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动力电池提升能量密度的面临的安全挑战及技术实践
文章来源:未知      发布者:admin

        国家863电动车重大专项动力电池测试中心主任王子冬曾就动力电池能力密度问题表示,电池能量密度不是单纯指电芯级别的能量密度,而应该是电池组级别的,是系统的能量密度,相关标准也已经提高到系统层面。那么该如何提升动力电池系统能量密度?又如何防范能量密度提升后面临的安全风险呢?

        动力电池提升能量密度的三大路径

        一、提升轻量化水平 间接提高动力电池能量密度

        以前新能源汽车生产企业多采用钢材料制作电动汽车动力电池托盘,现在很多企业都在以铝合金材料为主。铝合金的密度为2.7 g/c m3,无论在压缩还是焊接等方面,铝合金材质都已非常优秀。而镁合金的密度为1.8 g/ c m3,碳纤维是1.5 g/ c m3,这些材料用来生产电池托盘,将可以极大地提高新能源整车的轻量化水平。王子冬认为,轻量化技术仍在不断发展中,未来也将有更多轻量化材料问世。他表示,不仅应研究电池托盘材质的轻量化,从动力电池单体到系统,都要考虑材质的轻量化问题,这样才能最大限度地提高动力电池的能量密度。

        轻量化需要减轻配件重量,但不能降低配件的强度,因此材料的坚固性需要考虑。另外,采用更轻的材料,将会面临成本上涨的问题。因此在动力电池成本还未大规模下降的情况下,实现整车轻量化的当务之急是研发出更可靠、经济的轻量化材料。2016年,沃尔沃表示,如果将目前的电动汽车电池全部更换成新型轻量化材料,可以降低车重超15%,而且材料成本更低也更为环保。

        二、纠结铁锂还是三元 不如布局硅碳负极

        作为国内两大主流技术路线,近些年磷酸铁锂和三元材料的能量密度都有所提升。由于三元的能量密度更高,而补贴政策又更倾向于高能量密度产品,因此各大电池企业都将三元电池作为公司下一代产品的主力。但比亚迪股份有限公司总经理沈晞认为,虽然三元和铁锂两者在单体能量密度方面相差较大,但在成组后的系统能量密度方面相差无几,在成本和电池储存难度上也无较大差异。所以沈晞建议企业在提升动力电池能量密度的规划上,可以考虑从动力电池负极材料入手,在量产产品中应用硅材料(如氧化亚硅负极材料等),从而提升电池组的整体能量密度。

        三、更改电池尺寸提升系统能量密度

        更改电池尺寸依然是提升电池能量密度的有效方式。虽然特斯拉选择18650技术路线成功吸引了国内众多动力电池企业的追随,但由于18650电芯单颗容量小,普遍在2-4Ah左右,串并联数量太多,单体失效风险概率较大,导致其在主流新能源乘用车和客车领域的应用受到一定限制。2017年,率先使用18650电池的特斯拉将目光转向了21700电池并已经实现量产。据特斯拉CEO马斯克介绍,当使用21700电池的Model 3汽车上市之后,将会重新审核是否选用21700电池制造Model S和Model X型号汽车。一旦审核通过,21700电池很有可能全面替代特斯拉汽车上的18650电池。据了解,特斯拉采用21700电池后,由于同等能量下,所需电池的数量减少约1/3,这将带来整个Pack内部金属连接件数量的减少,从而进一步降低电池Pack的重量,整车的能量密度将得到部分提升。而这种方式也为国内18650电池企业在提升能量密度和降成本方面提供了参考。据了解,目前国内18650电池企业基本上都对特斯拉的方式表示认可,并且也在进行相关布局。
       
        同样,对于软包和方型电池而言,改变尺寸也可以从一定程度上提升系统能量密度。

        防范动力电池能力密度提升后的风险

        针对动力电池的热失控风险,目前已经有成熟的探测预警技术——“锂离子电池热失控模型”,可以在极早期阶段、根据极细微的表现征兆进行监测预警,发现热失控的危险进行防范处理。

