仝志明：基于快充長壽命與高安全的電動汽車動力系統(tǒng)解決方案
圖為微宏公司技術(shù)副總裁仝志明
仝志明：謝謝毛博士，很高興在CIBF這個大會上可以跟大家分享一下微宏在快速充電以及高安全電池方面的一些進展。
微宏是一個比較年輕的電池公司，在過去成立10年的時間里，我們一直致力于快速充電和動力電池的開發(fā)。
目前在市場上用的是兩大電池，一種是鈦酸鋰，這個就是說在5到10分鐘可以充滿電，電池的循環(huán)壽命超過2萬次，在100%的DOD的情況下。缺點是能量密度比較低，電池單體的能量密度是85，在這個之后我們開發(fā)了第二代快速充電的電池，它能夠在10到15分鐘充滿電，能量密度提升到了120，最近可以提升到150。
我先介紹一下這兩種快充電池在新能源汽車上的應(yīng)用。第一代電池最早是2011年，就是5年前在重慶的公交線路上投入運行，到現(xiàn)在最長的車已經(jīng)超過了5年。這個車每天在線上大概要充電5次到6次。所以在5年時間里面充電也有幾千次，目前容量衰減大概是在7%左右。從這個數(shù)據(jù)來看，這是在快速充電的情況下滿足公交車8年的運營壽命是沒有問題的。
過去這幾年時間里面，裝配二代電池的車輛已經(jīng)超過了7萬臺，包括在歐洲、倫敦這些里面有超過了1000臺，在中國超過了9000臺。這個是在倫敦看到的紅色雙層巴士，上面配了18千瓦時的鈦酸鋰電池。
這是在德國的冥思特，這也是一個純電動的車，也是拷貝了重慶的模式，我們在華東、華南、北京也有很多的車輛在線上運行。
從去年開始我們把快充這樣一個技術(shù)應(yīng)用到乘用車領(lǐng)域，我們跟國內(nèi)的一家主機廠合作，開發(fā)一款可以快速充電的出租車。國內(nèi)電動出租車最多的車隊是在深圳的，24小時運營的出租車，司機希望的是不要因為充電影響他的收入。這款車的性能是在充電之后運行200公里，每次充電15分鐘，每天可以保障兩班司機24小時全天天候的運營。預(yù)計到今年年底這款車就可以上市了。
另外一個很重要的特點，我們知道出租車的里程，其實在中國政府規(guī)定的6年報廢期之內(nèi)出租車的運營里程大概會到80萬到90萬公里，這個電池的壽命可以支持出租車長達90萬公里的運營需求。
我在這個表格上做了一個簡單的測算，每天充3到4次，6年時間里的充電次數(shù)應(yīng)該是4000多次，這樣就可以支持這輛車運營90萬公里，這對于電動出租車來說是一個非常有競爭力的解決方案。
前面介紹了我們在快速充電電池上已經(jīng)實現(xiàn)的業(yè)績。最近這幾年在中國公共交通領(lǐng)域上線的車輛越來越多，其實安全性也變得越來越突出。
對于鋰電池來說，我們可以把它形象地表述為它是一個代自帶火柴的油箱。這句話是說鋰電池是非常不安全的。我們知道傳統(tǒng)的車上有一個汽油箱，汽油雖然很容易燃燒，但是它不容易點燃（在汽車上）。鋰電池有一個電解液，除了電解液之外還有一個電能無處不在短路的風(fēng)險。
我們做了500伏或者是300伏的電池包，這個電池包上面我們可以看到很多的接頭、很多的動力電纜，這些電線如果出現(xiàn)短路的情況。最恐怖的是什么？鋰電池正極片和負極片之間有一個薄薄的隔膜，大概20微米，在正常的時候把正負兩極分開，你可以充電和放電，但是很不幸的是，電池在使用中間是一個不斷變化的過程。我們出廠的時候看到很好的電池，在使用中間因為種種原因，比如說電池的裂化，SEI膜的生成或者是破壞，或者是過充、低溫下、高溫下的情況造成的?？偠灾畽C械和化學(xué)上的變化往往會造成電氣極片的形變，可能會造成隔膜的破損。
