针刺实验的目的是什么?

汽车电子设计 2020-05-25





最近的针刺实验的故事,牵涉国内两家电池企业,我们不便多说。我们来重点说一下电池针刺实验的发展,也就是这个针刺实验能用来干什么?从总体来看:

1)随着对电池能量密度上升,成本下降,在电芯针刺安全评价方面需要做出妥协,电芯可以按照当初LEAF、Volt那样对电芯继续要求,但是带来的代价就是贵、能量密度不如人意 

2)针刺实验,在不同的应用于领域还保留,比如在储能、船舶等要求较高的地方,又不要求特别高的能量密度可以继续保留。在汽车动力电池领域,原来的针刺实验被用来做热失控传播实验的引发,也就是触发电芯热失控来看整个包的情况

3)展望未来,势必从电芯的抗内短路的能力,类似发展出来表面浅刺的方式来延续评估电芯的能力;而整包实验,开始从电芯热失控实验开始,评估车会不会烧起来

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 国内标准的变化和三元的发展


                                

国内的电池针刺实验,是从QC/T743开始的,中国当时标准要求是很严格的(针刺实验过程中瞬间释放的热量主要来自于电池内部短路。 针刺造成的内部短路将会持续发生,直到整个电池内部的电能被释放完全)在相当一段时间里面,针刺实验有助于改进电池的安全性设计,但是同时也把中国的电池技术路线固化在磷酸铁锂。而随着顶层策略的改变,要提高能量密度、提高纯电动汽车的竞争力,所以从2017的补贴开始是个拐点,如下图所示: 需要特别注意的是电池单体针刺,在2017年1月发布的《新能源汽车生产企业及产品准入管理规定》中, GB/T 31485—2015 中针刺为暂不执行项目。当时主要的理由,是国际上IEC 62660-2,IEC 62660 3 等标准,发现均未采用针刺试验来评价电池安全性。而美国的相关的标准也没有妨碍特斯拉采用NCA电芯,所以当时这个思路往前发展,也带来一波三元电芯的繁荣。 


图1 中国动力电池不同化学体系装机占比 


从全球范围来看,电动汽车是个发展的事物,欧美日等机构,在管理上其实并不想把全球性的根本法规弄的特别难过,而且各方也觉得针刺实验是某种层面的等效,对于内短路的失效模式的复现存在差异。针对方向的改变,在系统层面关注热失控传播的特性,来评估整个结果。当时想的是给电芯的开发留出一些空间,在系统和整车层面只要有个好的结果。这个也决定了后续的发展方向。降低电芯的压力,在系统层面增加措施。 在GB38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》在征求意见稿的时候,有CATARC发布的当时三元和磷酸铁锂电芯针刺的情况,如下表所示: 


表1 热失控特征分析-针刺 


所以一分钱一分货,想要得到电芯层面的安全,车就没有竞争力,这事就不好办了。 

02


针刺实验的发展


                                

UN GTR20并没有列入单体针刺测试,目前是作为单体热失控的触发条件,要求电池单体发生热失控后,电池系统在5分钟内不起火不爆炸,为乘员预留安全逃生时间。如果能通过针刺实验,也就是说单体很难触发热失控,整个系统可以少花钱;如果单体上成本优化以后,通过后续判定电池系统是否可以控制热失控的蔓延。 在不同的车企在做的事情,主要是控制内短路的情况发生,这时候使用浅层针刺来判别有一定的作用,如下所示: 备注:以下的两个图出自《Understanding Li-Ion Cell Internal Short Circuit and Thermal Runaway through Small, Slow and In Situ Sensing Nail Penetration》


图2 浅浅的扎进去看效果 


这张方式,我们可以看不同的深度下,局部内短路造成的情况,这样的实验设计能够代表未来绝大多数电芯在生命周期中可能出现的问题,为整个生命周期的安全性做评估。当然这更多的还是代表一定的概率,可以叠加循环过的电芯来评估。


图3 内短路的发生不可避免,但是这里的评估方法通过改进的针刺方法得已调整

小结:今天双方的你来我往很精彩,其实对车企来说,在降低成本的同时能保证车是不烧才行。否则到了夏天卖得越多,忧虑也越多,在技术路径的讨论不可能再回到LFP去。


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