电动车用动力电池安全试验技术发展-王子冬

电动车用动力电池安全试验电动车用动力电池安全试验技术的发展技术的发展中国北方车辆研究所动力电池测试中心中国北方车辆研究所动力电池测试中心王子冬王子冬演讲者：王子冬工作单位：中国北方车辆研究所（201所）经历：1982年毕业于北京理工大学车辆学院，学士学位1992年-1993年在日本学习，重点学习日本的企业管理、产品开发、生产线管理、产品的市场开发。1994年回国后担任北方汽车质量监督检验鉴定试验所常务副所长1996年曾去美国三大汽车公司学习汽车产品的研发技术2002年至今担任国家863电动车重大专项动力电池测试中心主任现在受国家发改委和科技部的委托，主要负责电动车用各种动力电池的测试、评价和产品认证工作联系电话；010-83809250Email：[e-mail]一一..动力电池安全测试标准和动力电池安全测试标准和试验试验•我们在完成国家863电动车重大专项课题任务过程中，积极开展测试方法研究工作，组织并负责起草了我国汽车行业电动车用动力电池强制检测标准《电动汽车用锂离子蓄电池》（QC/T743-2006）《电动汽车用金属氢化物镍蓄电池》（QC/T744-2006）《电动汽车用铅酸蓄电池》（QC/T742-2006），参与了HEV、EV电动车用动力蓄电池测试规范和国家重要技术标准的制定工作。我国的汽车行业涉及的动力电池安全标准我国的汽车行业涉及的动力电池安全标准•国家十五863计划电动车重大专项实施过程中，根据课题滚动制定了相应的EV/HEV车用锂离子蓄电池测试规范；2004年启动的动力电池汽车行业标准制定工作，与重大专项同步实施。该系列标准于2006年8月1日实施，已应用于发改委电动车公告管理强制性检测工作中。•考虑到电动车用动力蓄电池的使用性能及使用特性，QC/T743-2006明确了单体和成组或模块的划分，并将试验项目以单体和模块相应划分；各项目检验标准依据国内外相关标准、国内动力电池的研发水平及电动车实际应用特性确定，均比国标的相应项目要求严格。特别值得注意的是，在2005年行业标准的起草过程中，对于如何把握和评价动力电池安全性能是非常慎重的。IEC62281、UL1642、UN38.3《联合国危险物品运输试验和标准手册》、美国USABCEV车用电池测试手册、美国Freedomcar项目HEV车用电池测试手册等都对电池的安全测试有详细要求。•从科学、实用以及我国动力电池发展阶段考虑，在标准中明确的滥用条件主要包括：短路试验、挤压试验、跌落试验、针刺试验、加热试验、过充试验、过放试验等，并将单体及模块蓄电池的安全试验分别要求。•目前我正在起草国家新能源汽车公告管理的电池测试标准。单体----20℃放电容量功率测试、-50℃~100℃放电容量、充放电特性测试、常温/高温荷电保持能力、大电流放电试验、常规循环寿命试验、模拟工况循环寿命试验、安全试验（包括针刺、挤压、短路、过充、跌落、高温）等。模块：简单模拟工况、-50℃~100℃放电容量试验、耐振动试验、一致性测试、循环寿命试验等。安全试验（包括针刺、挤压、短路、过充、跌落、高温）等。目前主要项目目前主要项目::二、二、国内外电池性能的差异国内外电池性能的差异（其中的曲线日本电池是模块数据，国内电（其中的曲线日本电池是模块数据，国内电池是单体数据）池是单体数据）国内外几种电池的性能比较曲线国内外几种电池的性能比较曲线高温、低温放电比较0.00%20.00%40.00%60.00%80.00%100.00%120.00%Prius市民雅阁新市民lexusANQCHLSHZH日立放电率-20℃放电55℃放电能量密度01020304050607080PRIUS“市民”雅阁新“市民”lexusANQCHLSHZH日立能量密度（Wh/kg）简单模拟工况平均直流电阻0.000.501.001.502.002.503.003.50(SOC95%-78%)10c(SOC73%-57%)20c(SOC51%-35%)10c(SOC30%-13%)20c阶段直流电阻(mΩ)PriusCivic雅阁lexushonda2civic2国外几种电池的性能比较曲线国外几种电池的性能比较曲线2002-2005年HEV用镍氢电池能量密度变化趋势图01020304050607080BLYSCLSZSP研制单位能量密度（wh/kg)2002200320042005我国我国HEVHEV用镍氢动力电池性能进展用镍氢动力电池性能进展2002-2005年HEV用镍氢电池功率密度变化趋势图020040060080010001200BLYSCLSZSP研制单位功率密度（(wh/kg)2002200320042005我国我国HEVHEV用镍氢动力电池性能进展用镍氢动力电池性能进展..