万向副总裁陈旸:完善的质量体系是动力电池系统可持续发展的根本

  • 陈旸
  • 发表于: 2017/06/24 09:36:00 来源:车云网

质量体系是非常重要的一件事,它可以让我们从根本上拉开和竞争对手的距离。

车云按:2017年6月21日-22日,由中国安全产业协会、TIAA车载信息服务产业应用联盟与车云网共同主办的2017年中国安全产业峰会暨首届交通安全产业论坛在北京召开。本文为万向A123系统副总裁陈旸的演讲《完善质量体系,提高动力电池系统安全》,从电芯安全、热安全、机械安全与功能完全几个方面就电池安全问题进行了阐述。

以下为演讲正文:

万向A123副总裁陈旸万向A123副总裁陈旸

各位专家、各位同仁,大家早上好!今天非常感谢大会组织者邀请我到这里跟大家一块共同探讨锂离子动力电池系统安全的问题,这个话题已经在过去的两年当中讨论过很多很多次,大部分情况都是从技术层面来讨论。今天我想换一个角度,从质量的角度看一看质量体系如何在动力电池系统安全问题上的作用,而不是单纯的去技术层面去考虑。

所以我今天跟大家汇报的有这么几点:第一个是简单介绍一下动力电池系统的安全问题,重点要介绍一下质量体系和安全之间的关系;然后简单地介绍一下万向A123在动力电池系统开发过程当中的质量体系概况。

大家都知道动力电池系统的安全包括这样的几部分:一部分是电芯的安全,一部分是热安全,然后还有机械安全,电气安全和功能安全。在电芯安全方面和热安全方面,我想我们国家的研究工作应该处于国际领先水平,我们国家有很多很多的研究机构、大学和公司在这方面做了非常多的研究工作,我觉得在这方面我们是非常值得骄傲的,在技术方面。

材料安全:

从电芯的安全角度讲,这里面有很多的东西。第一个是材料本身的安全,从这方面我们很多很多的材料企业和电池企业做了大量的工作,这些工作包括涂层技术等等这方面。对电池系统的安全起了非常大的推动作用。A123这方面也做了很多工作,我们和美国实验室在一块合作,在正极材料的表面处理技术方面做了大量的工作,这样来改变正极材料的热稳定性,提高动力电池系统的安全性。所谓的安全性指在用这种材料做成电芯,在滥用的环境下,比如说叫过充、过放、挤压、过温等等情况下,系统能够保持一种比较相对稳定,不出现热失控这样一种状态。

我觉得在这个过程当中,质量体系也这里也起了一个很重要的作用。什么重要的作用呢?即便你材料科学研究的非常好,在实验室、在中试线、小时线研究出非常稳定的三元材料,但是把它推向大批量生产的过程当中,如果你没有完整的一套质量体系来监控生产流程,很有可能导致两种情况:

  • 一种情况是生产出来材料的本身稳定性不好,这一批材料送出来做的很好,下一批材料可能送出来是另一批结果;

  • 第二种就是说你批量生产出来的东西和中间做成的东西根本就不一样。

所以从这个角度来讲,要想实现科学化非常重要的一项工作,就是材料安全。

生产安全:

从生产角度来讲也是一样,我们有很多电芯生产厂的专家,在电芯生产过程当中有很多很多道工艺,在生产过程当中像我们质量体系有上千道质量体系在线检测的设备。如果这些质量体系你控制不好的话,首先会出现很多问题,比如说在焊接的过程当中可能会出现绝缘、虚焊、加温腐蚀性的问题,所有的这些问题当你把它带到系统当中都会出现系统的安全问题。所以如果没有严格的质量体系控制这套东西的话,你即便有再好的材料,再好的化学配比生产出的电芯的质量也会有问题,从而导致系统的安全性也会有问题。

还有一点可能是大家最熟悉所谓的叫污染物控制,大家都知道电芯在研究它的热失控的时候,我们可以找出很多很多促发热失控的工况,其中很难保护的是内短路这种工况,其真正原因很大程度上是污染物造成的。金属污染物在生产体系当中,如何靠质量体系来确保避免发生这个问题呢?

