电动汽车锂动力电池安全性分析与试验

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1、电动汽车锂动力电池安全性分析与试验,哈 尔 滨 理 工 大 学 赛恩斯能源科技有限公司 李革臣 2009.09.03,主要内容,1、概述 2、锂电池的安全性 3、电动汽车对电池安全性的要求 4、锂动力电池超常规安全性试验 5、安全性相关标准 6、安全性结论,1、概述,锂动力电池 铁锂电池、锰锂电池、三元材料电池的近期发展迅速，为电动汽车能量系统的提供成为可能，尤其是磷酸铁锂动力电池的安全性、寿命、比能量、比功率等性能，近期将成为纯电动汽车的主要能源。 电动汽车 自从2008北京奥运会以来，我国新能源汽车市场巨大，虽然国内市场尚未被完全开发，很难量化预测。科技部部长万钢提出，希望到2012年，国

2、内有10%新产汽车是节能与新能源汽车。,万钢部长表示，科技部计划通过连续3年，在国内10个以上的大城市，进行千辆新能源汽车试验，使我国到2010年节能与新能源示范车达到1万辆。,万钢预计，到2012年我国每年的汽车产量中有10%（100万辆）是混合新能源汽车，那么一年将节油7.8亿升，减少二氧化碳排放230万吨，减少碳氢化合物排放780吨。,科技部长万钢奥运会后 在绿色能源汽车发展高峰论坛,锂离子电池市场预测,电动汽车电池将进入快速发展阶段，并成为锂离子电池市场份额上升的动力。,锂动力电池系统应用领域,电动汽车、电动自行车、电动工具,风能、太阳能、 电力调峰,汽车、火车、舰船 燃料电池，飞机,

3、移动基站、电力开关柜、银行UPS,锂 动 力 电 池 系 统,动力电源,蓄能电源,启动电源,备用电源,锂动力电池系统应用领域,锂动力电源 系统,太阳能 电站,飞机 启动,电动汽车,电动自行车,电力,火车、 地铁,风能电站,舰船,移动通信基站,银行UPS,电动工具,EV、HEV电动汽车动力系统框图,操作显示仪表,电池组BMU,电池管理系统BMS,控制器,充电装置,CAN 控制总线,发动机,驱动电机,中央控制单元,发电机,底盘与车体,ECU,电池性能与电动汽车性能的关联性,电动汽车性能 动力电池性能 行驶里程、载重 比能（Wh/kg) 启动、加速性、爬坡能 比功（W/kg） 充电时间 充电倍 停车

4、期间电损耗 自放电 能使用效 充放电效 购买价格 电池成本 使用成本(￥/km) 循环寿命,新能源汽车企业决定成败的关键,电动汽车 动力 电池 安全性 安全性 价格 制造成本 运营成本 使用寿命 行驶里程、载重 比能 启动性、加速性、 比功率 充电时间、能量回收 充电倍率 停车期间电损耗 自放电率,主要内容,1、概述 2、锂电池的安全性 3、电动汽车对电池安全性的要求 4、锂动力电池超常规安全性试验 5、安全性相关标准 6、结论,2、锂电池的安全性,锂动力电池由于比容量大、寿命长、绿色环保等优良的性能而得到了广泛的应用，但由于多次事故的发生，其安全性越来越受到重视。 对锂动力电池的研制和生产来

5、说，电池的安全性不仅是指在各种测试条件下不出现冒烟、着火，爆炸等现象，最为重要是确保科研、生产、使用人员即使在电池滥用的条件下也不受伤害。,安全性的几个误区,1、磷酸铁锂动力电池绝对安全。 2、单体电池容量与安全性无确定关系。 3、通过权威机构检测电池就安全。 4、出厂安全性检验合格电池就安全。,世界上没有绝对安全的电池,电池是能量的载体，本质上就存在不安全因素。 不同的电化学体系，不同的容量，使用工艺参数，使用环境，使用程度，都对安全性有较大的影响。 由于电池存储能量，在能量释放的过程中，当电池热量产生速度大于散热速度时,温度就会升高。温度升高安全性降低。 锂离子电池由高活性的正极材料和有机

