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新能源汽车安全控制策略研究系列(一)——动力电池安全策略研究

时间:2021-10-28作者:陈佚阅读量:637

随着新能源汽车销售量与保有量的攀升,新能源汽车的安全事故和安全问题呈现多发态势,对人民生命和财产安全带来了隐患,受到了社会和政府的高度关注,影响了消费者购买新能源汽车的信心,新能源汽车安全问题成为新能源汽车行业发展的制约因素,任其发展将对新能源汽车行业造成致命影响。

北京分院动力电池研究团队通过对相关课题的研究积累,建立了新能源汽车安全控制策略相关研究能力,形成了一系列研究成果。本期概要分享我们关于动力电池部分的安全策略研究成果。

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作为新能源汽车的核心部件之一的动力电池,其安全策略是我们研究的重点。动力电池产业经过十多年的培育、扶持和引导,经历了从弱到强,从小到大的过程。由初期的模仿、跟随发展为主导和引领,实现质的飞跃,量的提升,产生了多家具有国际影响力的动力电池生产企业。同时电池行业必须清醒的认识到在动力电池设计验证、生产制造、使用回收等方面依旧存在诸多问题,亟待攻关和研究。

一.设计要求

在动力电池设计验证环节,主要是设计需求模糊导致的设计目标不明确,以及开发周期过短导致的验证不充分。整车使用工况和使用场景的不确定性导致整车企业无法明确其产品定位,因此无法针对零部件提出明确的技术需求和指标要求。电池企业与车辆企业在技术共享、信息交流、运行特点和使用维护等方面的衔接和沟通不透彻,难以将车辆的实际使用要求转化为电池测试验证评价的方法,也难以提出针对性的技术指标要求。例如,定位为私家车的车辆用于营运,其车辆的行驶工况、日负荷强度、使用年限等均有明显差异。由于需求的不明确性,整车及零部件的验证试验无法有效反映实际情况,存在验证不充分的情况。此外,由于产业发展迅速,政策调整频次较高,企业追求高比能量,导致产品的开发周期缩短,产品迭代迅速,无论整车还是零部件的长周期验证试验均不充分,由此引发验证试验未覆盖普遍工况的情况,也是造成安全事故的重要原因之一。

二.生产制造要求

在动力电池设计制造环节,主要是生产工艺、流程、质量控制等方面存在有待提升和完善的地方。质量控制对电池单体的生产质量尤为重要,过程的质量控制是保证电池单体质量和一致性的重要手段,例如进料的杂质金属检测及筛除,以及涂布环节的杂质控制等均会对电池的质量产生重要的影响。此外,由于电池对水分的敏感性,电池生产环境的湿度控制极为重要,对电池的性能、寿命和安全性均会产生重要的影响。加强对生产工艺的优化,是现阶段提升产品品质的必经之路,也是目前行业普遍存在的短板。

三.验证和评价要求

电池和电池系统等关键部件的供方,应与整车企业建立相适应的质量管理体系并接受整车企业的管理和审核。关键部件的供方应实施质量保证,有相关证据证明其开发能力。

对于不同的技术方案、不同技术水平和安全特性的高能量密度电池产品,在换产、新投放、产品更新前,应开展充分的检验测试;对于标准法规未明确规定的方面,企业应自主研究并形成独特的验证评价和模拟仿真分析能力。

对于新材料、新技术的应用,应开展全方位的深入研究,对于动力电池的使用和数据信息,关键部件企业应结合电池机理主动与整车企业共同研究、分析。

四.配合进行车辆维护检查及数据分析的要求

在动力电池使用管控环节,主要是动力系统匹配控制及使用过程中阈值控制问题。由于验证环节不充分,导致车企对动力电池全生命周期的性能无法精准获取,因此在动力系统匹配时易出现过度需求,导致电池过负荷使用,加速了电池的衰减,造成了潜在的安全隐患。验证环节不充分的另一弊端是无法获取安全阈值随寿命变化的规律,导致在车辆使用过程中安全控制策略无法精准实施。

综上,在动力电池的设计、研发、生产、制造和使用等环节中存在的主要问题集中在验证周期短、验证不充分、验证方法不完善等方面。因此从提高电池产品品质和产品一致性方面着眼,亟需建立顶层设计和长远规划,对产品做长周期规划,积极开展验证方法的研究和创新,从验证中发现问题,指导产品研发和生产。

五.动力电池的技术方向

目前制约新能源汽车技术和产品普及推广的核心瓶颈在于动力电池,主要影响因素包括安全性(居于首位关注)、经济性(成本)、能量密度(重量和体积)以及充电倍率等。目前动力电池研究和重点工作方向集中在材料、电池制造、BMS管控、系统集成等方面的前沿核心技术研究。

1、在材料领域,改进正极材料配比及成分以兼顾活性和稳定性等技术研究(例如材料的无钴化),固态电解质、锂元素提取、隔膜表面改性处理等技术也得到高度重视和发展;

2、在电池制造领域,制造过程的自动化和机械化、制造工艺精细化、混线生产及智能制造、数字化技术、数字化管理等成为今后工作的主要方向,并着力研究软包电池铝塑膜封装技术等“卡脖子”技术;

3、在BMS管控领域,重点开展BMS用芯片等关键核心技术攻关,以及研究基于大数据分析和云平台等先进技术的动力电池状态在线预测和运行安全实时预警技术等;

4、系统集成领域,电池系统企业与车辆企业呈现密切合作、深度联合研究的发展趋势,一体化设计和模块化设计理念得到广泛认可,同时对于电池系统的结构、功能和性能的优化,以及新技术的应用(如CTP/CTC-cell to package/cell to chassis)将提升产品的质量能量密度和体积能量密度。

在新技术应用及技术高度集成发展的同时,在电池和车辆的使用和运行安全方面也带来了风险,主要包括:一是各类新技术的衔接和匹配的程度和方式可能引发新的隐患;二是采用的新材料、新工艺、新结构等的电池产品与车辆使用要求的适应性不强;三是新产品的安全阈值和临界状态的机理有待深入研究;四是快速的技术迭代带来了成熟度和稳定性的挑战。

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