中汽中心王芳博士：測(cè)試評(píng)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(yīng)用國(guó)際峰會(huì)(CBIS2024)在中國(guó)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(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合電池中國(guó)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“逸飛激光專場(chǎng)：先進(jìn)電池技術(shù)及應(yīng)用”主題論壇上，大會(huì)主席/中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司首席科學(xué)家/動(dòng)力電池應(yīng)用分會(huì)專家委員會(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(cè)試技術(shù)》主旨發(fā)言。
以下是王芳博士主旨發(fā)言內(nèi)容：
非常感謝，我的報(bào)告主要分為四部分的內(nèi)容。我們首先看一下動(dòng)力電池的綜合評(píng)價(jià)體系。
對(duì)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(shè)計(jì)開(kāi)始到研發(fā)生產(chǎn)當(dāng)中的材料選型，相應(yīng)的反應(yīng)機(jī)制到生產(chǎn)制造，再到實(shí)際的產(chǎn)品下線，到用車和全生命周期的使用，再到回收的環(huán)節(jié)，也就是說(shuō)退役再生的環(huán)節(jié)。
整個(gè)全生命周期都離不開(kāi)測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展，今天和大家交流只涉及到從生產(chǎn)線下線以后到使用的全生命周期。
首先第一在正常電動(dòng)汽車使用的環(huán)節(jié)，電動(dòng)汽車到目前為止的全球保有量和整個(gè)產(chǎn)銷量已經(jīng)到了很高的級(jí)別，隨著這么多年的快速發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)的積累，動(dòng)力電池在這個(gè)階段的測(cè)試評(píng)價(jià)和應(yīng)用，從原來(lái)最開(kāi)始對(duì)于電池電壓、內(nèi)阻等等的常規(guī)性能的評(píng)價(jià)到了結(jié)合氣體、壓力、膨脹力、內(nèi)阻等等綜合性能的多參數(shù)、多維度的綜合評(píng)價(jià)過(guò)程。
在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中很多的測(cè)試技術(shù)也會(huì)用到對(duì)于載用車健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)上，包括與管理系統(tǒng)連用的交流阻抗的測(cè)評(píng)，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(dāng)中鋰枝晶的損失，活性鋰的損失，鋰枝晶的生長(zhǎng)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(duì)電池的全生命周期的健康狀態(tài)的評(píng)估和安全預(yù)警、故障診斷等等一些工作。
去年相關(guān)部委當(dāng)時(shí)又交給我一個(gè)這樣的課題，電動(dòng)汽車到了這個(gè)階段大家關(guān)心這樣幾件事：
第一，年檢，每年電動(dòng)汽車要檢測(cè)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(xiǎn)，保險(xiǎn)公司會(huì)非常在意對(duì)電動(dòng)汽車的保險(xiǎn)定價(jià)和理賠怎么確定、診斷;
第三，二手車交易時(shí)電池的健康度是怎樣的，二手車定價(jià)的依據(jù)是什么。
所以去年交給我這樣一個(gè)課題我們團(tuán)隊(duì)通過(guò)結(jié)合以前經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，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、二手車交易我們不可能把電池把從車上拆下來(lái)，所以對(duì)在役的電池來(lái)說(shuō)我們要想準(zhǔn)確的評(píng)估它的健康度，有兩個(gè)必要的條件：
1，高質(zhì)量數(shù)據(jù)的獲取，我們能夠高質(zhì)量的拿到本身表征電池的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于人體檢一樣能夠高質(zhì)量獲取人體的參數(shù);
2，高精度的模型。
高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和高精度模型的結(jié)合才能夠得到高準(zhǔn)確度電池的健康狀態(tài)，這是我們?nèi)ツ曜龅囊患拢覀冄兄屏艘粋€(gè)小的裝置在車上可以通過(guò)充電樁也可以同時(shí)應(yīng)用，通過(guò)五分鐘充放的過(guò)程，可以根據(jù)相關(guān)的模型快速的得到相對(duì)較高健康度的評(píng)價(jià)。
這實(shí)際上是我們目前做的比較多的對(duì)再役電池健康狀態(tài)的評(píng)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(yīng)用比較多的。我們目前這個(gè)裝置已經(jīng)投入保險(xiǎn)、物流、二手交易的平臺(tái)，有大量裝置跟它合作。
在這個(gè)過(guò)程中隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，大家看檢測(cè)技術(shù)對(duì)在役電池來(lái)說(shuō)與AI技術(shù)、數(shù)字化、軟實(shí)力結(jié)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(guī)劃和韓國(guó)2030K-Battery計(jì)劃里都明確提到智能電池的概念，我們中國(guó)做電池路線圖時(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(nèi)容，比如本身智能化材料的應(yīng)用是一方面，第二是智能傳感的手段在電池內(nèi)的應(yīng)用和跟電池產(chǎn)品的結(jié)合。
這在實(shí)際應(yīng)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(duì)電池的性能有可能帶來(lái)的影響或者電池對(duì)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(cè)試的手段里，一些智能的測(cè)試技術(shù)、裝置和產(chǎn)品本身的結(jié)合，也就是我們未來(lái)智能測(cè)試技術(shù)在先進(jìn)產(chǎn)品里的應(yīng)用。
第三，想跟大家分享下我們對(duì)車上應(yīng)用電池到一定階段過(guò)程中，它必然伴隨著生老病死的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程里不能忽略的是比較常態(tài)化應(yīng)用常規(guī)典型的場(chǎng)景，比如機(jī)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(duì)快速補(bǔ)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?cè)谔€有一個(gè)充電聯(lián)盟的會(huì)也會(huì)聊到這些話題。
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(dāng)中都會(huì)伴隨著熱和電，損傷，這種損傷積累到一定程度以后就會(huì)帶來(lái)電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)損傷失點(diǎn)的產(chǎn)生，以及到后期有可能失控和致災(zāi)的發(fā)生。