6、电解液组成，在受热条件下非常容易发生剧烈的化学反应，这两种反应将产生大量的热，甚至导致的“热失控”，从而导致电池温度的进一步上升。是引发电池发生危险事故的主要原因。,电池中的能量,以20Ah锂离子电池为例， 3.6V*20Ah=72Wh=259.2千焦 每克TNT炸药含4.20千焦的能量 259.2/4.2 = 61.7克 即一只20Ah锂离子电池仅存储的电能相当于61.7克TNT炸药的能量。 以上计算还未计电解液燃烧所含能量，及正极活性物质分解的能量。,影响电池安全性的因素,锂离子电池安全性问题与电池材料、制造工艺、使用环境、保护装置、都有直接的关系.。 电池制造过程中，浆料的均匀度、涂布工

7、艺中加热温度或时间导致残留的溶剂使活性物质剥落, 分切工序极片边缘出现的毛刺、卷绕过程中混入的杂质，都易引起电池内部短路。,影响电池安全性的因素,在强震动情况下，电池极片上的活性物质也可能剥落，电池的极耳、点焊接点、接线片、外部的连线、焊点等可能会折断、脱落， 从而引发电池(组) 的内部短路、外部短路。 在大电流充放电情况下, 可能导致电池及其控制电路接点的熔化、导线及电子元器件的损坏。,影响电池安全性的因素,锂离子电池过充时,电池电压随极化增大而迅速上升，会引起正极活性物质结构的不可逆变化及电解液的分解，产生大量气体，放出大量的热，使电池温度和内压急剧增加，以至产生燃烧和爆炸。 锂离子电池在

8、低温条件下, 导致金属锂沉积在电极表面，导致短路。,安全性随使用循环变坏,随着动力电池使用次数的增多，电池的内阻不断增大，而电池的容量逐渐降低，电池性能逐渐变坏。 对于确定的负载，往往所需功率是确定的，因此电池容量降低将引起倍率增大，内阻增大会引起电池温度升高，影响安全性。 电池的安全性是相对的， 一定循环次数之前的电池安全测试是合格的，而经过一定循环次数后电池将呈现出不安全因素。,安全性与一致性密切相关,在电池组中，单体之间的差异总是存在的， 目前的各种分类方法，如按容量、按内阻、按电压曲线等，本质上均不能满足动力电池一致性的需求，工作一段时间后，都会产生较大的分散性，电池组的寿命缩短。安全

9、性降低。 动力电池必须建立“动态一致性”的概念。 子木科技的动态一致性相关方法，如多维激励法，多点频谱法，数学模型参数法和极化特性法，可满足动态一致性的分选基本要求。 动态一致性及安全性须有专用设备及工艺保证,2、锂动力电池专用针床式化成、检测、分类设备,目前， ZM910A磷酸铁锂动力电池专用针床式化成、检测、分选设备，综合采用了子木科技十三项独有最新技术， 专为高品质电动汽车动力电池的化成检测分选而设计， 具有多项 独有功能，充分保证了电动汽车动力电池的动态一致性与安全性。,子木科技ZM910A锂动力电池专用针床式化成、检测、分类设备,1、节能专利技术； （40） 电池行业公认的子木科技专

10、利技术；“电池放电能量利用系统”，已在多家镍氢电池企业成功应用。该技术目前已成功应用于ZM910A磷酸铁锂动力电池设备，与目前行业其他设备相比，可节省电能50%以上。降低了生产成本，节省了空调投资，改善了车间环境温度，保证了电池质量。 2、智能动力电池化成技术； （30） 目前的电池行业普遍采用的恒流化成方法，没有考虑每只电池的自有特性，属于填鸭式充放电，不能达到预期的化成效果，甚至会损坏电池。对于质量要求极高的电动汽车动力电池，应采用新的化成方式。ZM910A采用智能动力电池化成技术，根据每只电池的极化特性进行化成，保证了化成质量。,子木科技ZM910A锂动力电池专用针床式化成、检测、分类设

11、备,3、电池极化特性测试技术； （20） 根据电化学基础理论，电池的极化特性是表征动力电池性能的最本质的性能参数，对电动汽车动力电池尤为重要。可以表征充电接受能力、放电倍率、内阻、甚至循环寿命。子木科技ZM910A采用数字化技术，使极化特性测试技术获得重大突破，成功解决了规模生产动力电池极化特性的测试难题。 4、电芯微短路测试技术； （10） 电动汽车动力电池采用多只单体电池串并联方式，因此单体电池的微短路测试变得极为重要。到目前为止，微短路测试在电池行业仍是未解决的难题。子木科技设备ZM910A装备了Mi.D博士最新科技成果，使微短路测试难题得以解决。,子木科技ZM910A锂动力电池专用针床