•国外高功率型电池的比功率高、电池动态直流电阻小、电池一致性好、可靠性好，电池组在使用过程中的通风设计合理、环境一致性好，管理系统简单，商品化水平高。•国内电池的技术和生产水平与国外相比，还有比较大的差距，我们应该加大电池研究、设计、生产方面的投入，认真分析产生差距的技术原因，研究“具有自主知识产权”的解决差距的方法。总总体体评评价价比比较较三三..锂离子电池安全试验问题锂离子电池安全试验问题分析与讨论分析与讨论安全问题如何发生？安全问题如何发生？•过充电时会出现容量损失或热失控•电池挤压破裂或短路时排气和可能热失控锂离子电池过充电时的安全问题锂离子电池过充电时的安全问题因为过充会使正极脱出更多的锂从而在负极上析出金属锂生成锂枝晶；过度脱锂的正极发生结构变化，同时有放热反应发生！电解质有时机溶剂体系，会发生分解反应甚至燃烧！影响锂电池安全性的影响锂电池安全性的因因素素•正、负极材料•隔膜•电解液•电池结构•使用条件•保护措施电池安全性讨论电池安全性讨论•滥用条件：•短路；•积压；•针刺；•过充电；•高温；•冲击；•震动等锂离子电池正极材料热特性锂离子电池正极材料热特性材料名称LiCoO2LiMn2O4Li(NiCoMn)O2LiFePO4可逆比容量(mAh/g)140100150145中点电压(V)3.73.83.63.2充电终止电压(V)4.254.354.33.85对过充电的承受能力(V)0.10.10.050.7室温循环寿命(cycles)6006001000150055℃循环寿命(cycles)3001003001200DSC热流(kJ/g)65015060010无保护下的过充电4.9/3C爆炸8V/3V火焰8V/3C火焰25V/3C通过价格(元/Ah)20152212可获得的电池比能量(Wh/kg)18010015090LiFePOLiFePO44安全性最好，寿命长，极有吸引力安全性最好，寿命长，极有吸引力！！试验完成情况试验完成情况•目前在试验室进行过试验的国内锂离子动力电池企业有：深圳比亚迪公司、中信盟固利公司、北大先行公司、ATL公司、天津力神公司、苏州星恒公司、深圳雷天公司、天津十八所、洛阳天空能源公司等；•国外企业主要是镍氢电池，如松下公司、三洋公司、美国的江森公司、通用公司；•超级电容器有美国的MAXWELL公司和韩国LS公司；•国外锂电池企业有美国依顿公司。比比较较•我们在镍氢动力电池和高功率型锂动力电池方面与国外差距比较大；•在高能量型锂动力电池方面与国外差距不大；•硬件差距主要体现在：电池结构、电池一致性、开发手段、电池生产工艺、电池生产设备水平、电池组合技术、电池组管理系统水平、电池组合过程中的一些基础元件等；•软件差距主要体现在：生产过程管理团队、产品质量控制方法、产品设计理念、产品性能分析软件、下一步应该首先解决的问题下一步应该首先解决的问题1．电池尺寸的标准化、系列化；2．电池一致性的认识、控制和测试；3．电池管理系统的简化和测试；4．电池结构、连接的改进和优化；5．电池组的高功率性能、安全性、可靠性的提高6.生产设备和质量控制方法的研究在此基础上才能降低成本、提高质量和产量。四四..动力电池试验的发展动力电池试验的发展试验样品数量的不同试验样品数量的不同•试验样品要求改进:•根据电池组能量大小的不同,试验拟采用不同的试验对象,如:电池组能量小的,考虑采用电池组进行性能和安全试验,电池组能量比较大的性能测试采用电池组,安全试验采用10-20只串联的模块.寿命试验寿命试验•1．55℃搁置寿命其搁置寿命应不小于56天（8周循环）。•2．循环寿命循环寿命在容量不低于90%条件下,分别应不小于800次和600次/组。•3．55℃加速循环寿命循环寿命应不小于200-300次/单体。环境适应性环境适应性•1低气压•2振动•3自由跌落•4恒定湿热放电容量应不低于额定容量的90％•5高温下模制壳体应力外壳不能发生导致内部组成暴露的物理形变。安全保护性能安全保护性能•1过充电保护•2过放电保护•3短路保护安全要求安全要求•1过充电：1C、10V时间为90min•2强制放电：1C电流对电池进行反向充电，时间不低于90min。•3外部短路：且电池外表面温度不高于150℃。•4针刺•5挤压•6撞击：重量9.1kg的重物从610mm高度自由落到电池中心的钢棒上。•7高温烘烤：150℃•8机械冲击：125～175g，3ms。•9温度冲击：75℃±2℃、20℃±5℃、-20℃±2℃，搁置4h。谢谢与会领导谢谢与会领导和各位专家！和各位专家！