中汽中心王芳博士：測試評價須貫穿動力電池全生命周期
11月18日-20日，第九屆動力電池應(yīng)用國際峰會(CBIS2024)在中國上海舉行。本屆峰會以“向新·融合——開創(chuàng)產(chǎn)業(yè)合作新時代”為主題，由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會聯(lián)合電池中國網(wǎng)共同主辦，廣東利元亨智能裝備股份有限公司總冠名。
在18日下午舉行的“逸飛激光專場：先進電池技術(shù)及應(yīng)用”主題論壇上，大會主席/中國汽車技術(shù)研究中心有限公司首席科學家/動力電池應(yīng)用分會專家委員會副主任委員王芳博士，作題為《在役動力電池全生命周期先進測試技術(shù)》主旨發(fā)言。
以下是王芳博士主旨發(fā)言內(nèi)容：
非常感謝，我的報告主要分為四部分的內(nèi)容。我們首先看一下動力電池的綜合評價體系。
對于動力電池來說貫穿了動力電池全生命周期，在從電池的研發(fā)設(shè)計開始到研發(fā)生產(chǎn)當中的材料選型，相應(yīng)的反應(yīng)機制到生產(chǎn)制造，再到實際的產(chǎn)品下線，到用車和全生命周期的使用，再到回收的環(huán)節(jié)，也就是說退役再生的環(huán)節(jié)。
整個全生命周期都離不開測試評價技術(shù)的發(fā)展，今天和大家交流只涉及到從生產(chǎn)線下線以后到使用的全生命周期。
首先第一在正常電動汽車使用的環(huán)節(jié)，電動汽車到目前為止的全球保有量和整個產(chǎn)銷量已經(jīng)到了很高的級別，隨著這么多年的快速發(fā)展和經(jīng)驗的積累，動力電池在這個階段的測試評價和應(yīng)用，從原來最開始對于電池電壓、內(nèi)阻等等的常規(guī)性能的評價到了結(jié)合氣體、壓力、膨脹力、內(nèi)阻等等綜合性能的多參數(shù)、多維度的綜合評價過程。
在這個過程當中很多的測試技術(shù)也會用到對于載用車健康狀態(tài)的評價上，包括與管理系統(tǒng)連用的交流阻抗的測評，包括析鋰熱力，就剛才說的膨脹力等等和電池在全生命周期循環(huán)過程當中鋰枝晶的損失，活性鋰的損失，鋰枝晶的生長以及ICR膜的閉環(huán)等等關(guān)聯(lián)關(guān)系。
大家會用這個方法綜合的去開展，對電池的全生命周期的健康狀態(tài)的評估和安全預警、故障診斷等等一些工作。
去年相關(guān)部委當時又交給我一個這樣的課題，電動汽車到了這個階段大家關(guān)心這樣幾件事：
第一，年檢，每年電動汽車要檢測什么，最主要最關(guān)鍵的就是動力電池的健康狀態(tài);
第二，保險，保險公司會非常在意對電動汽車的保險定價和理賠怎么確定、診斷;
第三，二手車交易時電池的健康度是怎樣的，二手車定價的依據(jù)是什么。
所以去年交給我這樣一個課題我們團隊通過結(jié)合以前經(jīng)驗的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用大半年的時間給出了一個答案，我們研制了一些裝置，你要想做剛才說到的幾件事無論年檢、理賠、二手車交易我們不可能把電池把從車上拆下來，所以對在役的電池來說我們要想準確的評估它的健康度，有兩個必要的條件：
1，高質(zhì)量數(shù)據(jù)的獲取，我們能夠高質(zhì)量的拿到本身表征電池的數(shù)據(jù)，相當于人體檢一樣能夠高質(zhì)量獲取人體的參數(shù);
2，高精度的模型。
高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和高精度模型的結(jié)合才能夠得到高準確度電池的健康狀態(tài)，這是我們?nèi)ツ曜龅囊患拢覀冄兄屏艘粋€小的裝置在車上可以通過充電樁也可以同時應(yīng)用，通過五分鐘充放的過程，可以根據(jù)相關(guān)的模型快速的得到相對較高健康度的評價。
