王芳:测试电池系统更关注系统可靠性

第一电动网 综合报道

10月17日至18日,中国节能与新能源汽车产业发展高峰论坛在北京举行。以下为中国汽车技术研究中心电池首席专家王芳博士讲话实录。

主持人:欢迎大家参加由中国电工技术学会、中国国际贸易促进委员会机械行业分会、汽车知识杂志社、寰球时代汽车投资管理有限公司主办的节能与新能源汽车产业发展规划成果展览会暨高峰论坛、中国国际纯电动车、混合动力车和燃料电池车及关键零部件技术交流论坛,上午我们第一节主要议题是动力电池、储能设备和充电服务,我们第一个演讲嘉宾是中国汽车技术研究中心电池首席专家王芳博士,她是中国汽车技术研究中心电池领域首席专家,负责节能与新能源关键零部件的测试、评价和论证工作,她在研科目包括多项863项目,同时还负责参与国家标准的相关工作,下面有请王芳博士给大家做报告,王芳博士的报告是电动汽车用动力电池系统要求及共性技术,大家欢迎。

中国汽车技术研究中心电池首席专家王芳博士

中国汽车技术研究中心电池首席专家王芳博士

王芳:首先非常感谢主办方邀请来参加这个会议,跟大家在电池的攻坚技术,以及对于系统在审核运用过程当中做一些交流。我的报告内容分为这样三个部分。第一个部分就是电池系统通用要求和标准化的一些工作,也想给大家做一个介绍。大家可以看到,因为现在对于电池系统的要求已经形成了一个国家的标准,我们现在已经是AEV,包括安全性已经在报批的阶段,这个图就是标准里头一个附录的图,电池系统有这样几个关键的部分,我没拿激光笔,橘色这一块就是电池,还有高压部件这一块,另外还有比较关键的浅黄色的那一块,就是电池的管理系统跟几个关键的部件,当然还有从高压部件接出去,跟车上总开关相连接的地方,所以这几个关键的部件,所涉及到的内容,今天正好咱们看到有系列专家的报告也会牵扯到相关的内容,一直包括到总开关跟车的连接以及充电的部位。

因为电池系统大家看到,我刚才说到了,电池包含这样几部分,实际在使用的时候,在设计的时候,包括后期想要正常使用的时候,我们都会牵扯到它对于电、热以及结构一系列的设计和综合的一些优化和评估,所以对于系统的通用要求我们可以分为这样几个部分,首先电池外壳,要有一系列防护等级等等这样一些要求,对于电池内部电池包,就是电池本身我们有对它的电性能,高低温性能,它的一些寿命这样性能,也决定了车的性能某些方面的优越,包括它的续航里程等等。

第三部分就是系统,对于系统,要称之为一个系统,肯定会需要更多对于系统的保护功能以及系统安全可靠性来要求,所以现在大家也可以看到,因为现在车确实也越来越多了,而在大家对于车的开发和应用也是越来越关注了,所以对于车的电池评测也是有很多的侧重,这个从对电池派克的,对于性能有很多考核,我们也已经形成了一个标准。从电池系统,更多是关于系统的可靠性,和它的安全保护功能,所以可以看到有这些电的保护功能,以及热的,以及结构的可靠性等等这样一些要求。这些要求绝大部分上升到国家的标准了,可以看一下,这是现在国内外经常考核所用的一些标准,我们国家的标准主要是从ISO12405转化过来的,同时也借鉴了其他的一些标准,比如说ECER100法规,UL2580的标准,等等美国的一些标准,但是我们在做的时候,更多会考虑到中国的一些实际情况,中国所特有的一些特色,所以说也会有一些改动。我们在做的时候,其实上次在跟别人交流的时候也讲过,在对国内外电池系统的标准也做过一个分析和评价,测试的内容都是大同小异,有一些侧重点,但是基本项目和关注点都是类似的。所以我们国家在形成相关标准的时候,目前有这样一些行业和国家的标准,行业的包括电池管理系统的QCT897,同时也包括电池箱和系统的一些通用要求,另外还有在国标这一块,陆续出台了三个比较重要的标准。这三个部分的标准,第一第二在去年年底就已经报批到政府部门,而第三部分是在8月份通过委员会的审查,因为这几个标准主要是我们这边来组织起草相关的工作,所以上个月底刚刚完成相应的报批稿,现在也正在走报批的流程,所以简单给大家介绍一下相关的测试。

