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清華大學陳全世:動力電池是新能源汽車核心

2019-12-07

11月20日-21日,由車云網主辦,電動邦協辦的“2019中國安全產業大會暨第三屆交通安全產業峰會”在廣東省佛山市召開。本次峰會以“安全出行 智享未來“為主題,下設新能源汽車安全專場、新技術安全專場以及智慧交通安全專場三大分會場。來自產、學、研等和出行安全相關的企業代表齊聚佛山,共同探討新四化背景下汽車行業產生的安全新問題。峰會期間,清華大學車輛與運載學院教授、中國汽車工程學會電動汽車分會名譽主任陳全世發表了主題為《新能源汽車及動力電池包的安全性》演講。

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以下為演講實錄:

各位領導、各位專家,下午好!非常榮幸有這個機會和大家討論電動汽車和新能源汽車的安全問題,目前這確實是一個大家都在關心的問題,因為從我來說,搞了一輩子汽車,汽車的性能有四條,第一是安全,第二是快捷,第三是舒適,第四是經濟,安全放在第一位,如果交通工具不安全,我估計沒人去坐,因此安全是很關鍵的問題。

剛才主持人說去年夏天到今天夏天確實是電動汽車著火事件頻頻發生。我是1985到1991年開始做電動汽車,當時1995年項目要驗收的時候我們做的中巴,領導看過后準備寫驗收材料,1996年3月10號下午一把火著了,實驗數據也在里頭,當時正是兩會期間,那時候還是鉛酸電池,北京市的安監局和公安部的安監局兩個領導找我談話,我們判斷這是敵人在破壞國家重點項目,又是在兩會期間,出現這個問題,大家看今天就咱們三個人,你懷疑什么人,誰對我們國家不滿,你周圍的人,誰對學校不滿,誰對你不滿,我當時是系主任,我馬上就否認,我說絕對不是因為這種事,是技術出了問題,當時鉛酸電池,我們的輔助電池出了問題,打鐵的線和正極的線搭在了一起,這是最大的問題,當時出現這個問題了,但是項目就要驗收了,卻什么都沒有,項目到底怎么辦?實驗報告也沒了,關鍵是車都沒有了,怎么驗收???5月30號再不驗收,八五項目就要進入黑名單了,我就再也不能擔任國家任務了,這是非常嚴峻的問題,我當時非常焦慮,考慮了一天一夜,第二天早上起來,我說我要再拼一把,從3月15號到5月15號兩個月做出3輛車,5月25號要把實驗做完,5月29號驗收,當時大家覺得不可能,你做3年搞了一輛車,現在要兩個月搞3輛車。包括我們汽車司的司長給我打電話說,陳院士這個是天災人禍,非個人人為,你算了吧,這事不可能,我說我還是得再拼一把,他說如果你真做出來了,我給你當驗收組的組長,我什么都不干。后來那兩個月我們很少睡覺,所有的人一直干,一直到5月15號做出了3輛車,每個車要跑1000公里的實驗,然后再做性能實驗,25號實驗全部做完,當時國家教育部都參加了現場的驗收,29號開的驗收會,張司長親自出席的,好在那個完成以后,國家紀委說看來清華還是很不錯的,29號我們把驗收全部做完,5月30號把報告報上去了,就畫了一個不太圓的句號,但還是可以的,因此我今天講的有這么幾點。

 一個是國家對新能源汽車產業的支持政策,昨天在長沙也開了個會,簡單的講一下,給大家信心。我們國家的最高領導人今年7月2號博鰲舉行的全球新能源汽車大會上的祝詞說,當前隨著新一輪科技革命和產業變革的興起,新能源汽車產業正進入加速發展的新階段,不僅為各國經濟增長注入強勁新動能,有助于減少溫室氣體排放,應對氣候變化挑戰改善全球生態環境,中國堅持走綠色低碳可持續發展道路,愿同國際社會一道加速推進新能源汽車科技創新和相關產業發展,為建設清潔美麗世界,推動構建人類命運共同體做出更大貢獻。

