萬向陳旸:A123電池安全技術(shù)是什么
A123技術(shù),大家并不陌生,于2001年啟動,是全球最大的低壓鋰電池的供應(yīng)商。
我們主要產(chǎn)品分為四大塊:
第一,混合動力電池,包括12V啟動電池和48V的微混電池。
第二,高壓乘用車,即EV和PEV車。
第三,商用車。
第四,賽車。我們賽車的目的是通過使用磷酸鐵鋰的高功率電池,把電池技術(shù)推向極致,我們是保時捷919團(tuán)隊的指定供應(yīng)商。
面臨的挑戰(zhàn)。高能量密度電芯的廣泛應(yīng)用和在電動車本身的廣泛應(yīng)用,給電芯技術(shù)帶來巨大的挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)大家都清楚,包括電池化學(xué)體系、隔膜、陽極、陰極的設(shè)計等。全生命周期里邊SOC、SOP、SOH的算法,怎么樣做到準(zhǔn)確,怎么樣能把功能安全的理念引入到這個系統(tǒng)當(dāng)中。還有如何滿足12V啟停電池的特殊要求。
質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)方面。當(dāng)有成百萬、上千萬輛的電動車在路上的時候,雖然說兩個PPM是很好的指標(biāo),但是那個時候兩個PPM可能也不夠,所以我們需要更高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
在電芯研發(fā)技術(shù)上, A123從基礎(chǔ)研發(fā)開始,磷酸鐵鋰之所以和其他客戶的磷酸鐵鋰不一樣,原因就是A123對磷酸鐵鋰的正極材料有非常深入的研究。其中,第一代的納米磷酸鐵鋰技術(shù)在市場上得到了非常廣泛的應(yīng)用,現(xiàn)在我們研發(fā)了第二代超級納米磷酸鐵鋰技術(shù),這個材料和第一代納米磷酸鐵鋰技術(shù)相比,材料的顆粒從原來的不規(guī)則變成了球形的顆粒,材料的直徑,原來已經(jīng)很小了,現(xiàn)在變得更小,材料密度比原來更高,正是由于這項技術(shù)突破,使得我們從去年開始在12V鋰電池方面的技術(shù)得到了提高。原來12V鋰電池一直不能在歐洲推廣應(yīng)用的主要原因是低溫啟動時不如鉛電池性能好,但現(xiàn)在跟鉛電池一樣,甚至比鉛電池稍稍好一點點,這是我們的經(jīng)驗,要從最基礎(chǔ)的開始進(jìn)行研究。
高壓電池方面,我們采用同樣的理念,還要進(jìn)行基礎(chǔ)的陽極方面的研究,帶動整個高能量密度電芯的研發(fā)。這種研發(fā)包括,當(dāng)電芯能量密度從200—350Wh/kg的過程中,能量密度得以提高,安全也要保證。A123怎么樣能做到這一點?通過廣泛參與國際合作,和大專院校、國際組織、研究機構(gòu)共同合作。這個例子就是和歐陽教授領(lǐng)導(dǎo)的中美清潔能源聯(lián)合研究中心進(jìn)行的研究,我們還參與阿貢實驗室另外一個項目—實現(xiàn)電芯能量密度從200到300的提升,同時在過程中保證電池安全。同時還包括提高高鎳電芯的循環(huán)壽命,希望能夠降低產(chǎn)品的成本,創(chuàng)造出很多的技術(shù)專利,為行業(yè)做出貢獻(xiàn)。
剛才講的48V的產(chǎn)品,講的是電芯的安全?,F(xiàn)在我們講產(chǎn)品的安全。我們現(xiàn)在用的超級納米磷酸鐵鋰做成了48V電池,功率密度達(dá)到了2kW/kg,體積功率密度達(dá)到5 kW/kg(這是很高的能量密度),現(xiàn)在這個產(chǎn)品已經(jīng)和國內(nèi)外6家主機廠開始簽訂量產(chǎn)合同,第一個量產(chǎn)合同是在今年年底,在中國,同時這個產(chǎn)品預(yù)計到2020年產(chǎn)量將達(dá)到100萬。
這個產(chǎn)品的安全特性包括哪些呢?我們用鋁殼的結(jié)構(gòu),可以滿足疲勞和強度要求,這個產(chǎn)品的防護(hù)等級是IP67的設(shè)計,里邊甚至采樣線束都是用柔性線路板,里面有熔斷器的集成,即便進(jìn)水也不會導(dǎo)致線路板的短路。由于電芯的電阻非常非常低,所以產(chǎn)生的熱量很少,我們可以采用被動冷卻,使得電芯滿足整車功能要求的情況下,不需要主動冷卻,現(xiàn)在我們已經(jīng)有3—4輛車在吐魯番進(jìn)行夏季實驗,這個產(chǎn)品已經(jīng)完全通過了GB/T 31467的實驗,而且是一次性通過的。