在一個車上有成千上萬個的單體電池中間，其實我們不知道哪個電池會發(fā)生這種變化，直到有一天中間那個隔膜失去了作用，這個過程實際上是一個很難控制的過程?？偠灾?，在大批量的使用電動汽車的過程中間，其實安全性一直是業(yè)內(nèi)，無論是做電池的還是做整車的，其實是一直有一個疑問的地方，是不是真的安全？
今年中國政府對于新能源車推廣的過程中間，使用高能量密度的，不是特別安全的電池這個事情采取了一個相對比較保守和審慎的態(tài)度。
如果電池出現(xiàn)失控的時候，主要的能量組成是什么？綠色這條是電解液燃燒時候釋放的熱量，藍色這個是電能，另外一個是負極和正極，分別和電解液反應(yīng)所產(chǎn)生的能量。
我們看到這里頭就是說，我們想如果要把電池做的更安全，看起來是有兩種可能的方法，第一種是我們把這里面釋放熱量的東西看成是不可燃燒的，這樣在失控的時候，綠色這個柱狀的能量就沒有了。
2、能量釋放的速度。能量多也罷、少也罷，如果釋放的速度非常快，瞬間釋放，比如說電能短路，在毫秒級內(nèi)把大量的電能釋放出來，然后的高溫非常的恐怖，銅、鐵都會被熔化掉。如果是緩慢釋放，我們裝一個燈泡，這樣就不會有安全問題。第一個是我們要減少能量釋放的總量，第二個是要控制能量釋放的速度。通過這兩個手段來改善電池的安全性。
從這個意義上來講，剛才前面的專家也提到了，在用戶的角度來看，不斷希望你們可以提高電池的能量密度，在有限的空間里可以裝更多的電池，但是從微宏的角度來看，我們覺得這個事情是一個平衡的工程的問題，如果把這個技術(shù)比作一個大樹的話，我們認為不燃燒、高安全、快速充電、與整車等壽命，這是大樹的根，有了這個根基樹才可以長的好。我們單純提高能量密度，但是事故頻發(fā)，對一個企業(yè)、行業(yè)來說都是走不到頭的。所以，首先要解決我們認為下面的三個根基的問題。十分鐘快速充電是保證電動車的機動性。我們一箱油能跑700公里，快沒有油的時候你不用特別擔(dān)心，因為你知道你在幾分鐘之內(nèi)就可以在加一箱油，然后再去跑，電動車不是這樣的，跑700公里或者是7000公里也好，你剩一點點電的時候你就沒有機動性了，因為你要充電充幾個小時，這個是跟燃油車本質(zhì)的區(qū)別，所以我們認為動力車的快速充電是一個非常根本的技術(shù)特征。
長壽命，一點乘用車10萬公里也好，30萬公里也好，如果在這個之內(nèi)你要換一個電池，這個就不是一個合理的工業(yè)設(shè)計了。這是我們認為最重要的根基。
對于快充和長壽命來說，在公交和出租這類車上已經(jīng)得到了成功的實踐，在不燃燒這個安全方面微宏最近也剛剛?cè)〉昧送黄啤?/p>
第一個談到了不可燒的電解液。什么叫不可燃？我們有一個形象的測試，這個是最直觀的一個體驗。通過這個我們希望能夠在極端情況下電池失控了之后可以這個情況的危害降到最低。
關(guān)于能量釋放的速度。電池出現(xiàn)失控的時候有很多情況，我們現(xiàn)在國標里的測試，包括穿刺、擠壓等等。電池內(nèi)部發(fā)生的情況，其實這個隔膜一直是我們的心頭之患，它才脆弱了，一般是在100多度，隔膜就會收縮。你做穿刺和熱失控的時候，有一個微短路，局部熱量一產(chǎn)生，這個點立刻就造成隔膜收縮，就縮成一個大洞，這個造成了什么結(jié)果？正負兩極就大面積短路，這個時候就會釋放更多的電流。
目前的技術(shù)我們是在隔膜上涂陶瓷，真的做下來這個效果也不是那么有效。這張圖片最右邊這兩個是我們常見的PE隔膜，在150和200度的時候收縮的狀況。中間是涂了陶瓷的隔膜，我們可以肯定200、250到300度就變成粉了。其實在高溫下，雖然陶瓷耐高溫沒有問題，但是它所吸附的基材，這個聚合物是不行的。所以溫度一高，基礎(chǔ)沒有了，陶瓷也沒有辦法去阻隔正負兩極。微宏在過去這些年，我們是費了大的事，開發(fā)了一個耐高溫的隔膜。這個材料用的是芳綸，芳綸我們也知道，是做防彈衣這個材料的，這個材料不太容易做膜，因為一旦形成聚合物之后是沒有辦法溶解它的。
