动力电池安全技术研究

动力电池安全技术研究

智能化汽车，是人类历史上最后一个移动终端。当然，如果有一天我们能离开地球，那是另外一个事情。在宇宙飞船上或许非常精彩，但是也可能很枯燥的生活，我们就不用过多担心了。至少目前可以达成一点，未来汽车向电动化、智能化、网联化、共享化发展。动力电池的安全，新能源汽车的安全，不是痛点，应该说叫死穴；剩下的包括长续航里程，当然现在汽车行业里专家很多都在说代步工具，200公里以内就够了，实际上消费者是不接受这个概念的。因此长续航里程是痛点，充电要快捷，还要满足全天候的使用，不能说在北方天气冷的地方不能用，只是在某一些地方可以应用，这肯定是有问题，对电力电池技术的要求，高安全、高比能量、快速充电，包括宽温度范围。

现在的电动汽车相当于2000年以前的手机，把电动汽车电池的系统比作2007年手机电池，2007年苹果发布了第一款智能手机，当时正常的手机电池，3美金就算很高了，但是苹果的电池要8美金、9美金。在电池管理系统上来讲，苹果做了好多工作，当然目前成本是降下来了。对于电芯来讲，相当于2012年左右的手机电池的电芯。

2012年大家还在拼命的想提高续航，拼命在提高能量密度，把隔膜降得非常薄，甚至从9μ往7μ降，再往5μ降。目前来看，动力电池用了10年的时间，相当于手机电池走过了30年的时间，相信动力电池从能量密度来讲，认为未来一段时间内，会有一些提升，但是质的改变是不太可能的，并且我相信从能量密度来讲，应该很快会达到天花板。很多人说固态电池，锂空气电池，还有半固态电池，包括跟索尼，跟同行竞争，我认为半固态竞争没有戏。

安全如果处理不好，给新能源行业造成灾难性的后果，一直讲提高能量密度，从环保，从各方面来讲，虽然说不需要那么高的续航里程，但是从消费者角度来讲，追求能量密度，追求续航里程还是不变的要求，提高能量密度是的宿命，也是这个行业之所以难的一个主要原因。特别是新能源汽车，目前我们的能量密度已经非常高了，相当于2012年、2013年的手机电池。最大的一个问题是什么？为了追求成本，把电池的单体也做得非常大，甚至三元材料做到200安时左右，如果一旦失控，电池包会烧车。我们能做的只能是怎么去预防，怎么去减缓这个过程，给消费者提供一些时间。

随着近年来三元电池装机量增加，目前的乘用车装机量三元的应该是80%以上，随着能量密度提升，可以看出来，安全性，2019年各种媒体的报告已经有90多起，实际上比这个数还要高得多，具体多少，谁也没有办法去统计。三元正极材料占比持续增加，动力电池的安全形势非常严峻。

动力电池，或者新能源车，一旦失控危害非常大，传统车一年有3万起着火，几百起的新能源车就引起这么大的反映，主要是这个原因造成的。从我们的理解，各种场景都有可能产生热失控，经过统计，静置，充电，行使过程中，大概占30%左右，剩下的10%是在碰撞，进水造成的。因此，如何保障动力电动汽车在全生命周期不同场景下的安全性研究，这是面临的首要问题。

从系统设计来讲，有六大关键技术，包括BMS控制技术、热管理技术、仿真分析以及测试验证的技术、轻量化技术、快充技术、还有热安全技术。影响热安全的主要是四点，机电热化，“机”是机械设计，“电”是电子电气的安全设计，“热”是分布不均匀，刚开始一致性还行，随着电池内部的不均匀，越来越加大，到最后跟化学都是直接相关的。包括底盘撞击，车撞击完了，可能没有什么事情，消费者还可以开，但是过一天，或者半天之后着了，在撞击过程中已经挤到隔膜，造成了一些损害，但是当时看不到，因此影响电池主要的是机电热化这四部分。因此，做系统研究的时候，要针对机电热化多维度、多层次的热安全解决方案。

从动力电池系统热的安全技术上讲，虽然撞击，电气，比如高压、低压、快充，这样造成的都可能转化到化学反应，造成新能源内部的化学反应。因此，电池的热安全技术是非常非常关键的，主要集中在电芯。我们都知道燃烧的三要素，氧气、热量、燃烧物，针刺过程如果在隔绝空气，隔绝氧气，对预防，或者是防止剧烈的热失控还是有非常大的好处。当然其他的这些，要完全避免，对于电芯来讲失效是客观存在的，只是概率大小的问题。因此，我们可以做的只能是在这个过程中通过多元参量耦合探测技术，SOH，SOE，SOF，包括内阻的变化，去探测它。我们提前10分钟、20分钟，可以给一个非常明确的反馈信号，这样就可以避免，当然了一旦热失控，就没有别的办法，只能主动或者被动的去进行消防，去进行扑灭。

从电子电气系统的安全设计来讲，我们基于ISO26262的标准，优选BMS，优选ASIL-C/D安全芯片，硬件层面上采用适度的冗余设计，建立故障容错机制，

在软件层面，采用AUTOSAR软件架构，根据安全需求分解，制定全方位的安全诊断机制，采用多极故障报警处理恢复机制。

安全路线图，从电子电气系统安全的特性来讲，2020年我们侧重于电芯安全以及高压安全故障诊断，BMS系统功能安全ASIL-C/D（乘用车选C级），SOC/SOP 全生命周期宽温度范围估算精度提升（原先是10%、后来是5%、今年我们要达到3%）。2021年是侧重于电芯安全及高压安全故障管理及预测，智能能量管理、维护保养、预约管理，车联网智能驾驶应用，电池寿命周期耐久性管理。到2023年侧重BMS及整车控制器的高度集成管理，BMS系统信息安全，云平台大数据深度学习修正，新型电池智能管理。

这是综合动力电池系统机-电-热-化安全性设计，这四个关键的符合特征参数，SOC，SOH，SOE内阻特征，建立动力电池安全，研究严重性变化趋势以及影响因素。

动力电池系统安全，安全性标准目前国家有关单位，有关部门，也都在制订，系统的标准不断完善，涵盖了动力电池的单体，电池系统，电气控制系统，以及关键组件设计标准，整体来讲还是要侧重于全生命周期的安全，特别是人身安全是最关键的，所有的标准制订要以这个为基础。

从动力电池系统安全性能的市场化推广应用来讲，建议从新能源车，整车需求侧，动力电池供应侧分别进行，形成基于整车一体化的面向设计安全，制造安全，应用安全，维护安全，以及回收利用，或者说报废安全的完整安全性的设计链。