我正好結(jié)合GB38031這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，正好今年修訂，前一階段剛剛報(bào)批，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)里最關(guān)鍵的三個(gè)修訂點(diǎn)。我們團(tuán)隊(duì)和行業(yè)專家一起做了非常多的實(shí)驗(yàn)。結(jié)合這個(gè)和大家談一下在實(shí)際使用過(guò)程當(dāng)中損傷累計(jì)產(chǎn)生的典型狀態(tài)。
一類是底部破壞。
在分析前一階段實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)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(duì)于電池的底部甚至損傷有幾種類型：凹坑型、劃痕型、IP等級(jí)破壞的破損型。這些形態(tài)為了更好的復(fù)現(xiàn)它，行業(yè)有很多做各種類型的，根據(jù)自己的車型定位和有可能應(yīng)用的場(chǎng)景做各種類型的異型物的破壞實(shí)驗(yàn)。比如說(shuō)鐵軌、井蓋、停車位上的三腳架等等去看這種情況下對(duì)于車身的底部損害。
我們把它做了一種總結(jié)，這些形態(tài)都是實(shí)驗(yàn)室給企業(yè)做過(guò)的實(shí)驗(yàn)，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(yàn)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(tái)階上下來(lái)的時(shí)候逐步有刮蹭的形態(tài)。這個(gè)是前一階段車輪打到井蓋，井蓋又彈上去打到底盤電池包位置的狀態(tài)。
這些形態(tài)分為幾大類：但是我們?cè)谧鰳?biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，我們要求的是你們把所有的形態(tài)都涵蓋在內(nèi)，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(biāo)準(zhǔn)，我們總結(jié)了一下大概會(huì)為兩大類：
一類從前到后的刮蹭，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，緊接著在后面會(huì)有一個(gè)長(zhǎng)段的劃痕。
在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中我們需要考慮整個(gè)過(guò)程對(duì)電池內(nèi)部損傷的形態(tài)，我們?cè)谶@次GB的標(biāo)準(zhǔn)里沒(méi)有把它寫進(jìn)去，但是在GB18384電動(dòng)汽車安全的標(biāo)準(zhǔn)里會(huì)考慮這個(gè)，現(xiàn)在正在討論那個(gè)標(biāo)準(zhǔn)明年會(huì)報(bào)批大家可以關(guān)注下。
第二個(gè)形態(tài)就是類似于碎石的沖擊，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)寫進(jìn)了GB38031的修訂稿，模擬當(dāng)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(guó)內(nèi)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，隨著快充倍率循環(huán)次數(shù)的增加，它的容量有明顯的衰降，而它的內(nèi)阻也明顯增加，我想道理非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樵诳斐溥^(guò)程中隨著鋰離子負(fù)極嵌入的過(guò)程中，長(zhǎng)間距也在逐漸增大，而且在內(nèi)部尤其在負(fù)極表面邊緣區(qū)域能夠看到鋰的沉積和鋰枝晶生長(zhǎng)的過(guò)程。
這種過(guò)程中我們也能夠看到晶格和它熱穩(wěn)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(dāng)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(fèi)者能夠快充也就意味著全生命周期快充的，這種情況下意味著循環(huán)到末期快充也不能出安全問(wèn)題。
所以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)部的，當(dāng)做加熱時(shí)我們前幾年的國(guó)標(biāo)里大多做的是PACK熱擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)，但我們從今年開(kāi)始會(huì)陸陸續(xù)續(xù)的把重點(diǎn)關(guān)注到整車的熱擴(kuò)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)的地方是把整車方案寫進(jìn)國(guó)標(biāo)里面具體怎么做實(shí)驗(yàn)。大家可以看到我們?cè)谧龅臅r(shí)候，里面會(huì)有很多的溫度探測(cè)點(diǎn)和煙霧探測(cè)點(diǎn)，意味著對(duì)于整車來(lái)說(shuō)除了要求電動(dòng)汽車當(dāng)一個(gè)電芯發(fā)生熱失控的時(shí)候，不能熱擴(kuò)散、起火爆炸以后，按道理我們內(nèi)部的溫度也不能超過(guò)對(duì)人員的傷害的極限溫度，以及煙氣不能在短期內(nèi)進(jìn)入到乘客艙，比如說(shuō)5分鐘之內(nèi)。
在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，除了我們關(guān)心最簡(jiǎn)單的會(huì)不會(huì)著火之外，大家關(guān)注更多的是對(duì)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?zé)o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(duì)于當(dāng)發(fā)生失控，從健康到損傷產(chǎn)生再到失效，我們?cè)倏词Э氐沫h(huán)節(jié)。
我們希望我們車有正常的報(bào)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(dá)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(xiǎn)等級(jí)。
最后提一點(diǎn)，我們?cè)谧鲞@個(gè)過(guò)程當(dāng)中，這個(gè)也是我們團(tuán)隊(duì)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(shù)同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，去看它在全生命周期損傷產(chǎn)生的過(guò)程中，內(nèi)部特性的變化和外在性能的表現(xiàn)直接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，更好的評(píng)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(jī)會(huì)可以和大家有更多的機(jī)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(nèi)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(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(nèi)容速記，未經(jīng)嘉賓核對(duì))
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