王芳：动力电池系统测试解开安全迷局

导读
中国汽车技术研究中心动力电池领域首席专家王芳在CBIS2018“锂想”峰会上发表主题演讲。

中国汽车技术研究中心动力电池领域首席专家王芳：动力电池系统测试解开安全迷局
图为中国汽车技术研究中心动力电池领域首席专家王芳在CBIS2018“锂想”峰会上发表主题演讲

2018年11月8日，以“新时代·破而立：前行中的产业转折之路”为主题的“锂想”2018第三届动力电池应用国际峰会(CBIS2018)在北京兴基伯尔曼饭店开幕。中国汽车技术研究中心动力电池领域首席专家王芳在峰会上发表主题演讲，以下为主题演讲内容。
中国汽车技术研究中心动力电池领域首席专家王芳：

我的报告，张秘书长给我之前交代任务了，提到从测试看电池的安全。我临时把这个题目改成从测试电池的安全，前天我还在温州跟大家分享，因为温州开了一个电池国际标准的研讨会，分享电池所有产品品质的评价。为了今天能够有一些新的想法，我昨天特地又重新做了一个PPT，把一些内容希望从一个新的角度去解读。

这个报告我没有列一个目录，因为整个内容我觉得是整个一部分的内容，从产品目前的性能状态来看目前的安全水平。大家看一下我们目前测试性能的状态，刚才从第一个报告，测试实验室分享的数据，大家已经有很清晰的认识了，我们现在电池产品的技术水平。因为我们做的是产品的评价，这个是法规的测试。这是2017年平均的能量密度，大概是在115瓦时/公斤左右。我们看一下截至到上个月，我们电池的能量密度数值，截至到上个月，我统计了一下我们2018年目前电池产品的能量密度的平均值已经到了139瓦时/公斤。可想而知，能够拿到1.1以上补贴的百分比大概在61%以上，所以大家可以想到，优秀率已经超过了半数以上这样一个状态。

我们看从测试的数据看几点，第一，磷酸铁锂的能量密度单体有一定的局限，但是由于几个方面的原因，它本身的安全性比较好，第二，应用场景目前大部分用于大巴车一些商用车领域，我们也做过统计，截至到上个月的目录，乘用车领域300多款车型里面，94%是用了三元电池，剩下的6%是用其他类型的电池。我们可以看到三元用在乘用车领域，乘用车的设计本身对于电池PACK设计的要求就会远远高于客车的标准厢的设计，多方面的原因，使得PACK在成组率方面有不同的表现。但是从2017-2018年的成组率和能量密度可能有点超越了正常的发展规律的提升。我们再来看一下，其提升的可能性在哪里？首先看体系，这个是当前产业化的电池体系，它已经进入到市场的产业化。刚才也有专家提到，按道理，我们现在应该是在什么阶段？333这样一个状态，622应该是在中试的状态，而811应该处于研发的阶段。但是实际上，我们可以看到能量密度快速的飞升，能量密度的范围我们就知道，在现在甚至在未来很短的一个时间内，尤其是很多人现在都在关心明年政策补贴的时候，目前的状态是有可能电池已经从532、333快步跳跃过622，跑步走进811的时代，这是可能的一个状态。这是电芯的层面，我们可能关心什么？跑步进入的状态它的产品可靠性、安全性和寿命需要验证的周期够不够，这是希望大家想一想的问题。

刚才说到电芯层面，我们从技术的发展可能的选择，电芯层面无限度尽量提高能量密度。第二个，我们看到系统刚才提到的，一个是电芯能量密度的提升，另外我们考虑系统能量密度提升还有哪一个？就是系统的集成。系统集成考虑的目前无外乎有两种技术路线，一方面在有限的空间内，我们能够尽量有越来越多的电池；另外一个，我们所用的电池PACK的材料能够尽量的轻、紧凑化和轻量化。紧凑化和轻量化其实也有一定的表现，第一个，我们在做短路、挤压实验的时候，就会发现有一些线速的排布，由于在有限空间范围内选择很小，排布的科学性有待提高，这种情况下，有可能导致受到机械破坏的时候，容易引起高压线速的打火，导致发生事故的可能性。另外，轻量化和紧凑化的另外一个舍弃，有可能这种冷却方式选择的取舍问题，可以看到其实电池在这几年能量密度提升过程中，对冷却方式的选择还是有了一个前后的变化。比如，大家一开始会越来越重视液冷系统的选择，到去年到今年，很多时候这种方式的舍弃还是明显的可以看到的。近期来说，大家还是会越来越关心冷却系统的选择和改进，包括我们今天跟各位专家分享，专家们也提到，对于管理系统的重视，我想这是一个比较好的现象。