這個隔膜的性能做到300度的時候隔膜是沒有收縮的，這個耐高溫可以做的很好。
為什么是這個溫度？在現(xiàn)在高能量密度電池上，很多正極使用的是三元這一類的材料，這類材料是在200多度進行分解，如果電池里面出現(xiàn)無異常的話，在隔膜破損之前能把電池里的電能給消蝕掉。正極材料和電解液之間的反應(yīng)，在這個過程中間電能逐步轉(zhuǎn)換成了化學(xué)能，這個過程跟電能釋放來比是相對緩慢的。通過把隔膜提到300度以上，使得在失控前的電能能夠最大限度的消失掉。我們現(xiàn)在還在開發(fā)下一代類似材料的隔膜，我們要把它的耐溫提高到600度，這樣仍然能夠保持正負兩極是隔開的。
剛才講的都是一些想象的故事或者是推理的東西，我們看一個實際測試的情況，左邊這張圖是一個軟包電芯的情況。下面這個曲線，每一個曲線隨著你加熱電池的時候，電池的溫度在逐漸上升，到170度的時候，這個曲線出現(xiàn)了一個突然的，垂直的上升，這個過程發(fā)生了什么？前面加熱的時候是電解液，正極、負極在分解，電池在放熱，到170度的時候，溫度垂直上到600到700度，這個過程是隔膜收縮了，正負兩極短路了，這時候瞬間釋放了大的電流，這是我們做失控、做穿刺會精彩看到的。一個溫度失控之后，它的高溫會加熱旁邊那個電池，旁邊那個電池上面有很多的曲線，這時候熱失控出現(xiàn)了蔓延，最后造成整個系統(tǒng)的失控。
如果我們使用了耐高溫的隔膜之后，我們看到同樣的這個測試，橫坐標從0到100分鐘的時間里頭，第一個電池失控我們加熱到180度之后，電池的溫度基本上在這個范圍里有一個波動，它沒有出現(xiàn)一下子上升到6、700度的情況，在這個之前電池的溫度，電解液還有正負極材料，很多時候是有化學(xué)反應(yīng)在發(fā)生的，如果你的隔膜保持完好，這個失控發(fā)生的可能性就沒有了。
這個圖是想說明，我們在電芯這個級別上，通過改變電解液的可燃性，還有提高隔膜的耐溫性能來改善電芯本身的安全性。
微宏有一個獨特的應(yīng)用技術(shù)，我們是把整個電池組浸泡在絕緣的液體中使用。大家都擔(dān)心電池會著火，就像火山噴發(fā)一樣，突然噴出炙熱的巖漿，如果我們把火山放在海底的時候，你看到海面上有煙，但是看不到巖漿。
我們把這個電池放在液體中間去進行穿刺，你看到的是煙，但是沒有火。右邊這張圖是電池表面的溫度，藍色的線是表面溫度在100多度，就是著不著火之間的區(qū)別。這個電池放在液體中間還帶來了很多的條件，我們可以簡單的把液體循環(huán)來進行加熱和冷卻，實現(xiàn)一個非常一致性的控制技術(shù)。
我今天談到的這個電芯的兩個技術(shù)，電解液和隔膜在今年年底可以實現(xiàn)產(chǎn)品化。
最后一分鐘談一下電池系統(tǒng)方面的防護。國內(nèi)大巴這兩年也在頻繁出現(xiàn)失火的事件。失火的事件最多的不是由電池引起的，是由電池外圍的線路引起的。
這是我們常見的做法，做的很漂亮的電池箱，看起來非常的規(guī)范和整齊。我們現(xiàn)在用的很多線纜的防護等級是有相應(yīng)要求的，但是這些都是在正常情況下的，我們看到這個電池組，如果電線外面的塑料皮因為高溫熔化之后，這個系統(tǒng)會出現(xiàn)什么情況？之前是隨著金屬箱走的，現(xiàn)在是扎在鋼梁上的。
仝志明：謝謝，這其實是我想要說的最后一件事情，除了電片之外，系統(tǒng)方面的安全防護也是我們要特別注重的一件事情。
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