這實際上是我們目前做的比較多的對再役電池健康狀態(tài)的評價，也是未來一段時間里大家會非常關(guān)心的，也應(yīng)用比較多的。我們目前這個裝置已經(jīng)投入保險、物流、二手交易的平臺，有大量裝置跟它合作。
在這個過程中隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，大家看檢測技術(shù)對在役電池來說與AI技術(shù)、數(shù)字化、軟實力結(jié)合比較多一點，這種情況下我們會關(guān)注到一個焦點就是智能的發(fā)展。
前一階段像歐盟Battery2030的規(guī)劃和韓國2030K-Battery計劃里都明確提到智能電池的概念，我們中國做電池路線圖時不能忽略的是智能電池的概念，雖然說智能電池可能涉及到很多方面的內(nèi)容，比如本身智能化材料的應(yīng)用是一方面，第二是智能傳感的手段在電池內(nèi)的應(yīng)用和跟電池產(chǎn)品的結(jié)合。
這在實際應(yīng)用過程中還有很多問題需要我們解決，比如傳感器本身的可靠性，比如它對電池的性能有可能帶來的影響或者電池對它可靠性的破壞，這些都是需要一段時間解決、提升的一些問題。但我們不能忽略的是，在未來這種測試的手段里，一些智能的測試技術(shù)、裝置和產(chǎn)品本身的結(jié)合，也就是我們未來智能測試技術(shù)在先進產(chǎn)品里的應(yīng)用。
第三，想跟大家分享下我們對車上應(yīng)用電池到一定階段過程中，它必然伴隨著生老病死的過程，在這個過程里不能忽略的是比較常態(tài)化應(yīng)用常規(guī)典型的場景，比如機械外部的破壞，最典型的就是底部的傷害。
其次是快充，大家近些年對快速補能的需求越來越迫切，超充、閃充的技術(shù)越來越多，明天后天我們在太原還有一個充電聯(lián)盟的會也會聊到這些話題。
然后是自燃。在這種情況下，我們可以看到無論是哪一種破壞，在這個過程當中都會伴隨著熱和電，損傷，這種損傷積累到一定程度以后就會帶來電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)損傷失點的產(chǎn)生，以及到后期有可能失控和致災(zāi)的發(fā)生。
我正好結(jié)合GB38031這個標準，正好今年修訂，前一階段剛剛報批，標準修訂里面也是重點關(guān)注這三個典型的場景，是這個標準里最關(guān)鍵的三個修訂點。我們團隊和行業(yè)專家一起做了非常多的實驗。結(jié)合這個和大家談一下在實際使用過程當中損傷累計產(chǎn)生的典型狀態(tài)。
一類是底部破壞。
在分析前一階段實際應(yīng)用過程當中，發(fā)生的一些和外部的破壞相關(guān)的事故形態(tài)，我們可以看到對于電池的底部甚至損傷有幾種類型：凹坑型、劃痕型、IP等級破壞的破損型。這些形態(tài)為了更好的復現(xiàn)它，行業(yè)有很多做各種類型的，根據(jù)自己的車型定位和有可能應(yīng)用的場景做各種類型的異型物的破壞實驗。比如說鐵軌、井蓋、停車位上的三腳架等等去看這種情況下對于車身的底部損害。
我們把它做了一種總結(jié)，這些形態(tài)都是實驗室給企業(yè)做過的實驗，包括還有模擬從馬路牙子下來等等這樣的形態(tài)。這上面是實際的這些場景，下面是我們實驗室模擬的動態(tài)，有可能是直接從異形物上蹭過去，還有一種可能是從臺階上下來的時候逐步有刮蹭的形態(tài)。這個是前一階段車輪打到井蓋，井蓋又彈上去打到底盤電池包位置的狀態(tài)。
這些形態(tài)分為幾大類：但是我們在做標準的時候，我們要求的是你們把所有的形態(tài)都涵蓋在內(nèi)，我們必須要把所有形態(tài)的共性提取出來，制定一個共性化的標準，我們總結(jié)了一下大概會為兩大類：
