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避免讳疾忌医与因噎废食 关注动力电池安全性

2018 年 12 月 24 日 00 : 41 原创 编辑:周凯 来源:EV知道
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[ EV知道 实验室 ]日前,前途汽车邀请国家863电动车重大专项动力电池测试中心主任王子冬先生在做客北京前途·驿,为其客户与媒体带来了一场主题为“充电时刻动力电池安全性问题漫谈”的公开课。由于工作关系,我个人对于王老师的观点还是颇为熟悉的。由于身负国家电动车电池安全的重任,王子冬一直对于车载动力电池的安全问题极为严格,对于存在的安全问题的批评之严厉甚至能让初次接触的人产生“这个人是不是新能源黑”的怀疑。

避免讳疾忌医与因噎废食 关注动力电池安全性

所以在刚听到一个主机厂邀请动力电池安全专家做专题讲座的消息时,我真的是颇为吃惊的。要知道对于现下努力推动电动汽车市场发展的主机厂宣传部门来说,对王老师的讲话可能恨不得都划做“内部文件”。毕竟严格的说整个新能源汽车行业的动力电池在安全性上仍然存在着诸多问题,而这样近乎负面的信息往往各大厂商“讳莫如深”的内容。如今被这么光明正大的摆在公众(特别是自身客户)面前、任由媒体传播,作为新能源汽车行业一员的前途汽车不可不谓是“胆大妄为”啊。

避免讳疾忌医与因噎废食 关注动力电池安全性

果不其然,当日现场,王子冬先生就动力电池发展趋势、动力电池安全性以及解决安全性的难点展开了较为深入的分析。这里我尝试这将对王老师的观点进行一些总结与解读。

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一、电动汽车≠纯电池驱动

首先,电动汽车并不等于纯电池驱动,电池仅仅是一个新能源的存储装置。对于电动汽车的定义应当是电驱动汽车,而不仅仅是纯靠电池驱动的汽车。

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虽然如今的国内电池总成能量密度已经可以达到160Wh/kg,这在业界已经是一个相当优秀的成绩了。但我们回头看看,汽油的能量密度是12222Wh/kg,在汽车上应用所转化出的“等效能量密度”也在3000Wh/kg以上。据不少专家认为,如果电池总成的能量密度不达到500Wh/kg以上,从市场角度来讲是不具备完全替代内燃机的可能性的。要实现这个指标,在电池领域将需要一次翻天覆地的全方位的技术跨越,难度极大。而这个跨越的较为长期过程中,新能源汽车需要一个适应性更好的过渡措施。

正如新能源汽车战略的重要发起人、全国政协副主席、前中国科技部部长万钢早前在“2018中国电动汽车百人会论坛”所讲:“我们更加要注重内燃机与电动化融合发展方面的技术革新。过去,我们在均质充量压缩点燃(HCCI)、新型的循环、内燃机增程器、转子发动机方面曾投入大量研发力量,但是它们难以独立地覆盖汽车发展的整个动态需求。现在,针对新型动力、混合动力系统方面,完全可以找到用武之地。因此,高效率增程式机电混合系统,将是今后的重点研发内容之一。”

在未来很长一段时间内,基于近年来在先进内燃机技术与电驱动技术方面的积累,将电驱动系统与内燃机结合起来,发挥各自的优势,研发高效率机电混合的增程式系统,使得整体社会上的车辆可以把能耗和排放降下来,将是一定时期内国家新能源汽车发展的重要指导方向。

二、过度追求纯电续航里程不可行

目前行业内对于纯电动汽车解决里程焦虑的办法无外是更快的充电速度与更大的装机电池容量。而这两种方式都存在着很大的问题。

快充,一对现有电网存在巨大的压力,二是大电流是对充电安全性有巨大的考验。而大电池组也有着严重的节能减排效率低下的问题。为了实现大续航里程,如今的电动汽车往往要配备80甚至100kWh的电池包,这样的电池包质量往往会超过500kg。一辆乘用车携带着如此巨大的附加质量,可想而知其能耗会多么巨大。而且电池还有个不同于燃油的特点:质量基本恒定,电池是不会如同燃油一样随着消耗而减重的。燃油烧没了就是没了,而电池无论电量多少该多重就是多重。这就导致电池总成增重的影响更加突出。

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笔者通过一些统计数据了解到,其实我们大多数情况下我们平时90%单次出行里程都在120km以内,即便是作为营运车辆的出租车每天累计里程91%的样本也是在360km以内、中值位于280km。也就是说,200km左右的续航里程已经可以应对大多数人的绝大多数使用。当然由于目前电池容量受温度影响较大,这个数字可能还要略放大一些。

而我们的现状却是仅仅为了一年内可能只会出现的几次使用需求,更多的只是为了解决大家的“里程焦虑”,就要汽车背着多了一倍多质量的电池跑完它的整个寿命期。这无论是从经济上、还是环保上,都是得不偿失的行为。所以在电池技术取得突破性进展之前,电动汽车无限度的追求过大续航里程是不可行的。

当然,现在的电池电量管理水平仍然存在问题,导致车辆的续航里程估算严重不准确。同时充电设施的不完善,特别是失效率(损坏、被占、不开放等)过高更加加剧了“里程焦虑”。这也都是继续我们加大投入、努力解决的问题。

三、提升动力电池的安全性仍任重道远

电池安全性的问题无论是哪个环节、阶段出现的,其实总结起来关键就是两个问题:热失控与污染。

首先说污染。锂电池在生产、使用(特别是起火爆炸后)、后处理(循环利用、报废处理)过程中,都存在了大量污染物。这些污染如何处理、如何监督、如何纠错,目前仍处于摸索与完善的过程中。这个过程中,本身就存在着很大的风险。

