或者說報廢安全的完整安全性的設計鏈。


與此同時,安全改善是一個持續過程,從正向安全設計的同時,反向分析也非常關鍵,特別是不同使用程度的電池,推移電池安全性的差異,從材料分析,從結構與電路的分析進行持續改善。


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