性能这一块,能量性和功率性,和SOC的标准是啊差不多的,里面比如测试的试验条件会有一些调整,包括SOC的状况,以及所测的点,比如在5个SOC点下,甚至更多点下你都可以去测试,你都是可以根据你的需求去选择,而我们根据实际的必要性,又进行了进一步的删减和调整,所以在很多情况下会选择三个非常有必要的SOC点去测试。能量性和功率性差异主要有一点,功率性可以要求测试高低温启动功率,更关注它的功率性能的测试。安全性能要求第三部分,总共有16项测试的性能,第一个就是机械可靠性的测试,比如说震动、模拟碰撞和挤压,也比如说跌落、翻转,这些都跟车在实际运行中可能受到机械的破坏,这样会进一步导致电池受到了伤害的考核,对电池的耐受性评价。第二部分就是环境的可靠性,比如说温度的冲击,湿热的循环,海水的浸泡,以及高海拔的影响,比如大家知道咱们中国有很多地方海拔高度还是比较高的,在这种情况下电动汽车能否正常的行驶,是不是会影响它的续航里程等等,这些也是比较关心的,所以电池也得在一定程度上能够满足这方面的需求。第三部分就是对IMS系统的切断和试检等等这样一些保护,所以包括过充、过放、过温、过流等等这样一些事情和切断的功能。

标准主要就介绍到这儿,其实在制定标准过程当中,也包括跟客户的沟通当中,这两年多的时间,大家之前可能光关心,就是通过QCT743的报告就可以,但是这两年大家非常关心电池系统开发过程当中的评测和最终的论证,所以在两年多一点的时间里面,我们也测了大概应该150套以上的电池包,在做这个过程当中,我们也总结了一下,对电池系统测试的流程,这个是每一项测试都要做的流程,因为电池系统跟小的电池还不一样,可能小电池觉察不到它的危险性,实际上等到电池高压系统的时候,我们可能很多方面都要非常的注意,特别是做一些安全性的时候,当然做电性能的时候,也要尤其的关心,因为比如说每一项测试之前,你对于电安全的检查都是必不可少的,然后在试验之后,对于电安全的检查及样品的存放也都是非常重要的。

我刚才因为有罗列了电池系统,包括电池包,含有电池箱主要的通用要求,因为时间比较有限,只能跟大家分享一些客户经常做的,现在整车厂、电池厂比较关心的一些测试,我会拿一部分来跟大家交流一下,然后系列的东西,还有其他想了解的,可以会后单独的沟通。因为电池系统评测这一块,电性能我想讲两个,一个对一致性的评价,其实企业在做的时候,不是经常我单单列了考核一致性,实际在做的时候,比如评测它功率的特性,甚至包括循环寿命的一些评价的时候,会很关心一致性对于电池包性能的一些影响,实际上确实是这样,我们发现电池在做VP测试,或者做快放试验的时候,经过一定循环以后,看到一致性对于电池系统的影响,因为大家也知道,这个电池总体性能,就是由最差的那个电芯决定的,最差是什么样一个状态,当然电池整体表面状态就是这样,不可能说好于那个电池,所以作这种情况下,一致性非常重要,也是大家评估关注的重点。

第二个想讲的性能就是低温启动,因为这是有个地域性测试的特色,在北方更多关心这方面的性能,当然大家知道在北方设计的时候会加一些电热片,我们也跟企业做了很多这样的合作测试。也看到企业相对来说还是会很关心这方面本身的低温启动性能,我们也大体归纳了一下,目前做的比较多有这样三大类,一个恒电流,一个恒电压,一个恒功率的,考核的目的和自己测试想要看到的一些参数和内容,是不太完全一样的,比如恒电流更大程度上考核它能够达到最大的极限,电池能表现出来它最好的性能。电性能这块我就想讲这么多,其他一些细节的动作,我们在做的过程中也有很多的收获,比如BMS,你在设置的时候,电池系统怎么管理,怎么来运行才能够把电池系统发挥的更多,这些也是有很多值得去探讨和交流的地方。

因为刚才有提到,电池系统也涉及到电安全,也涉及到机械安全,也涉及到环境安全,这三个方面分别提到一两个这样的测试例子给大家分享一下。在电安全这一快,比如说过充,其实这两个是有差异的,一个是电池包的过充,还有电池系统的过充,电池包不带系统的时候,比如充到2%看电池包的状态,另外系统的过充为什么是这样,比如系统有设置,要求系统必须去试井或者切断,因为在设计的时候,我们不能在发生一种情况立马切断它,这样汽车在行驶的时候是非常不安全的,所以很多时候可能会试井,整车在通过整体情况评估以后,看是否切断供电,还是直接给司机去警示,进行下一步的操作,所以只要你有试井的功能也是可以的。其实在做电池测试的时候,当然电池包的过充、过放,都是企业它想去看看自己的电池本身的耐过充、耐过放的能力,而我们在制定国家标准的时候,更多倾向于电池系统的过充、过放保护,主要有这样一个系统保护的功能,这个应该是我们希望能看到的。

想再提到一个电池包的国家标准里没有的测试项目,但是也是我们日常几乎每天都要测试的项目,就是IP等级的测试,这个测的更多电池的壳体,当然也有带着电池包一起来测的。因为现在有很多的电池,特别是纯电动车都要求达到IP6、7的等级,IP6、7是什么样的概念,IP7左边浸到水里2个小时,不会有水的浸入,但是这个在制定标准的时候,把它挪到了行业标准,放到了电池系统通用标准里面,并且根据车的设计,这样对它的IP等级有时候没有必要要求那么高的时候,我们可以根据实际的情况去选择,所以在国标里没有做特别的要求。

