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王子冬:提高動力電池系統(tǒng)能量密度,保證安全性和可靠性是前提

鉅大LARGE  |  點擊量:1206次  |  2018年12月26日  

中汽協(xié)近日最新公布數(shù)據(jù)顯示,1—9月,新能源汽車累計產(chǎn)銷分別完成73.46萬輛和72.15萬輛,照此趨勢,年底突破100萬輛大關(guān)已成大概率事件。市場如火如荼,規(guī)模上量,電動汽車安全性問題也日益受到關(guān)注。

剛剛過去的這個夏天,大巴車、乘用車,燒了不少,觸目驚心的事故令人產(chǎn)生了對起火原因的疑問。近日,中國北方車輛研究所國家863動力電池測試中心主任王子冬在中國宜春·2018全球鋰電產(chǎn)業(yè)鏈高峰論壇上,對電動汽車頻繁發(fā)生自燃事故背后的安全性問題進行了深度剖析和建議。他認為目前新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在比較大的泡沫,產(chǎn)能過剩,在這種情況下企業(yè)很難把注意力放在研發(fā)上,產(chǎn)品的質(zhì)量水平不高,事故隱患比較大,需要引起警惕。

起火事故頻發(fā),是誰惹得禍?

王子冬認為,電動汽車起火其實與是不是磷酸鐵鋰或者三元材料并無重要關(guān)系,因為各種鋰電池的易燃物都是電解液!只不過三元材料電池在出現(xiàn)問題時更容易點燃電解液而已。但目前業(yè)界還沒搞清楚鋰電池為什么會起火?好像大家都能說出引起起火的各種原因,但是實際上又說不清楚到底是什么原因,材料、隔膜、粘結(jié)劑、結(jié)構(gòu)、封口、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)過程控制等等影響因素都有可能造成起火事故。

鋰電池能量密度的提高,需要正極和負極材料有比較大的改進,對與之相匹配的高電壓電解液、耐高溫高強度隔膜、補鋰工藝、電池安全性控制結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)保護結(jié)構(gòu)等技術(shù)研究,這些問題的解決需要將近24-28個月的時間(如果一切順利的話,需要8個月開發(fā)和調(diào)整材料,10個月的驗證電池產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性,國家行業(yè)認證單位測試3個月,用戶上車試驗5個月)。

新能源汽車補貼政策從2016年開始退坡,同時提出動力電池高能量密度路線。目前的行業(yè)發(fā)展一直是政策引導為主,按照2018年的最新補貼政策,能量密度在105Wh/kg以上的車型,補貼也越來越高。于是企業(yè)也是一直追隨補貼政策的變化而不斷改動,在技術(shù)驗證時間并不充裕的情況下匆忙升級新的電池產(chǎn)品。

“這顯然是不科學的,目前在中國生產(chǎn)動力電池的企業(yè)比較多,企業(yè)間電池的生產(chǎn)質(zhì)量管控水平參差不齊,這樣不管做什么鋰電池都一定會起火!”王子冬還表示,現(xiàn)在有很多人在深入研究電池管理系統(tǒng)(BMS),但是在大量的起火事件中,BMS好像并沒有起到作用,電池如果受到外部影響,BMS能夠保護,但如果是電池內(nèi)部出問題,BMS就不管用了。這就是有BMS也不能避免事故的原因。BMS都有報警推送功能,但是,對于有效控制起火事故,基本上沒有發(fā)揮什么作用,有點“事后諸葛亮”的意思。另外,在動力電池回收再利用過程中的問題和麻煩更多。

因此,依靠增加電池組的帶電量來增加電動汽車的行駛里程是不可行的,導致的副作用包括:結(jié)構(gòu)件需加強車身重量加大、行駛能耗增加、電動汽車的安全性降低、車輛制造成本增加、充電時間變長等。

王子冬表示,在動力電池在材料上沒有明顯技術(shù)突破前,比能量發(fā)展到一定水平后,就很難再有進一步的突破。與此同時,在安全性方面的負面影響卻越來越大。在沒有掌握鋰電池起火規(guī)律之前,把控能量密度與安全性和長壽命的平衡關(guān)系是不能忽視的問題。

“現(xiàn)在正常量產(chǎn)的三元里鋰離子電芯,就目前的正極、負極材料體系和電解液體系,包括把硅碳添加負極中進來,理論的電芯能量密度的極限在350—400Wh/kg左右。這里還有很多的工程問題需要解決。因此,如果沒有材料上的技術(shù)突破,電芯比能量可能在300-400Wh/kg之間,會有很長一段時間的徘徊。只有在實現(xiàn)工程技術(shù)突破的前提下,才有可能實現(xiàn)將單體電芯能量密度提高到500Wh/kg,也才有可能實現(xiàn)電池組能量密度達到260Wh/kg以上的目標。”王子冬認為,當前還面臨比較多的問題。整車企業(yè)應該根據(jù)市場的購買意愿等信息確定產(chǎn)品規(guī)劃。對于用戶里程憂慮問題,可以有不同行駛里程、不同價格的配置讓用戶選擇,行駛里程長價格就高。而不應該由政策來決定電動汽車的行駛里程。

如何解決動力電池系統(tǒng)安全性難題?