        “锂离子电池热失控模型”为横向、纵向、垂向三维,纵向为多传感器的数据冗合,即对多组同环境下的传感器数据进行多次拟合,模拟不同材料、不同环境的数据表征曲线,可靠准确的判断火情阶段;横向为对传感器的历史数据进行连续时间算法,排除噪声干扰,有效解决了传统的阈值法监测方式的漏报、误报、预警滞后问题,实现早期可靠预警;垂向采用穿刺、钝针积压等不同方法模拟不同类型不同容量动力电池热失控过程。

        通过三维融合,用数学手段,以大量实验及真实运行数据为基础,归纳热失控导致的各种变量之间的内在关系,采用神经学原理,形成极早期、高可靠、自运行的“锂离子电池热失控模型”,实现电池火灾隐患的早期预警和智能控制。

        大量实车运行中发生的预警实例证明了此模型的有效性和先进性。

        实例一

        2017年3月12日,**公交公司3路纯电动公交3号电池箱报2级预警(安全隐患等级),驾驶员及时上报公司,并停止运行。采集数据分析,其他箱体电池气体含量和变化率正常,3号电池箱气体含量和变化率明显高出。判定为电池危险气体超标,可能为电池漏液导致。后经公交公司、车企、电池企业协同努力,拆箱检查,证实为电池漏液。更换电池,不再报警。

        实例二

        2017年3月16日,**交运公司某纯电动公交4号电池箱报2级预警,驾驶员描述,第一次2级预警16年12月份,拆箱后报警消失;第二次预警17年2月份,拆箱后报警消失。本次是第三次预警。交运公司高度重视,协调报警系统厂家、电池企业、车企协同判定,经采集数据分析,该4号箱数值及趋势与其它箱体完全偏离,结合以往报警及消失现象,初步判定为电解液漏液。 拆箱检查,证实为某只单体电池安全阀不明原因受损,电解液泄露。
用胶带封住此安全阀门,2分钟后打开胶布瞬间闻见电解液味道。打开电池箱后,又再次连接02设备读数据,再没有达到报警值。重现前两次报警取消的过程(左图)。更换电池后,不再报警。

        实例三

         2017年3月19日,**公交公司某纯电动公交报7号箱2级预警,驾驶员及时上报公司,并停止运行。数据分析判定为电池危险气体超标,可能为电池漏液导致。后经车企、电池企业协同努力,拆箱检查,证实为电池漏液。更换电池后,不再报警。

        实例四

         2017年3月20日,**交运集团县城公交某纯电动公交报3号箱2级预警,驾驶员及时上报并停止运行。数据分析判定为电池危险气体超标,可能为电池漏液导致。后经拆箱检查,证实为两支电芯发生不明原因泄露。

        通过以上实例可以看出,“锂离子电池热失控模型”有效地解决了动力电池包热失控监测的难题,产品采用分布式探测,可以成功准确地在热失控发生的极早期,表现征兆极细微的情况下,准确进行预警。同时采用分布式非储压灭火装置,无压力容器和管路,有效期内法定免维护。

        据介绍,采用创新技术“锂离子电池热失控模型”研制的创为电池箱专用自动灭火装置产品分为四种工作模式,根据车辆状态会自动进入不同级别的低功耗模式,确保装置受控,实现了24小时无间断监控。

         如今,电池箱安全监测技术正在逐步走向成熟:系统通过中国汽车技术研究中心性能试验,(包含耐压、欠压、电源反接、气候环境、机械震动、化学环境、电池兼容)和公安部天消所试验中心功能检测试验;3系统具备深度自检功能,准确判断自身健康状态,4、灭火装置双启动模式,确保装置可靠启动。

        技术成熟带来的是规模化应用: CW1160系列电池箱专用自动灭火装置,至今已使用于宇通、中通、长江汽车等二十几家主机厂生产的上万辆新能源汽车上,被CATL、中航锂电、普莱德等近二十家电池厂标配或选装。产品至今已预警运行中的新能源汽车漏液等多次热失控事故,极大地提高了车辆的安全性,保障了乘客和车辆安全,受到了运管部门和公交公司的赞誉和好评。




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