這個產(chǎn)品的功能安全方面我簡單介紹一下。對一項安全保護(hù),比如說過充的保護(hù),這里邊有多少層的保護(hù)呢?首先,整車控制器的一種保護(hù)是遵循BMS的保護(hù),如果三層保護(hù)都失靈,還有管路可以把氣體排到車外邊,即便排不到車外邊,最后一層保護(hù),我們做了大量的實驗研究,來研究過充的情況下氣體常態(tài)是什么樣的,產(chǎn)生多大的熱量,最后研究的結(jié)果是這個氣體的成份和有害物質(zhì)成份,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于安全標(biāo)準(zhǔn),所以歐洲的主機廠和全球的主機廠現(xiàn)在都接受HOB的這個標(biāo)準(zhǔn)。
在高壓方面有沒有采用同樣的技術(shù)?我們所有的電壓要測量、電量也測量、溫度也測量,BMS根據(jù)測量值進(jìn)行判斷,如果超過電流了它會警告你,如果警告不聽我們還有硬件的保護(hù),可以做到雙重保護(hù)。
多層熔斷機制,我們產(chǎn)品有五層熔斷機制,在MSD上有熔斷器,可以保護(hù)電池包的熔斷,在模塊上有熔斷器,線束上有熔斷器,電芯本身還有熔斷器,這樣可以充分保證在短路情況下電芯安全性能得到保護(hù)。
機械方面,我們大量使用CAE驗證我們的產(chǎn)品,這樣可以保證我們的機械強度。這里面我想提一點,即機械強度和我們的路況有很大的關(guān)系,我有幸參與很多全球的研發(fā)項目,歐洲廠家和我們廠家不同的地方是:歐美的廠家很少有用SAE和ISO16750作為標(biāo)準(zhǔn)來做他們的產(chǎn)品設(shè)計,都是根據(jù)自己整車的荷載做設(shè)計,這樣才能真正做到安全、真正的優(yōu)化,我們很多情況只是用國標(biāo)作為設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn),希望我們同行們在這方面多做一些工作,能夠針對有單個的車型做有效的、系統(tǒng)的友好設(shè)計。
前段時間我們剛剛一個產(chǎn)品過了GB/T 31467實驗,我們送去的產(chǎn)品都是一次性通過,我覺得這個案例在國內(nèi)可能不是很多同行可以做得到的,這個基礎(chǔ)來源于我們大量的設(shè)計經(jīng)驗和充分的應(yīng)用驗證使用了CAE的方法,CAE誰都可以做,但是用驗證了的方法來做,得到準(zhǔn)確、可靠的結(jié)果是非常重要的。
最后談一點,我們對未來的展望。我們認(rèn)為電動汽車安全根本是電芯的安全技術(shù)。但我還想強調(diào)一點細(xì)節(jié)方面的,比如密封,大家知道漏水是很大的安全問題,我們現(xiàn)在的密封設(shè)計,驗證方法(把箱放到水池里邊去),檢測通過了,這項就算通過了。然而實際運用當(dāng)中,當(dāng)這個車接近壽命尾聲的時候,密封情況如何呢?歐洲有些廠做密封設(shè)計,先通過機械疲勞,振動、沖擊,做完了這些東西之后再去做IP67,這才是真正的密封性能。同時我們的檢測還有一點沒有考慮,就是密封材料本身還有壽命的衰減,我們應(yīng)該先預(yù)防密封材料本身壽命的衰減,再來滿足這個密封要求。還有電氣元件絕緣線束的可靠性問題、機械可擴性的問題等等,其中一點是全生命周期的SOP/SOH的可靠性問題。。
最后一個總結(jié),電池是關(guān)鍵。A123通過參加國際組織、國家研究室、大學(xué)核工業(yè)界的合作,為了確保產(chǎn)品質(zhì)量和安全,在電池設(shè)計和制造中心執(zhí)行APQP流程。A123將先進(jìn)系統(tǒng)安全技術(shù)引入電池系統(tǒng)的開發(fā)過程中。A123的產(chǎn)品全部要要按照DVP計劃進(jìn)行充分的驗證。為了進(jìn)一步提高電池的可靠性,產(chǎn)品設(shè)計要考慮到10年以后、8年以后的安全性。因此,我們必須在實驗的先期開發(fā)一些方法,能夠?qū)崿F(xiàn)這種驗證。這些方面希望政府能夠有一些支持,可以保證產(chǎn)品放到市場上“睡得著覺”。這是很重要的因素,需要主機廠和我們進(jìn)行共同的合作。
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