眾所周知,電動汽車上使用的“動力電池組”,是一個非常復雜的能量系統(tǒng),涉及面非常廣,除了電池本身有關(guān)電化學、材料、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設備以外,儲能電池系統(tǒng)還涉及電池箱架布置結(jié)構(gòu)、能量管理系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、系統(tǒng)集成匹配、各種傳感器、安全保護系統(tǒng)、系統(tǒng)一體化設計、系統(tǒng)可靠性、測試技術(shù)、試驗技術(shù)、日常維護調(diào)整、成本、回收等諸多方面,屬于典型的多學科協(xié)調(diào)特種攻關(guān)項目。

動力電池系統(tǒng)集成技術(shù)也是一項復雜的系統(tǒng)工程,是當今國際最新技術(shù)的有機集成,只有在總體集成、長壽命使用、電池的分選、安全管理系統(tǒng)綜合控制技術(shù)、電池的一致性評價技術(shù)、寬溫條件使用技術(shù)、安全使用技術(shù)等幾項關(guān)鍵技術(shù)取得突破的前提下,才能放心使用。而這些技術(shù)攻關(guān)是否能夠取得滿意的結(jié)果,就要通過對動力電池組的測試評價結(jié)果來證明,同時還能夠通過測試評價結(jié)果找到需要改進的目標,特別是安全管控的方法。

王子冬認為,首先,電池組安全性評價方法非常重要。企業(yè)可以通過對各種電池組的測試評價結(jié)果進行分析,選擇出滿足于各自車輛性能、功能、安全、可靠和符合成本要求的電池組。做這些研究工作的目的是為了掌握管控鋰電池熱失控的方法,找到如何避免發(fā)生起火事故的途徑,或者找到能夠提前預警的方法。

其次,動力電池組從一開始就要解決可設計性。動力電池出生前就需要事先考慮好:電池模塊的可組裝性設計、電池模塊的可安裝性設計、電池模塊的可維護性設計、電池模塊的可調(diào)整性設計、電池模塊的回收可方便拆解性設計、電池組(系統(tǒng))的可安裝性設計、電池組(系統(tǒng))的可維護性設計、電池組(系統(tǒng))的可調(diào)整性設計、電池組(系統(tǒng))的回收可拆解性設計、電池模塊的可組裝性功能設計等。

第三、電池組充電時的安全管理是關(guān)鍵。

由于動力鋰電池成組使用最關(guān)鍵、也是最核心的問題:一是安全、二是壽命。特別是在快速充電時,電池組內(nèi)電池的差異加大,如何解決電池組的使用壽命?面臨著巨大挑戰(zhàn)。影響電池安全使用和循環(huán)壽命的因素,除了電池自身工藝性和產(chǎn)品質(zhì)量外,至關(guān)重要的一個問題就是:電池成組充電時的安全性管控和熱管理技術(shù)。沒有完善的電池成組安全性管控和熱管理技術(shù),電池的安全性和長壽命循環(huán)就無法保證。因此,動力電池充電的管理系統(tǒng)與電池自身的質(zhì)量同等重要。

王子冬表示,近年來中國鋰離子動力電池性能在內(nèi)在質(zhì)量和產(chǎn)品工藝等方面,都有了長足進步,這是不可爭議的事實。雖然中國的電池性能與國外有一定差距,但是絕沒有人們想象得那么差,中國電池行業(yè)已經(jīng)初步具備了在新能源汽車特別是在混合動力汽車上的應用基礎,但影響中國發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)難點主要是電池成組技術(shù)及必須與之配套的電池安全管理系統(tǒng)。

對電池管理系統(tǒng)認識的嚴重不足和目前業(yè)界一些電池管理系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)的錯誤管理導向,直接或間接的影響了新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展已成不爭的事實。另外,電池管理系統(tǒng)發(fā)展緩慢的一個很重要的原因,是缺少電池廠和整車企業(yè)的支持,研發(fā)電池管理系統(tǒng),不僅需要電池廠配合整車企業(yè)進行臺架試驗,而且需要他們幫助完成電池管理系統(tǒng)的長期隨車測試。沒有電池廠和整車企業(yè)的有力配合,電池管理系統(tǒng)無法走向成熟。

動力電池的安全性是一個敏感的話題,又是一個不能回避的話題。我國動力電池行業(yè)經(jīng)過十年的積累,已經(jīng)有了非常大的提升。王子冬從科學的角度給出了他的建議:

1.由于目前的市場需求是政府用補貼政策拉動的,不是真正的剛性需求,企業(yè)需要注意行業(yè)泡沫,未來還存在許多的不確定性因素,需要引起警惕。

2.動力儲能系統(tǒng)的設計和匹配需要創(chuàng)新,整車企業(yè)要與動力電池生產(chǎn)企業(yè)共同面對當前遇到的困難,解決困難需要時間和投入,切不可以朝三暮四;

3.解決好動力電池系統(tǒng)與電動汽車一體化設計問題,電池組和模塊的設計需要全方位考慮周全,不是隨便拿一個產(chǎn)品就能集成的;

4.加強對電池組產(chǎn)品的全面測試,不能根據(jù)片面的測試結(jié)果,就說產(chǎn)品技術(shù)好,需要對動力電池系統(tǒng)進行科學、系統(tǒng)、全面的評價;

5.通過評價,改進設計,解決好動力電池系統(tǒng)的重量能量密度、體積能量密度、充電接受能力、放電能力、安全性、高溫適應性、低溫適應性、循環(huán)壽命、擱置壽命、生產(chǎn)效率、維護方便性、回收方便性、成本接受度等這些基本層面性能的平衡;

6.要把動力電池安全性問題放在第一位,可靠性要重視,在能夠保證安全性和可靠性的前提下,提高動力電池系統(tǒng)的能量密度。重視系統(tǒng)的優(yōu)化,選擇最合適的設計方案。

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