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再说热失控。也就是我们日常不断讨论的锂电池起火爆炸问题。先说说为什么锂电池这东西为什么这么爱爆炸。

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从锂电池原理上看,锂离子电池充电时,正极的锂原子会丧失电子,氧化为锂离子。锂离子经由电解液游到负极去,进入负极的层状结构里,并获得一个电子,还原为锂原子。放电时,整个程序倒过来(这就是摇椅电池的得名由来)。为了防止电池的正负极直接碰触而短路,电池内会再加上一种拥有众多细孔的隔膜来防止短路。好的隔膜还可以在电池温度过高时,自动关闭细孔,让锂离子无法穿越,以自废武功,防止危险发生。

大家发现了问题没有,锂电池内部之所以可以不短路其实完全倚仗着隔膜。而这个隔膜的厚度仅仅几十微米,一旦隔膜破裂导致电池内部短路,也就最终导致了“热失控”。

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那么除了生产环节造成的质量缺陷,导致电池隔膜破损的主要因素就是电池遭遇过充或电流过大时内部产生的锂枝晶,锂枝晶的过度生长最终刺穿隔膜导致电池内部短路。一旦电池内到处都在发生微短路,电池温度会逐渐升高,最后高温将电解液气体。当这种情形发生时,爆炸基本已经不可避免,因为现在的技术与日常使用现状是无法对电池内部进行迅速精确的降温处理的!

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电流过大,负极不能接纳更多的锂离子导致形成枝晶,刺穿隔膜造成短路。这也是为什么如今的锂电池应用中要严格控制电池的充放电倍率的关键性因素。

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而过充造成的爆炸,就更为常见的。电池过充后材料结构坍塌,极片上到处都是针状锂金属结晶,刺穿点到处都是!更严重的过充引发内部短路造成的这种爆炸,并不一定发生在充电的当时。还有这样一种情况,电池温度还未高到让材料燃烧、产生的气体也未足以撑破电池外壳时,我们就终止充电。这时众多的微短路所产生的热,慢慢的将电池温度提高,经过一段时间后,才发生爆炸。这也是我们目前很难精确预报电池起火的原因之一。

而随着国家补贴政策对于电池能量密度的要求不断快速提高,很多企业因为在根本性技术上无法取得突破,就通过减少电池的安全性结构来“减员增效”。特别是电池内占比颇大的隔膜惨遭毒手,厚度是一减再减,从原本的几十微米被缩减到甚至不足十微米。数量级的厚度差距,体现在大功率应用场景的动力电池上,安全性必然受到致命的影响。

要知道即便我们在预设条件下的安全预防已经做的非常好,但面对新能源汽车已经颇为巨大的保有量和实际使用中的面对极端情况,各种小概率事件的发生也是不可避免的。而随着车载电池容量的增大,一旦发生了事故,如何保障乘客安全、如何保证环境安全都是需要各相关行业研究的问题。

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况且,电池安全并不只是车辆寿命期内的事情,电池生产、回收再利用、废品处理等全寿命期的安全都是需要考虑的环节。而在这些方面,业界并没有非常完善、完整以及充足的经验。近年来,电池生产厂、回收厂乃至运输环节发生的事故也是屡见不鲜。

业界目前对于动力电池安全的保障,特别是关键性的电池一致性问题,更多的要从生产环节进行控制。王子冬先生举了一个例字:“2003年去日本考察时,我曾问过日本电池专家,他说我们做动力电池是一模一样的。丰田混合动力的车用的是液晶电池,生产速度48秒一个电池。我当时询问不合格电池是怎么挑出来,他停了三到五分钟的时间,日本厂长想了半天,说这个问题没法回答,他说我们生产的电池就不可能有不合格的。他说你想我48秒一个电池组,一个电池组当中有30-40个模块,一个模块6个电池,一天有几十万的电池要做。所以一旦出现几个不合格的电池,比重做一天的电池量还要花成本高。”

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而国内来说,前途汽车旗下的动力电池配套企业华特动力就采用了颇具特色的质量管理体系。一般来说电池包的生产厂家只需要在供应商在把电芯发来之后,对收到的电芯进行质量管理和检测即可,但华特电动为了尽可能保证电池单体的“一致性”,对供应商电芯生产过程遵循严格的监控机制。生产期间,前途汽车工作人员到卡耐驻场监控,严格把关电芯质量。由于电芯的原材料不同批次间不可避免的存在细微差异,因此华特要求卡耐供货的每一批电芯,都必须采用同一批原材料。

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对于华特电动这种严格到甚至“干涉供应商内政”的全程质量管控方式,中国汽车工程学会名誉理事长付于武称赞为“第一次听说这种管控方式,但是这种管控思想非常系统,我赞同这种做法。”而王子冬更是曾直言“前途汽车是现在中国电动车行业中,电池设计思路最安全的,没有之一。

总结:

爱之切责之深,只有真正的把安全心中才会对于我们现阶段存在问题痛心疾首。对于新能源汽车领域、特别是动力电池存在安全性问题,我们不能回避,但同样也不能逃避。王子冬先生正是出于对于新能源事业的关切,在会上特别嘱托媒体要对动力电池安全问题深入研究、准确报道,切不可断章取义、人与人云。新能源战略是关系到未来我国能源安全、关系到我们全体中国人发展权的重大问题,一定要全力的推动下去。

(文中部分图片来源自网络)

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