第二個工信部部長9月20號講堅持發展新能源汽車國家戰略不動搖,推動汽車與能源、通信產業加速融合,大家不要把新能源汽車光看成是電推動的汽車,絕對不是這樣的,我們有戰略的。另外人民日報發文,新能源汽車的發展要有一年一個臺階的成就,也有一年一道坎的挑戰,到2020年底前,將補貼全部退出,新能源汽車進入一個結構調整動力轉換的新階段,車企需要面對市場洗牌的大考,這是重要的問題。另外看一看當補貼退坡,創新要進行上坡,技術創新每前進一步,安全保障必須上一個臺階,行駛安全才是消費者關注的頭等問題,這個事國家講的很清楚。關于新能源汽車安全問題,博鰲會商國家市場監督管理總局質量發展局王局長全面介紹車輛缺陷召回的工作,新能源汽車共召回了12.3萬輛,但是他強調,沒有證據表明電動車比燃油車風險更大,或者說更不安全,電動汽車的風險是可控的,召回主要是由于三電功能故障導致召回,其中設計原因占40%,制造原因占60%,起火時車輛處于停止狀態占56%,在充電過程37.3%,解決的辦法就是嚴格監控保護消費者的安全,同時要對新技術、新材料、新工業發展做一個推動,這是很關鍵的問題。另外看日產凌風41.5萬輛電動車,可靠性就非常之高,保證無重大交通事故的記錄,主要是它的一些設計、實驗做的很周到,甚至2011年福島地震的時候有20多臺車被海水淹沒,無一發生起火事件,新能源汽車安全是設計出來的,是精心制造出來的,也是嚴格檢測認真維護保養的結果,隨著四個環節做好,才能保證新能源汽車的安全,安全問題是一個綜合性的問題,從設計、制造、檢測、認證一直到維護保養,這是一個很重要的問題。

動力電池是新能源汽車的關鍵,動力電池是它的核心,電池有三個級別,一個單體電芯、電池模塊,還有電池包,現在有人說無模塊的電池,直接做出來就可以用,但現在這只是一種想法,大批量高精度智能化生產方式進行,電池模塊與電池包基本是整車生產商,按照整車性能、布置方式以及各種要求進行構成系統,電池包一個是機械設計,外形、強度、剛度、密封性、防塵防水、碰撞安全性,電量的管理、電磁兼容,還有電池熱管理,包括熱流體、散熱是電池安全的重要屏障,因此電池包是非常之關鍵的東西,它對安全、對電池的效率都起了很大的作用。

我們看到特斯拉的電池中間有一個東西,中間是走液體的,熱管理包括在常溫下循環系統是起到對各個單體電池散熱,這個系統設計的很好,但是成也蕭何,敗也蕭何,它做起來很困難,這個系統怎么做產業化,怎么做機械化,之所以特斯拉的產能跟不上去,與這個有關系,沒法工業生產,據我的學生講,這個系統做起來大概在美國花人工費將近一萬美元,8000多個電池拿里邊的東西連起來,還得繞180度轉彎的地方,不能癟,很薄,0.8毫米是很難加工的。另外看這個系統,包括我們覺得三種電動汽車,這是純電動,還有插電式混合動力,動力電池都是必不可少的,另外這是燃料電池,實際燃料電池叫變電混合,燃料電池增程式,有一個比較大的變電組,我們最早提出這個方案,2008年奧運會的時候我們引進奔馳公司純粹是燃料電池,我們是80的燃料電池,燃料電池加速、爬坡就可以用電池來進行,而且在制動能量回收的時候,在怠速的時候,燃料電池繼續發電,這個性能是最好的,目前全球用的都是這個系統,都是由蓄電池組的。插電式混合動力一定是電池,這是叫增程式的系統,增程式實際也是串聯式的把電池組搞大,電池是新能源汽車最關鍵的地方,無論是純電動、燃料電池還是混合動力,插電式動力電池、一般混合動力也有?,F在價格已經降到一塊錢一個瓦時,最早十五期間做的時候是四塊五一個瓦時,而且比能量提的比較高,現在大概單體可以提到200多,燃料電池發展很快,鋰離子動力電池技術研發,從鈷算鋰、錳酸鋰現在到了三元,現在主要用的532和622,高鑷811比較高,因此動力電池的發展還是必須快的,但是還有幾個問題,目前需要攻關的第一個是它的壽命,能夠有多少次,第二個是安全性,它的隔膜,它的電解液都是要重新去匹配。