另外，我们换个角度看电池的安全，因为这是现在市场上的电动汽车，我统计了几十起事故原因，从2011年到现在大概80多起的不完全统计的数据，看到里面总体分为这样几大类，一大类就是充电，可能是在充电过程中，或者末期或者充完电的时候，所发生的一些事故。第二个就是机械的破坏。第三个是因为电池的部位的各种原因，有可能是单体，有可能是系统，各种原因导致的自燃，电池的热失控。另外就是海水的浸泡，水的浸泡，由于IP等级的一些缺失，后面在测试的时候，其实刚才说到的产品的评价里面也可以看到，市场上这些车的表现可以看到它这几个方面的一个缺失。

我想举几个例子，第一个例子不太恰当，我们对事故进行分析，有些案例进行分析，其实充电出现的问题大部分并不是过充电的状态。但实际上是充电末期或者是充电完毕，也有这样一些状态。但是我举的这个例子，因为是过充电。因此我换了一个思路，安全保护的功能。更多提到了管理系统的作用。这个事故是在过程中，电池应该在停止充电的时候，接着充电，一直到充电机强制停止，过充了60%的电，在这个过程中，电动汽车着火。我们在这个过程中进行了详细的事故分析，知道充电是一个系统的综合的工程。可能会涉及到很多个方面，首先是电芯本身的抗过充的能力，第二个就是电池的BMS的通信功能，第三个就是充电机和电动汽车整车两方的充电抗过充的充电设计，最后是车辆监控中心和充电桩监控中心对故障及时的监控、响应和处置。这个事故比较早了，应该是在2016年的时候，现在国家对事故的监控、对故障的监控越来越完备，越来越重视，整个系统的安全工程会越来越完备。

下一步，大家会越来越关心什么呢？充电过程中的安全，我们相关的标准也在制定。这是充电兼容性的标准，里面也涉及到安全的问题。截止到目前，测了一千多辆车的充电兼容性，在这里面也会看到一些充电过程中发生的安全问题。下一步，充电安全相关的标准正在制定，将与电池的管理和通讯密切相关。

第二个，刚才提到的整车，提到第二个出事故比较高的就是机械。机械方面，它更多是因为碰撞，但实际上，能反映出电池的机械可靠性和安全性的测试项目，就是振动。现在国家提到的振动频率，大家认为它的强度过高，现在提出了修改变成了三个小时的振动，这个振动是非常低的。我们根据这个振动的实际路谱，采集了20多辆车，制定了新的振动的曲线。这个曲线现在也已经写进了强制性标准，该标准马上会进入公示的阶段。可以比较一下这几个标准振动的强度，JB的强度是处于中等的柔和切合电动汽车运行实际状态的数值，我希望企业不要按照修改单去修改振动强度，至少应该按照JB新的标准对自己的产品进行考核。

我们在考核的时候发现振动出现问题的主要状况，包括外部车体的破裂，包括里面绝缘层的破裂、连接线的破裂。企业在开发过程中，会更重视振动，除了振动强度外，还包括它跟整车连接自身的共振频率的破坏。在测试的时候，我们发现主要的破裂点是连接的这个位置，特别是它跟整车连接的一些位置。

第三个就是热，刚才说到热失控是车辆事故里面百分比最高的一部分。现在也受到大家越来越多的关注，刚才很多专家提到热管理的设计、热失控的分析。我们也在做评价，我们从评价当中来看电池的热安全，首先从头开始看。材料的热特性，到电池本身处于什么样的热安全的等级，在这个基础上，我们在BMS方面要有一个系统的热管理的设计。这样的话，才能有一个有用的电池PACK。

我后面正好从这几个等级来给大家汇报一些我们的看法。材料到电池层级，我们一方面要关心的应该是热稳定性，包括热失控特性等状态，我们在追究更深层的原因，包括电池的安全，特别是在电池反应过程中，导致了电池在安全性能上的一些表现差异。我们今年开始用原位无损的方法去分析在这个过程中结构，AC膜的变化等等状态的变化，对安全带来的一些挑战。可能要结合过程中在无损测试以后，最终衰减以后，进行拆解，对它进行电极和材料层面的逆向解析的分析，看材料和电池之间的安全性的衰变和性能衰变的过程。

