撰稿丨电池中国
11月18日-20日，第九届动力电池应用国际峰会（CBIS2024）在中国上海举行。本届峰会以“向新·融合——开创产业合作新时代”为主题，由中国化学与物理电源行业协会联合电池中国网共同主办，广东利元亨智能装备股份有限公司总冠名。
在18日下午举行的“逸飞激光专场：先进电池技术及应用”主题论坛上，大会主席/中国汽车技术研究中心有限公司首席科学家/动力电池应用分会专家委员会副主任委员王芳博士，作题为《在役动力电池全生命周期先进测试技术》主旨发言。非常感谢，我的报告主要分为四部分的内容。我们首先看一下动力电池的综合评价体系。对于动力电池来说贯穿了动力电池全生命周期，在从电池的研发设计开始到研发生产当中的材料选型，相应的反应机制到生产制造，再到实际的产品下线，到用车和全生命周期的使用，再到回收的环节，也就是说退役再生的环节。整个全生命周期都离不开测试评价技术的发展，今天和大家交流只涉及到从生产线下线以后到使用的全生命周期。首先第一在正常电动汽车使用的环节，电动汽车到目前为止的全球保有量和整个产销量已经到了很高的级别，随着这么多年的快速发展和经验的积累，动力电池在这个阶段的测试评价和应用，从原来最开始对于电池电压、内阻等等的常规性能的评价到了结合气体、压力、膨胀力、内阻等等综合性能的多参数、多维度的综合评价过程。在这个过程当中很多的测试技术也会用到对于载用车健康状态的评价上，包括与管理系统连用的交流阻抗的测评，包括析锂热力，就刚才说的膨胀力等等和电池在全生命周期循环过程当中锂枝晶的损失，活性锂的损失，锂枝晶的生长以及ICR膜的闭环等等关联关系。大家会用这个方法综合的去开展，对电池的全生命周期的健康状态的评估和安全预警、故障诊断等等一些工作。去年相关部委当时又交给我一个这样的课题，电动汽车到了这个阶段大家关心这样几件事：第一，年检，每年电动汽车要检测什么，最主要最关键的就是动力电池的健康状态；第二，保险，保险公司会非常在意对电动汽车的保险定价和理赔怎么确定、诊断；第三，二手车交易时电池的健康度是怎样的，二手车定价的依据是什么。所以去年交给我这样一个课题我们团队通过结合以前经验的基础数据，用大半年的时间给出了一个答案，我们研制了一些装置，你要想做刚才说到的几件事无论年检、理赔、二手车交易我们不可能把电池把从车上拆下来，所以对在役的电池来说我们要想准确的评估它的健康度，有两个必要的条件：1，高质量数据的获取，我们能够高质量的拿到本身表征电池的数据，相当于人体检一样能够高质量获取人体的参数；高质量的数据和高精度模型的结合才能够得到高准确度电池的健康状态，这是我们去年做的一件事，我们研制了一个小的装置在车上可以通过充电桩也可以同时应用，通过五分钟充放的过程，可以根据相关的模型快速的得到相对较高健康度的评价。这实际上是我们目前做的比较多的对再役电池健康状态的评价，也是未来一段时间里大家会非常关心的，也应用比较多的。我们目前这个装置已经投入保险、物流、二手交易的平台，有大量装置跟它合作。在这个过程中随着检测技术的发展，大家看检测技术对在役电池来说与AI技术、数字化、软实力结合比较多一点，这种情况下我们会关注到一个焦点就是智能的发展。前一阶段像欧盟Battery2030的规划和韩国2030K-Battery计划里都明确提到智能电池的概念，我们中国做电池路线图时不能忽略的是智能电池的概念，虽然说智能电池可能涉及到很多方面的内容，比如本身智能化材料的应用是一方面，第二是智能传感的手段在电池内的应用和跟电池产品的结合。这在实际应用过程中还有很多问题需要我们解决，比如传感器本身的可靠性，比如它对电池的性能有可能带来的影响或者电池对它可靠性的破坏，这些都是需要一段时间解决、提升的一些问题。但我们不能忽略的是，在未来这种测试的手段里，一些智能的测试技术、装置和产品本身的结合，也就是我们未来智能测试技术在先进产品里的应用。第三，想跟大家分享下我们对车上应用电池到一定阶段过程中，它必然伴随着生老病死的过程，在这个过程里不能忽略的是比较常态化应用常规典型的场景，比如机械外部的破坏，最典型的就是底部的伤害。其次是快充，大家近些年对快速补能的需求越来越迫切，超充、闪充的技术越来越多，明天后天我们在太原还有一个充电联盟的会也会聊到这些话题。然后是自燃。在这种情况下，我们可以看到无论是哪一种破坏，在这个过程当中都会伴随着热和电，损伤，这种损伤积累到一定程度以后就会带来电池内部的结构损伤失点的产生，以及到后期有可能失控和致灾的发生。我正好结合GB38031这个标准，正好今年修订，前一阶段刚刚报批，标准修订里面也是重点关注这三个典型的场景，是这个标准里最关键的三个修订点。