12、式化成、检测、分类设备,5、电池内阻测量技术； （5） 动力电池的内阻直接影响到大电流时的发热情况，动力电池检测设备内阻测量功能非常重要。ZM910A的内阻测试功能完全可满足电动汽车动力电池的需要。 6、动态一致性分类技术； （20） 电动汽车动力电池组是成百上千只单体电池的组合应用，对电池的一致性要求很高，目前的根据容量，内阻、电压等评价一致性的方法，属静态方法，不适合电动汽车电池的要求。ZM910A采用了子木科技的专利技术；“多维激励法动力电池分类技术”使电动汽车电池组的动态一致性得到保证。,子木科技ZM910A锂动力电池专用针床式化成、检测、分类设备,7、设备健康度状态（ESOH）自诊断

13、与自修复技术；（10） 对于一致性要求极高的电动汽车动力电池，当设备定期检修或发现故障维修时，就已经误检测了多批电池，混入其他工序，已经无法挽回。ZM910A采用，具有实时设备健康度状态（ESOH）自诊断与自修复功能，随时自动进行设备的准确性检测、分析与评估，并采取有效措施，精确地保证电池的品质。 8、全自动精度校准技术； （5） 电动汽车动力电池对测试设备的精度要求非常高，需定期（3个月- 6个月）对设备进行精度测试和校准，由于针床设备结构的特殊性，有的厂家校准一台针床设备需较长时间，对生产影响很大。子木科技研发中心已研制成功ZM910A全自动精度校准装置，大大提高了设备校准的效率和准确度。

14、,子木科技ZM910A锂动力电池专用针床式化成、检测、分类设备,9、恒温化成检测控制技术； （40） 磷酸铁锂动力电池在化成和分选的过程中，保持恒温非常重要，可以提高化成质量和提高分类精度，充分保证动态一致性。ZM910A能保证电池的环境温度误差25-752。 10、本质安全供电技术； （20） 由于采用了子木科技专利技术“电池放电能量利用系统”，实现了直流母带式的供电方式，没有任何与大地连接的交流强电接入设备，由于完全隔离了强电电网，操作人员及维修人员都不会发生触电事故。因此，ZM910A属本质安全供电技术。,子木科技ZM910A锂动力电池专用针床式化成、检测、分类设备,11、大电流恒流恒压

15、技术； 子木科技采用数字化技术，使ZM910A最大电流可达10A ,为动力电池极化特性的测试和动态一致性分级的激励信号，提供了设备技术基础，到目前为止，国内外针床式锂电设备多为3A,最大5A，不能满足电动汽车动力电池生产要求。 12、电源针床一体化技术； 由于子木科技数字化技术、大功率高效开关源技术，节能技术，安全供电技术等，多项技术综合，实现了一体化，使设备体积大大缩小，ZM910A比同类设备体积小一半以上，引线减少3倍以上，减小了测量干扰，节省了厂房空间， 明显减少空调使用，提高了操作效率。,子木科技ZM910A锂动力电池专用针床式化成、检测、分类设备,13、数字化控制技术； 子木科技20

16、04年研制成功数字化电池检测系统，采用最先进的DSP数字信号处理技术，运算速度比单片机快100倍。子木数字化技术代表了电池检测设备的发展方向。 ZM910A正因为应用了子木科技的数字化技术，才使上述的多项最新功能得以实现。保证了子木科技设备的各项最优性能。 ZM910A是综合了子木科技多年的电池行业化成检测设备经验的代表性成果，采用了多项子木科技专利及成熟技术，该设备必将像92年子木科技DK100设备推动镍氢电池的发展一样，再次为目前蓄势待发的电动汽车锂动力电池产业做出贡献。,主要内容,1、概述 2、锂电池的安全性 3、电动汽车对电池安全性的要求 4、锂动力电池超常规安全性试验 5、安全性相关

17、标准 6、结论,3、电动汽车对电池安全性的要求,安全性是电动汽车第一指标，极其重要。 电动汽车电池的使用特点是其他电源电池不能相比的， 存在或可能存在高速移动、剧烈震动、高温工作、快速充放电，潜在着撞击、刺伤、短路、跌落、浸水、火烧、甚至枪击的可能性。 因此，电动汽车对动力电池的安全性要求极高，对百万分之一的非安全概率都会造成极其严重的后果，它意味着我国年产100万辆新能源汽车每年都要发生多起安全事故。 对锂动力电池科研、生产、使用过程：召回制度、安全隐患对锂电 企业是致命性的打击。 安全、安全、再安全是锂动力电池永久的话题。,主要内容,1、概述 2、锂电池的安全性 3、电动汽车对电池安全性的

