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国家进步奖得主马紫峰支招解决电池安全

“当一颗电池做好了以后,它的状态到底是什么样的?它跟我们电池的安全性是密切相关的。” 马紫峰表示。在12日举办的汽车百人大会上,上海交通大学特聘教授马紫峰从以下几个方面分享他的报告:第一、安全技术策略;第二、锂电池模型构建;第三、状态模型构建。第四,模型的应用和评估。

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来源:中国汽车百人会

值得一提的是,在今年1月8日在北京隆重举行的国家科学技术奖励大会上,马紫峰教授团队完成的“磷酸铁锂动力电池制造及其应用过程关键技术”项目荣获2018年国家科技进步二等奖。

目前,锂离子电池今天为止已经发展了有四代产品,从手机用的钴酸锂到锰酸锂、到磷酸铁锂,还有现在的三元等等这些材料,还有很多的人在追求更高的目标,向300Wh以上进军,甚至到了500Wh。所以从材料体系来讲,现在的研究是五花八门,新概念层出不穷,但是为什么会有这样一个目标呢?

马紫峰认为,“其实很重要的一点就是续航里程的焦虑,每个人都希望续航里程更高、能量密度可以不断的提升。但是大家都知道,经过了这么多年的研发,发展了那么多新的正极材料,真正目前能够得到工业化应用的寥寥无几,也就是刚才提到的钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等等。”

而这里面很重要的一点是电池的安全性,而安全首先是取决于它本身材料的安全性。马教授团队通过热分析以及相关系统进行分析研究,结果表明,在这些材料当中磷酸铁锂的热稳定性从材料来讲,其安全性是最好的。对此,马紫峰表示:“我们可以发现,电池的能量密度越高,实际上产生的过热或者热失控的形式就越大。所以要增加电池的安全性,对于这些高能量的电池就可能需要在系统设计当中加入了特定的保护装置,比如说冷却系统,还有防爆系统等等,以减少电池的安全性。”

因此,电池的安全性和长循环寿命是整个电池设计当中非常重要的一个问题。那么,该怎么样做好一个电池和电池系统呢?马紫峰认为,“实际上来讲,可以借鉴我们化工的管理模式。大家都知道,化工是一个非常有用的行业,但是化工今天在全国各地都得到了很多不待见,很多地方都不欢迎化工,是因为觉得化工在这方面有安全问题、甚至是毒性的问题。但事实上来讲大家看到,我们石油化工行业有大量的反应器,高压的、高温的,他们是怎么样保证安全呢?实际上很好的一个方法,就是系统控制的方面。在系统控制论产生的过程中,化工系统工程实际上起到了非常重要的作用。”

这就需要我们评估,能不能引入化工系统工程的原理来控制电池以及电池的系统。其关键在于,我们需要分析动力电池生产的安全因素和不安全因素。马教授指出,“在电池里面,影响的因素非常多,所以一个系统的管理,除了它的充电、放电的控制以外,还跟它的热管理以及安全管理有关系。在这些当中,实际上对状态的估计非常重要,状态的估计包括了核电状态,就是一个电池我们经常可以看到的,还有多少电。此外,还包括了它的健康状态,以及功率的状态。”

在我们手机电池电量低时,会提示我们该充电了。那么,到底怎么监测这个电池的状态呢?实际这个状态是要依据化工的一些系统工程方法来实现的。电池的放电曲线,就像我们化学反应工程当中反应器里面浓度的变化、压力的变化、温度的变化,而这些变化过程当中,是需要用一定的数学模型,去把它精确的描述出来。

这个与电池的材料化学体系有关,在电池模型建立当中,磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂等不同材料有不同的曲线特征。大家都知道,磷酸铁锂的放电曲线是非常平的一条曲线,而锰酸锂有两个放电平台,这两个放电平台怎么样去确定它的SOC状态?SOC实际上就是我们曲线,在4.0V的时候SOC我们假定是100%,而到了后面2.5V,放电截止,它是真正的没有了。事实上,我们在做电池管理系统的时候、做模型的时候,把SOC截到5%甚至1%是否可行,需要在电池管理的时评估电池的余量。这就需要有一个精确的状态估计,而这个估计除了材料化学体系,还有一个就是内阻。内阻跟材料的体系以及温度是有关系的,另外,还有界面的效应,以及电芯的管理系统。

事实上,电芯测试中真正能测到的只有开路电压、温度,其他的是看不到的,所以我们首先要去确定开路电压,再去确定开路电压与这个荷电状态的管理,这是基于SOC模型当中重要的理论基础。所以,可以说OCV和SOC模型的精确度,是操控电池健康状态的关键。

做这个模型之前首先就要对锂电池单体的模型进行构建,所以锂电池的模型涉及到了方方面面。锂离子电池的充电和放电过程,实际上是一个化学反应过程,而这个化学反应过程是一个多项复杂的系统,它有电化学反应,也涉及到电机动力学,也涉及到传制过程、电荷转移还有传热等。

因此,建立电池模型就需要有不同的一些方法,马教授给出了三种模型,第一种是电化学的机理模型;第二种是黑箱模型;第三种是基于等效电路的模型。

最后马紫峰总结道:“我们通过这几年的努力,先后建立了一些像开路电压、健康状态、SOC的这些估算模型,对这个模型函数的选择以及它的形式、参数估计的方法、计算,提出了自己特定的一些手段,同时我们也认为,电池安全系统保障的基础是材料化学体系本身安全的基础。电池的保护装置,比如说限压过充保护、BMS优化控制方案,是一个有效的措施。“

实际上如果要想精准的控制和预测的话,对不同电池的材料体系,不同电池的结构,比如圆柱的、软包的和方壳的,或者电芯单体容量大小不同,都会有不同的充放电特征曲线,而根据特征曲线,用实际生产数据来修正模型,这也是马紫峰团队与不同企业的战略合作基础,因为可以满足它特定的需求。

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