我们团队和行业专家一起做了非常多的实验。结合这个和大家谈一下在实际使用过程当中损伤累计产生的典型状态。在分析前一阶段实际应用过程当中，发生的一些和外部的破坏相关的事故形态，我们可以看到对于电池的底部甚至损伤有几种类型：凹坑型、划痕型、IP等级破坏的破损型。这些形态为了更好的复现它，行业有很多做各种类型的，根据自己的车型定位和有可能应用的场景做各种类型的异型物的破坏实验。比如说铁轨、井盖、停车位上的三脚架等等去看这种情况下对于车身的底部损害。我们把它做了一种总结，这些形态都是实验室给企业做过的实验，包括还有模拟从马路牙子下来等等这样的形态。这上面是实际的这些场景，下面是我们实验室模拟的动态，有可能是直接从异形物上蹭过去，还有一种可能是从台阶上下来的时候逐步有刮蹭的形态。这个是前一阶段车轮打到井盖，井盖又弹上去打到底盘电池包位置的状态。这些形态分为几大类：但是我们在做标准的时候，我们要求的是你们把所有的形态都涵盖在内，我们必须要把所有形态的共性提取出来，制定一个共性化的标准，我们总结了一下大概会为两大类：一类从前到后的刮蹭，这种刮蹭破坏除了在上面的点，从异型物接触到电池包的第一点，会形成一个凹坑会有一个比较大的伤害，紧接着在后面会有一个长段的划痕。在这个过程当中我们需要考虑整个过程对电池内部损伤的形态，我们在这次GB的标准里没有把它写进去，但是在GB18384电动汽车安全的标准里会考虑这个，现在正在讨论那个标准明年会报批大家可以关注下。第二个形态就是类似于碎石的冲击，会在某个地方形成定点的损伤，这种损伤会跟冲击力和嵌入的深度有关系，这个写进了GB38031的修订稿，模拟当电池在150J损伤的情况下还能正常使用，这是我们考虑的一些状态。第二就是充电。这是我们选了国内典型的电池，使用它给企业承诺的快充的倍率进行快充，随着快充倍率循环次数的增加，它的容量有明显的衰降，而它的内阻也明显增加，我想道理非常简单，因为在快充过程中随着锂离子负极嵌入的过程中，长间距也在逐渐增大，而且在内部尤其在负极表面边缘区域能够看到锂的沉积和锂枝晶生长的过程。这种过程中我们也能够看到晶格和它热稳定性的变化，我们看它T1的温度点明显有一个前移，所以当电池循环到一定周次后它的安全性跟初期相比某些安全性会有下降，但我们既然承诺了消费者能够快充也就意味着全生命周期快充的，这种情况下意味着循环到末期快充也不能出安全问题。所以国家标准里增加了这样一条就是循环300次后，我们算了下大概有10万公里的里程，循环后再做短路我们要求也不能起火和爆炸，这是基本的要求。第三是加热，加热有很多有外部的火源也有内部的，当做加热时我们前几年的国标里大多做的是PACK热扩散的实验，但我们从今年开始会陆陆续续的把重点关注到整车的热扩散上，这可能是最接近实际使用的状态。所以今年的修订里重点的地方是把整车方案写进国标里面具体怎么做实验。大家可以看到我们在做的时候，里面会有很多的温度探测点和烟雾探测点，意味着对于整车来说除了要求电动汽车当一个电芯发生热失控的时候，不能热扩散、起火爆炸以后，按道理我们内部的温度也不能超过对人员的伤害的极限温度，以及烟气不能在短期内进入到乘客舱，比如说5分钟之内。在这个过程当中，除了我们关心最简单的会不会着火之外，大家关注更多的是对人体的健康和安全的考量，所以到了最后一点就是危害。电池无论是发生热能量的伤害以后，最关心的是人员安全的问题。在前期对于当发生失控，从健康到损伤产生再到失效，我们再看失控的环节。我们希望我们车有正常的报警，另外不能有烟气过高的温度，比如说48度，超过人体损伤能够承受的温度到达乘客舱的位置。除了这个以外，我们非常关心的有一些体系的电池失控以后，燃爆极限和有可能产生的安全风险等级。最后提一点，我们在做这个过程当中，这个也是我们团队刚刚研制的装置，可以同时把电池从损伤产生到失效失控的全过程，把一氧化碳、氢气、温度、电压、膨胀力等等9个参数同时进行测试，去看它在全生命周期损伤产生的过程中，内部特性的变化和外在性能的表现直接的关联关系，更好的评价电池从健康到损伤产生，到失效失控全过程的变化。也希望以后有机会可以和大家有更多的机会做交流，我自己本人平时在天津比较多一些，我们科研的内容会在天津多一些，但是在广州、武汉、常州也有基地、也有相应的实验室，也欢迎和大家有更多的互动和交流，谢谢大家。（以上为嘉宾演讲内容速记，未经嘉宾核对）
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