另外就是汽車對動力電池的要求,要求它比能量高,還要求充電快,這是一個發展的速度,比能量確實在提高,2018年單體比能量到230,2019年達到260,2020年能不能達到300。電池容量要提升,能量密度要提升,要考慮它的循環壽命,要考慮熱管理,整個安全壽命性能都與整個電池包的設計、制造有關系,電池包的系統結構設計,電池包的熱隔離設計,鋰電池滅火設計,電池包的防爆設計,電池包的結構設計還是很關鍵的。另外關于輕量化的問題,不能重量占的太大,強度、剛度、密封性,還要重量輕,因此這是很關鍵的問題,還需要做很多工作,要開模具,要和整車廠、電池廠密切合作,電池出問題是熱失控,電池運轉過程中肯定產生熱,這個熱如果不及時到處就會產生疊加效應,一個電池熱失控以后就可能殃及旁邊的,發生爆炸起火,因此三元材料、鎳的含增加,造成熱失控的因素包括過熱的觸發,過充的觸發,內部短路、機械觸發,通過熱管理系統設計、電池管理系統設計,在結構設計預防熱失控的發生。我在2000年發現這個問題,我當時的一個博士生在立項的時候,我說你干脆搞電池熱失控,我一個學生在做實驗的時候,把鎳氫電池充電就著了,就噴火,那學生說怎么辦,我說這是小電池包,你去拿個滅火器就滅了,如果是大電池包咱們倆就逃跑吧。接著我的博士開題,我說你做這個,博士生過了一個禮拜找我,這題沒法做,我搜了一下網上搜不到任何參考資料,那是我們系里最優秀的一個學生,我說給你兩個選擇,一個你把前面開題報告總結總結,拿個碩士論文畢業得了,第二條你看你能做什么,夠博士資格,而且我又指導得了你,你搞癌癥、搞航天不是我的事,我說你看看兩條路,一個你離開我的課題組,再一個你干脆就寫個報告別干了,直讀博士已經讀了兩年半,再有半年時間就可以碩士畢業,因為他覺得這樣很丟人,還是下決心往下做。2005年那個題目做出來了,發了匿名評審的時候,很多國內專家評了個C,說這是個偽命題,他搞熱管理是錯的,最后那個學生拿著那個東西就哭,我說他不是說你,是說我,這個題目是我出的,我雖然不知道那個人是誰,肯定是搞鉛酸的專家,我說你發到863專家組去評審,后來給我打電話,說這個文章很好,后來我的另外一個博士生接著往下研究,但是很遺憾他們兩個人現在都從政去了,2012年畢業的最后一個博士生現在都已經當縣委書記了,因此我覺得這個問題還是需要研究的。

動力電池管理系統確實是非常的復雜,有電管理、熱管理,各種各樣的問題,我們要重視這些問題,要從機械設計、電器設計、熱流體各方面去做,現在還有一個問題,我們國家單體電池的標準已經很全了,但是電池包的標準還不是很全,我原來是電動車標委會的副主任,現在擔任高級顧問,我只是有提建議的權利,去把電池包的標準制定出來,這是我講的第二個問題。

最后結束我的講演,新能源汽車和電池的安全至關重要,它關系到人民的生命安全,動力電池是新能源汽車核心,正確處理安全性、可靠性與性能以及成本的關系,是動力電池產能發展的根本,新能源汽車動力電池是設計出來的,精心制造出來的,也是嚴格檢測認真保養的結果,只有將這些不可缺少的環境做好,才能保持新能源汽車和電池包的安全,在汽車產業進一步發展中,要將技術研發和市場調研在首位,將專業制造分享出去,推進技術管理體制和模式創新,我今天就講這些問題,我們還是要重視電池包,現在大家看到這個問題,但是從行政上,從技術上要認真的去對待,尤其是在設計上,在制造上,在檢測上,另外要及時的制定維護保養規范,不然再過幾年,一開始形勢挺好,再過幾年電池包沒人去維護,肯定要出問題,可能就不是目前這么火,比現在還火的厲害,可能到夏天著火的更多,因為有的電池已經老化了,如果不及時處理,可能會出問題,我以上講的不一定對,請大家批評指正,謝謝大家。


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