18、要求 4、锂动力电池超常规安全性试验 5、安全性相关标准 6、结论,1、过充试验 2、过放试验 3、短路试验 4、高温试验 5、挤压试验,6、针刺试验 7、跌落试验 8、浸水试验 9、火烧试验 10、枪击试验,4、锂动力电池超常规安全性试验,实验目的,测试锂电池的实用过程的安全性 权威检测部门的检测仅对样品负责，不对产品负责。 锂电池的安全标准是不燃烧，不爆炸； 兼容863电动汽车用锂电池标准 模拟汽车滥用状态下的超常规测试；,1、过充试验,2、过放试验,3、短路试验,4、高温试验,5、挤压试验,6、针刺试验,7、跌落试验,8、浸水试验,9、火烧试验,10、枪击试验,主要内容,1、概述 2、锂

19、电池的安全性 3、电动汽车对电池安全性的要求 4、锂动力电池超常规安全性试验 5、安全性相关标准 6、结论,5、安全性相关标准,中华人民共和国汽车行业标准 电动道路车辆用锂离子蓄电池 QC/T 7432006 国标 电动汽车 安全要求 第1部分：车载储能装置 GB/T 18384.1-2001 国标 电动汽车 安全要求 第2部分：功能安全和故障防护 GB/T 18384.2-2001 国标 电动汽车 安全要求 第3部分：人员触电防护 GB/T 18384.3-2001 中华人民共和国国家标准 电动道路车辆用铅酸蓄电池 GB/T 18332.1-2001,国际标准,IEC 62133 Ed. 2

20、.0 预计发布时间：2009-12 含碱性或非酸性电解质的电池和电池组便携式单体电池和电池组的安全性要求 Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes - Safety requirements for portable sealed secondary cells, and for batteries made from them, for use in portable applications,IEC 62619 Ed. 1.0 预计发布时间：2012-05 含碱性或非酸性

21、电解质的电池和电池组固定用和动力用大容量锂蓄电池和蓄电池组的安全性要求 Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes - Safety requirements for large format secondary lithium cells and batteries for stationary and motive applications,国际标准,IEC 62620 Ed. 1.0 预计发布时间：2012-05 含碱性或非酸性电解质的电池和电池组固定用和动力用大容量锂蓄

22、电池和蓄电池组 Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes - Safety requirements for large format secondary lithium cells and batteries for stationary and motive applications,IEC 61982-4 Ed.1 投票截至日2009-10-30 电动道路车辆用需蓄电池组第四部分：锂单体蓄电池的性能测试 Secondary batteries for the propu

23、lsion of electric road vehicles Part 4: Performance testing for lithium-ion cells,国际标准,IEC 61982-5 Ed.1 投票截至日2009-10-30 电动道路车辆用需蓄电池组第五部分：锂单体蓄电池的可靠性和滥用测试 Secondary batteries for the propulsion of electric road vehicles Part 5: Reliability and abuse testing for lithium-ion cells,6、安 全 性 结 论,1、单体电池容量不可

24、做得太大 2、严格电池制造工艺，保证极板电流均匀 3、保证电池生产环境，防止杂质导致短路 4、严格电池内点焊质量控制 5、电解液添加阻燃剂，但会影响电池性能 6、在电池内装置PTC) 7、采取有效措施对电池组实施热管理，极其重要 8、对电池的工作电流、电压、温度严格监控 9、最大提高BMS的性能和可靠性,高安全高性能高可靠赛恩斯锂动力电池系统,1、本质型安全可靠：电池特殊组合结构，能量控制本质安全型; 2、驱动功率大：电芯具有高倍率放电特性，不发热; 3、充电速度快：电芯具有高倍率充电特性，不发热; 4、动态一致性检测及控制技术; 综合措施保证长期使用寿命； 5、单体电芯级可保养维修技术：多国专利; 6、管理系统功能强：军品概念设计，稳定可靠; 7、热管理散热均衡及阻抗均恒组合方法及工艺，多国发明专利。,串联混合电动客车,图一:整车行驶2.5小时（140公里），总电压与电流的关系,图二:整车行驶2.5时（140公里），温度与SOC关系,Thank you 谢 谢,