刚才提到的从材料到电池再到BMS，BMS要实现的管理有很多种，包括电的管理、安全健康的管理、热管理。热管理作为一部分，简单来说就是四位一体的评价，因为我们做的更多的是对性能的一个评价。现在对于BMS的评价来说，已经上升到一个非常重要的位置。包括均衡、热管理和相关算法以及电子兼容以及功能安全的评价，最重要的是热管理的评价，热管理技术的发展。我们在做测试的时候也看到，很多的企业要求我们帮他做研发性的测试评价，帮助他来设计一款很好的热管理系统。首先从源头做起，分析电池在不同的SOC状态下，不同的功率，不同的温度特性下，它的产热特性、产热功率，产热方式和发热量等等，再看它在不同的状态下的热失控的特性，以及热传播传递到另外一个电池的传播途径，这样参数都详细了解了，才能有基础数据作出一款比较好的热管理系统。电池做成系统以后，我们在新的JB标准里面提出了对整个系统的安全性的评价。现在想符合电池安全性的设计要求，必须能够满足什么？在发生电池安全事故的时候，能够满足逃生的要求。在这里面第一点要有事故的报警信号，这个报警信号必须是热事故报警，对管理系统又提出了一个新的要求。除了温度报警以外，还要有热事故报警，这个热事故报警是什么意思呢？只要报警信号一发出，意味着在未来五分钟或者更长的时间内，一定会有热事故发生，所以这个报警信号是不同于过温信号的。这里面要求单体有可能发生这种热失控的状态下，因为电池发生安全的可能性永远存在。我们只是作为技术人员希望能够把这种可能性降到最低，如果一旦发生了以后怎么办？我们就希望发生了以后，能够在特定的情况下，能够及时给出事故信号。如果给不出这个信号，是不行的。给出了信号以后，五分钟内起火的话也是不行的，只有在发生五分钟以后不会起火，不会报警，或者能够五分钟之内给乘员足够的逃生时间，才认为它是合适的安全的设计。

我刚才提到几个方面的问题，包括热电结构等等，都起到了共同的东西，热电池管理系统，电池管理系统在电池安全里面扮演越来越重要的角色，我们电池管理系统现在的标准越来越成为一个单独的体系。这是目前已经有的管理系统相关的一些国家标准，正在做的几个管理标准，包括团体的热管理系统的性能测试方法，也是我正在起草的。下周五我们要讨论JBT电池管理系统的技术条件，下周五讨论完以后，马上形成报批稿，大家还是要重视这几个标准，也希望能够多提出一些建议，能够给出管理系统未来的安全性要求，能够有一个很好的考量。

最后就是一个简单的小结，还是要从测试来说，我们现在给企业做这样一些测试性的评价。我记得我在吴老师那儿读博士的时候，吴老师跟我提到静态一致性和动态一致性，我当时做了这样一些分析。我们帮企业做的更多就是静态一致性的测试，静态一致性的测试对电池的出厂一致性进行详细的评估，得到一致性的状态，能更好的让电池在使用的时候进行动态一致性的管理。

我想说的小结也是今天会议的一个总结，大家今天谈了很多电池的性能、安全、后补贴时代的这样一些应对措施，特别是后补贴时代大家提到了好几次这样一个概念。我想在这里稍微引申一下，刚才说到的很多问题，归根到底是表现在我们的电芯的品质控制的层面。先从电芯来说，实际上我们在做一致性评价的时候，还是会发现虽然能量密度能够做的很高，但是在产品的一致性控制方面可能企业还是会有一段路要走，还是需要做更多的功夫来去提升。我也在一些企业看过，包括我每次去看的时候都会问一句话，你们的CPK值是多少，我想我们在至少目前来说，咱们国内的电芯企业的CPK值控制基本还是以1.33为一个基准，1.67为一个天花板的。甚至有些企业现在还在努力达到1.33，我想这个可能与国际上一些企业相比的话，还是有很多事情要做。因为你的品质控制决定了后补贴时代，在市场这种竞争下，你的产品性能、安全、寿命和成本是否能够与别人去竞争，与别人去抗衡，这个是非常非常重要的一块。

第二个总结，安全是一个系统的工程，从材料到电池到PACK，可能我们每一个部分都有各自要做的事情，每一部分都要有一定最基本的安全要求。作为一个联合的体系去共同协作，才能作出一个比较好的相对安全的电池系统，去用于整车上。并不是把某一部分的安全压力都集中在某一个环节上，它应该是一个系统的工程。