另外机械安全想跟大家分享的是第一个是振动,因为我们在做国家标准,是做了随机振动,为什么这里提到一个正弦,因为企业在做产品开发的时候,也有这方面的测试,正弦包括扫频和振频的测试,它会跟车发生一些共振的频率点,在这种频率下进行来回的振动,看电池包耐振动的性能,换句话说就是一个抗疲劳的测试试验。随机这也是我们国家标准的要求,大家可以看一下随机的振动,包括X、Y、Z三个振动,这上面是个小的混合动力用的电池包来做的振动,而下边是一个纯电动的包,来做的。

接下来分享的是跌落,我们国标是电池包的跌落,实际在产品应用当中,企业很多会要求做上边这个,就是电池箱的跌落试验,因为电池箱在运输过程当中,它会有个外包装的要求,在运输过程中,我们也不希望这样一个高压系统会出现任何一些意外,或者影响了后期的使用,所以会做一个0.5米的跌落,电池包的跌落有点接近于滥用的测试,有可能在1米处的高度发生特殊情况,跌落到水泥面上,我们要求它不爆炸、不起火的测试。

第三个方面想跟大家分享的汽车在路上控制实际相关的测试,有两个,一个碰撞产生的动力,第二个静态的挤压,发生碰撞挤压以后,对于电池本身的机械变形产生的影响。环境这块,想跟大家分享一个就是盐雾的试验,其实国内国外就是两个,一个是KA测试,一个是KB测试。我们在做国家标准的时候,更多是倾向于KB的测试,国际一些协调法规相对来说比较倾向于后一种。另外环境这块还要给大家多说一个海水浸泡试验,这个也是写在国标里头,大家看一下,这个是属于不是IP7的电池包,在海水里还会发生一些反应,而且最终的结果可以看到有很多物质,我们目前的标准是要求它不起火、不爆炸就行了,但是当然我们也在做很多的课题,包括在发生反应以后,它产生了哪些反应,产生了哪些反应物,包括产生了哪些气体,是否会对站在车体身边的人产生危害,这也是我们后边要做的一些课题。还要一个火烧,火烧试验国家标准就是这样的起步,间接火烧一分钟,直接一分钟,再间接一分钟,大概70秒,就是1分钟左右,这个考核的目的很简单,就是希望如果在起火的情况下,能否保证电池别再产生更大的危害,导致乘员没有逃生的时间。比如12580会测试电池包燃烧20分钟,是看电池是否抗火烧的一些能力,这个试验目的是不太一样的。

另外环境还是要提到电磁兼容,大家知道电磁一些辐射对人体的影响,有很多东西现在无法特别客观去评估,也是国家越来越重视了,我们相关的标准,包括测试方法也在制定。还有刚才我提到的高海拔,我们做过一个6000米的高度,电池包高海拔试验,试验了以后,发现百分比还是比较大的。

最后简单提一下攻坚技术,这个不多讲了,现在根据不同的车型,可适用的电池类型也是不一样的,大家关注的内容都是一样的,比如安全性,当然大家希望能够满足消费者的期望,越安全越好,但这个至少大家应该有一个共识,安全性是一个相对的几率的问题,我们只能希望整车厂尽量提高它的安全性,降低安全事故发生的几率,所以我们要尽可能提高电池安全性能,寿命,就是是否能真正满足5到10年,成本,就是普通消费者能否接受,环境是否在一年四季影响他的使用。

电池现在所采用的技术路线,相对来说比较明确了,有这么几大类,其中大家看到在结构方面,有几大类比较特别的,大家讨论话题也比较多,一个就是PHEV1和PHEV2,这个是现在讨论比较多的。在体系方面,这个是我近一年多测的国内外的电池,左边国内,右边国外,以前绿色都是磷酸铁锂为主,现在主要体系方面主流以3元或者3元符合的体系为主了,追求的方向在保障安全的基础上,去追求更高的一个比能量,这是目前来说比较统一的。这个是之前行业专家有的,我借用一下,我们目前发展的现状,能量密度、价格、质保期,跟以前相比都已经是提升了一个水平,而材料和大规模生产的能力以及系统集成的能力也得到了很大的提升。电池的发展趋势,大家可以看到,现在肯定还是以3元的体系为发展方向,将来还有下一代的电池体系也是在现代研发的计划当中。

无论什么样的体系,无论什么样的技术路线,首先关心是我们现在应该还是按照要解决的一些供需问题,还是在尽量提高安全性的基础上去提升电池的生产一致性和其他的一些性能,这样才能够保证生产和后期的使用当中,去进行正确的评价和评估和提升它的技术,这样可以去保障电池在实际的电动汽车上能够得到一个很好的应用,谢谢大家!

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