欧阳明高：电动汽车动力电池的发展趋势与安全管理

　　我们可以把过充电这种情况也来进行一个试验，可以看出在这个过程中，我们跟刚才的过热触发不一样，这是过充电的倍率，20%的SOC，到60%就开始失控了。基本上是在20%到38%，这个时候负极会下降到0，锂金属会析出。在第二个阶段，电解液在高电压下分解，温度加速上升，电池开始膨胀，到160%SOC的时候电池膨胀到破裂，电池的电压内阻快速升温，热失控就发生了，这是过充电导致的热失控，跟刚才的热失控机理是不完全一样的。怎么办，我们可以看出过充电的原因和解决办法，首先是充电机的故障，这个可以通过充电机的完全冗余来解决。第二是电池管理的不合理，管理的不合理比如说没有监控每一节电池的电压。

　　给大家介绍一个办法看看如何会产生过充电，这是一张电池组的理论图，横坐标是容量，纵坐标是电量，电量等于容量，充满了，绿颜色的是单体，大红点是整个电池组的容量，其他是各个单体的容量，充放电的过程可以看出充电的时候最早有一个单体到达，放电也有一个单体最早到达，这就是最小充电电量和最小放电电量的单体，这是充电的时候最容易到达，最快到达的那个就会形成过充。就是现在这个小红点就是最容易过充的，我们用这样一张图可以把电池系统基本上分清楚。我们再看看，随着电池的老化，各个电池之间的一致性会越来越差，当然过充就更容易发生了，还有一个问题，就是电池组的容量比单体的容量下降的更快，红点，底下的这个就是电池组容量的下降。

　　所以我们必须了解这个过程，在此基础上，我们要进行整个电池组的均衡，来保持一致性电池组，这就是一个均衡的原理。大家可以看出对一个串联的电池组，我们现在主要是先并后串，这是最常见的电池组组合方法，先并完以后再串，这是一个串联的电池模块合起来的这些小绿点就是各个单体或者并起来的大模块。他们串起来，就是这样的情况。我们可以看出，第一我们这是一个，这些单体把它一致性起来，最后可以得到电池组容量就是那个最小容量的单体，这是我们可以达到的最大的电池组容量，也就是说一个串联电池组容量，它实际上最好的情况就是跟最小容量的单体一样大的容量。有了这个一致性之后，我们容量也回升了，同时过充这种情况也会防止。为了实现这个一致性，我们就必须对各个单体进行容量估计，也就要有一种方法来进行容量估计，这就是我们根据充电曲线的相似性来进行全体电池组的状态的估计，也既是说我们只要知道了其中一只单体的电池的曲线，其他的曲线应该跟它是相似的，经过曲线变化，他们可以近似重合，曲线变化的过程中间的这些差异就很容易算了，也就是说根据一个单体可以推算出其他的单体。有了这样的方法我们就可以进行刚才的一致性的均衡，当然这种算法的时间过长，所以要进行简化。

　　第三种就是内短路触发的热失控，比方说波音的787事件，最后找到的原因，电极和隔膜上有金属物，有了内短路，但是我们无法100%确认这个热失控是内短路触发的，但是它是最可能的原因，因为找不到其他原因，而且内短路没办法浮现。内短路是什么原因，有三种，一种是电池制造杂质，金属颗粒，另外是充放电膨胀的收缩，还有析锂。内短路是缓慢发生的，时间非常长，而且你不知道它什么时候会出现热失控。而且这个试验也是无法重复的，现在我们还没有找到能够重复由杂质引起的内短路的过程。

　　目前全世界都在研究这个问题。要解决这个问题，第一个方面是电池的选择和电池单体容量的选择，当然你要找到好的电池厂商，它的品质要好;第二个是内短路的安全预测，我们在没有发生热失控之前，要找到有内短路的单体。我们必须要找到它的特征参数，怎么办呢，我们先从一致性着手，刚才已经提到过一致性，从一致性着手电池是不一致的，内阻也是不一致的，我们只要找到中间有变异的单体，我们就可以把它辨别出来。怎么辨别，有一个办法，这就是正常的一个电池的等效电路和发生了微短路的等效电路，我们把它的方程写出来的话，方程的形式实际上是一样的，正常单体、微短路的单体，只不过这里头的参数发生了变化，所以我们可以对这些参数来进行研究，它在内短路变化中的一些特征。比方说内短路单体的电势差，它的内阻跟其他单体的差异，这些都会有特征。我们根据这些特征，把这些特征辨识出来，我们要利用模型来进行单体的辨识，因为我们可以到每个单体的电压，每个单体的电流，这些我们都是可以测的，利用这些数据再结合模型，我们就可以把每个单体的内阻估出来，把它的这些参数全部估出来。根据这些参数的变化，我们来判断它的一致性是否发生了显著性变化。第三种触发是机械触发，比方说碰撞，特斯拉就是这样的，特斯拉在美国撞过好多辆车，我们清华大学跟MIT共同合作对特斯拉在美国的碰撞事故进行过分析，这是我们分析的一些结果。如果我们在实验室进行碰撞的一个仿真，最接近的就是针刺，用针里来刺这个电池，这是一个三元电池的针刺的试验结果，红的那边是温度场，中间的温度高，右边是热失控的过程。我们如果做其他的，比如说磷酸铁锂电池，显然在这个过程中它就没有三元电池那么厉害，大家可以看电池极的温度，基本上最高温度在120℃，可以看出不同的材料在针刺的时候反应不一样的，磷酸铁锂相对安全。所以我们到现在为止，仍然坚持在大客车中间主要使用磷酸铁锂电池，暂时还不宜大规模使用三元电池，尤其对12米大客车。再比如碳酸锂电池，它也问题不大，不同的电池类型表现情况是不一样的。

　　为了研究针刺，我们做一些三维的仿真模型，这是三维仿真的针刺之后的温度场的变化和电压变化。我们也可以做碰撞，怎么撞的，撞了之后怎么变形的，这些我们也做过很多研究。在此基础上来进行安全性的设计，比方这个碰撞要解决的办法就是电池的安全保护设计，这个是很有讲究的。热失控发生之后，它会往下传播，因为第一节热失控之后它会有传热，然后开始传播，比如说有一个，然后整组像放鞭炮似的一个一个接下来。传播我们可以建立一个模型，中间温度升高率，化学能电能的产热，还有传热对流等。整个热电耦合的模型，我们可以用前面说的量热仪来做一个相关的定量的分析。有了传播模型我们就可以设计如何来阻断和抑制，这就是要加隔热层。但是加隔热层也不是个简单的问题，加厚了体积大，而且隔热层跟冷却又是矛盾的，所以这些都是需要解决的问题。总之我们在热失控扩展和抑制方面，我们也是从安全保护设计和电池管理两个方面来着手。