一類從前到后的刮蹭，這種刮蹭破壞除了在上面的點，從異型物接觸到電池包的第一點，會形成一個凹坑會有一個比較大的傷害，緊接著在后面會有一個長段的劃痕。
在這個過程當中我們需要考慮整個過程對電池內(nèi)部損傷的形態(tài)，我們在這次GB的標準里沒有把它寫進去，但是在GB18384電動汽車安全的標準里會考慮這個，現(xiàn)在正在討論那個標準明年會報批大家可以關(guān)注下。
第二個形態(tài)就是類似于碎石的沖擊，會在某個地方形成定點的損傷，這種損傷會跟沖擊力和嵌入的深度有關(guān)系，這個寫進了GB38031的修訂稿，模擬當電池在150J損傷的情況下還能正常使用，這是我們考慮的一些狀態(tài)。
第二就是充電。這是我們選了國內(nèi)典型的電池，使用它給企業(yè)承諾的快充的倍率進行快充，隨著快充倍率循環(huán)次數(shù)的增加，它的容量有明顯的衰降，而它的內(nèi)阻也明顯增加，我想道理非常簡單，因為在快充過程中隨著鋰離子負極嵌入的過程中，長間距也在逐漸增大，而且在內(nèi)部尤其在負極表面邊緣區(qū)域能夠看到鋰的沉積和鋰枝晶生長的過程。
這種過程中我們也能夠看到晶格和它熱穩(wěn)定性的變化，我們看它T1的溫度點明顯有一個前移，所以當電池循環(huán)到一定周次后它的安全性跟初期相比某些安全性會有下降，但我們既然承諾了消費者能夠快充也就意味著全生命周期快充的，這種情況下意味著循環(huán)到末期快充也不能出安全問題。
所以國家標準里增加了這樣一條就是循環(huán)300次后，我們算了下大概有10萬公里的里程，循環(huán)后再做短路我們要求也不能起火和爆炸，這是基本的要求。
第三是加熱，加熱有很多有外部的火源也有內(nèi)部的，當做加熱時我們前幾年的國標里大多做的是PACK熱擴散的實驗，但我們從今年開始會陸陸續(xù)續(xù)的把重點關(guān)注到整車的熱擴散上，這可能是最接近實際使用的狀態(tài)。
所以今年的修訂里重點的地方是把整車方案寫進國標里面具體怎么做實驗。大家可以看到我們在做的時候，里面會有很多的溫度探測點和煙霧探測點，意味著對于整車來說除了要求電動汽車當一個電芯發(fā)生熱失控的時候，不能熱擴散、起火爆炸以后，按道理我們內(nèi)部的溫度也不能超過對人員的傷害的極限溫度，以及煙氣不能在短期內(nèi)進入到乘客艙，比如說5分鐘之內(nèi)。
在這個過程當中，除了我們關(guān)心最簡單的會不會著火之外，大家關(guān)注更多的是對人體的健康和安全的考量，所以到了最后一點就是危害。
電池無論是發(fā)生熱能量的傷害以后，最關(guān)心的是人員安全的問題。在前期對于當發(fā)生失控，從健康到損傷產(chǎn)生再到失效，我們再看失控的環(huán)節(jié)。
我們希望我們車有正常的報警，另外不能有煙氣過高的溫度，比如說48度，超過人體損傷能夠承受的溫度到達乘客艙的位置。
除了這個以外，我們非常關(guān)心的有一些體系的電池失控以后，燃爆極限和有可能產(chǎn)生的安全風險等級。
最后提一點，我們在做這個過程當中，這個也是我們團隊剛剛研制的裝置，可以同時把電池從損傷產(chǎn)生到失效失控的全過程，把一氧化碳、氫氣、溫度、電壓、膨脹力等等9個參數(shù)同時進行測試，去看它在全生命周期損傷產(chǎn)生的過程中，內(nèi)部特性的變化和外在性能的表現(xiàn)直接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，更好的評價電池從健康到損傷產(chǎn)生，到失效失控全過程的變化。
也希望以后有機會可以和大家有更多的機會做交流，我自己本人平時在天津比較多一些，我們科研的內(nèi)容會在天津多一些，但是在廣州、武漢、常州也有基地、也有相應(yīng)的實驗室，也歡迎和大家有更多的互動和交流，謝謝大家。
(以上為嘉賓演講內(nèi)容速記，未經(jīng)嘉賓核對)
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