针对电池及电池系统的能量密度与安全性问题分析

来源：宝鄂实业 2019-05-09 21:05 点击量：次

针对电池及电池系统的能量密度与安全性问题这两天参加了一个技术论坛，主要讨论动力电池安全性方面的为题，各位专家从电芯安全、系统安全、安全控制、安全监控手段等各方面进行了讨论和介绍。总体认为，虽然近期发生了许多电动车燃烧事故，但总体上电动汽车应当是安全的，同时认为，当前在动力电池应用方面，有一些冒进，作为一个还算新的产品，应当容许在创新工作中出现一些问题。针对目前搞容量的811、622高镍三元材料，认为安全性还是有一些问题，应当加强验证、改善后再推广应用。针对电池及电池系统的能量密度与安全性问题，本人有以下拙见：

一、安全性与能量密度二者所处的地位是不同的

安全性测试是直接由国家强制性标准来执行的，而能量密度的检测方法是以通知的形式下发执行的，具体要求是结合整车的补贴政策来的，所以个人认为对能量密度的要求只是暂时性地，当补贴政策取消后，虽然检测方法还在，但具体要求以及随着补贴政策的消失而灭亡。而且技术是在不断发展的，这个能量密度要求在标准中又不好体现。除非补贴政策取消后，再下发通知，对能量密度做出具体要求。

安全性出现重大问题是会使新能源车走向灭亡的，而能量密度低只是会影响电池的装车的能量，也就是影响续驶里程，但很大一部分可以通过加强整车与电池系统的一体化设计来解决。

二、究竟如何衡量安全性和能量密度问题，整车厂是决定者，最终还是要交由市场来决定

整车厂是电池的用户，市场销量具有最终决定性。在安全性和行驶里程方面，目前来说整车厂首要考虑的是安全性。对于商用车来说，电池组的安装空间不存在问题，续驶里程可以通过占用更大的空间、装更多更大的电池组来解决，而安全性则不能通过这个方法来解决，并且安全性是决定产品生命的因素，没有哪个客户敢用多次出现起火燃烧的电动车的。对于乘用车来说，安全性更是排在第一位的，虽然最终用户可能意识不到这一点，把行驶里程、快充等性能放在前面，但这些只是会一时影响车辆的销售，安全性则是会影响一时的，这就要看整车厂的选取了。当然，电池装车量也可以通过整车与电池组的集成设计解决。

并且目前有个现象就是电池组能量的虚标问题，以前电池组设计，都有容量或能量设计冗余，目前为了拿到更多的补贴，都在往高处标。如以前额定容量100Ah的电池组，实际容量至少在105Ah以上，而现在，100Ah的电池系统，可能实际容量也就95Ah左右，没有设计冗余，也是一个问题。

三、能量密度的解决应当主要从电芯方面来解决，安全性方面应主要从电池系统层面考虑来解决

只要是能量体，就存在不安全因素。从道理上说，汽油比电池更不安全，但汽油车的安全性用户能接受，电动汽车的安全性用户为什么就不能接受？

能量密度低的根源在于电芯，目前将能量密度与补贴政策紧密结合，目的是促进电池金属的进步与电池系统技术的发展，但目前许多厂家为例拿到高额补贴，在电池体系没有发生改变的情况下，想尽一切办法降低电池系统部件的重量，包括电池箱用更薄的材料、组合用最少的组件，甚至到流体也会去减重，这会严重影响电池系统的安全性。

本人认为，能量密度的提高应当80%从电芯方面去考虑，存进新体系电池材料的发展，而不是在原有材料基础上修修补补，电芯做的更、更大，会到来寿命和热量问题。811、622材料是可以也应当接受的，但需进行全性能方面的验证，而不能出来检测基本电性能过关就上车，这是不负责任的体现。要验证的是寿命、快充性能、高低温性能、各项管理控制参数等，以及稳定性、梯次利用可行性等，还有一些基础性原理的研究。安全性能要考虑，但不应当放在最重要的位置，因为电池再怎么不安全，也会比汽油安全吧，本身三元电芯在我国最初应用于电动车就存在一些安全性问题，后来将标准进行了一些修改。

安全性问题主要应当从电池系统层面考虑，至少应当承担70%的责任。单个电芯出现安全性问题并不可怕，可怕一是大部分出现问题，如过充电；二是出现连锁式反应引发大的安全事故。这些组要应通过电池系统的设计与控制来予以解决，靠电芯本身是解决不了的，后续的标准也会在系统层面体现的越来越多。

四、进一步的研究要深入

1、新的材料体系

这是解决能量密度的最终办法。从政策方面应支持加快此层面的研究。

2、结合电芯性能的BMS管理与控制

目前的BMS其实主要是监测功能，控制和防护功能相对缺失。同时，其实各个厂家的电池性能等是不一样的，目前BMS成了通用产品，但对具体电池性能的管理弱了一些，应当有针对性地加强针对具体厂家电芯的管理和控制功能，以便更好提高系统的可靠性电池及电池系统安全性问题（3）过充电

多数情况下的热失控等是由于过充电问题引起的。在电池已经充满电的情况下，继续强制充电，多余的能量就要设法找到去处，就会产生副反应或者形成热量，积累到一定程度发生爆炸、起火等现象。而处于过充电状态的电池组，电池荷电状态高，充满了能量，出现热失控会带来更大的危害。

1、过充电产生的原因

（1）表观上的过充电

指按照实际容量计算，充电容量已经远大于电池组的实际容量。这种情况可以很容易根据充电时间、充电电流等计算出来。

这种情况下的过充电大多出现在参数的检测和控制上。检测每只电芯的电压、电池组的温度，出现检测不到或数据失真，充电电压继续上涨，就出现过充电。

（2）表观上未出现过充电，实际已经发生过充电

指按照电池或电池组的实际容量计算，电池组并未充满电，但实际上已经过充了。

a 特殊环境下的过充电

每种电池、甚至每个厂家的电池在不同环境下所适应的充电电流是不一样的。例如，在低温条件下，锂离子电池就不适宜充电，此时的不适宜充电不是指不能充电，只要以足够小的电流进行充电，还是能冲进去一些的，只是意义有多大另当别论。一般来说，温度越低，所适应的充电倍率越小。高温条件下电化学活性加大，化学反应速度加快，理论上可以承受较大的倍率进行充电，但此时温度高，充电产生的热量也大，电池也容易出现理论上的过充电。所以，应确定在每种边界条件下电池所适应的充电倍率。

b 充满电后频繁通断继续充电

检测和动作有一个之后时间，无论是设备还是BMS。BMS也设置有延迟时间，从检测到充电截止到继电器动作有一之后时间。在小型电池组（用MOS关开）中比较明显，当检测到电池出现过充电时，电池组关断，电池组电压下降到一定值时，又恢复充电，长此下去会造成电池过充电。笔者曾经做过一次试验，用检测设备对电池组进行充电，采用磷酸铁锂圆柱电芯，充电到3.6V停止，3.45V左右恢复充电，一晚上时间，将电池充漏液了，极耳也断裂开。

c 电池的不一致性

主要时成组电池荷电量的不一致和所处环境的不一致，以及串联电池容量的不一致。这容易造成部分电池过充电，尤其在检测故障情况下。

2、避免过充电的措施

（1）控制策略

控制电池在合适的SOC范围内进行充放电，有压差报警，最高电压限制等。如单体充放电3.0-4.15V，最高限制4.18V，压差300mV。三元电池电压超过4.5V就很危险了，4.2V与4.5V压差在300mV，超过此数值就有可能危险。