首先要从最基础的材料层面来,在材料生产过程当中怎么样来探测是否有金属物,然后怎么把金属分离出来;从加工过程当中,即便前面的材料做得再好,在加工过程当中要考虑的是,如何能让在二次加工,比如说在匀浆过程当中机器不再产生金属的粉末出来了,这一套质量体系会控制你加工设备应该怎么样来制作,当然还有其他方面的环境等等这些东西。

总而言之,即便是化学电芯安全这块,里面也有很多质量相关的问题,对提高电芯安全也会起很大的作用。

热安全:

其次要从热安全角度考虑问题,实际上现在国内在这方面的工作做得是绝对的全球领先,而且我们无论从大学研究机构、理论研究、模型建立还是实验方法的确认都是在全球领先的这样一个定位。所有的热失控当电池温度升高到一定程度之后,内部的负反应导致电芯温度继续升高,最后导致热失控着火。这样一个过程怎么样能来避免呢?

大家做很多很多的仿真模拟工作,做了大量的技术工作,比如说我们现在做的单体电芯热失控抑制,像这样的工作做下来是非常有意义的,当一个系统当中有一个电芯发生热失控的时候,其他旁边的电芯不受影响。

但是我们现在要把电池、电动车做大批量的生产,到2020年有200万辆电动车投放在市场上,这样的一个数字意味着什么呢?我们系统的成本要非常低,要想做到持续发展成本就要降的非常低。如果很多很多这样的技术加上去了之后,对成本会有很大的影响,那就是说对电动汽车的推广和应用有很大的影响,换句话说对电动汽车可持续性发展会有一些影响。

当然了我们可以在技术上做一些突破找到低成本的材料,这个方向没有错。但过分在这方面做工作,可能会对系统,将来电动汽车广泛推广会产生影响。从这个角度讲,有没有另一种比较容易的办法来解决这个问题?那就是看在质量体系上。讲了导致热失控有哪些原因呢?过充、过放、过温、短路、外短路、内短路,这些过程当中哪些东西可以起到作用?哪些可以通过系统质量体系来解决问题呢?

过充,现在设计好的系统在过充的时候至少有两道保护,软件层面进行保护,当电压达到一定程度的时候软件要进行断电,硬件层面也要进行断电,这种是通过功能安全设置的理念引导出来的设计结果,这就是质量体系当中的一个方面。换句话说这种原因是可以控制的,如果你系统做得好,如果你质量体系做得好的话。

过放,同样的道理,如果在系统设计过程当中,针对机械碰撞能保证不至于有机械结构扎到模块当中,这个问题也可以避免。还有过温管理系统可以管理到这种事,外短路,现在系统当中都有多极保护,MSD的熔断器,电极本身的熔断器。最后一点,也是最难的内短路,刚才我讲的内短路你需要有很多质量体系来保证的,保证怎么样把金属的污染物从电芯材料当中去除之掉防止它出现问题,这就是解决内短路的问题。

当然如果所有的这些措施都不可能保护得了的话,我们最终还有像我刚才讲的热失控抑制这个技术放到这里面。换句话说热失控扩散抑制技术很重要,它是最终解决问题最后一道防线,如果前边通过质量体系把隐患从根源解决的话,到后边的工作量就会很小,对电池系统成本的投入就会很小,对工业的可持续发展就会有很大的作用。

在功能安全方面,整个系统设计的时候最初就要考虑功能安全怎么样来从系统层面上保证系统,在出现各式各样问题的时候控制系统可以把这个问题解决掉,在热安全没发生之前把这个问题给它消除掉。机械设计可以有各式各样仿真模拟设计,保证你的机械系统在受到撞的时候不对电芯发生重大影响,热管理熔断器设计,最后是热失控扩散这套技术来保证。

机械安全:

机械安全这儿我不想说的非常细,机械安全主要是考虑在生命周期结束的时候,电池用了8年、10年之后电池的情况是什么样。要想做到这一点疲劳设计是这里边很重要的一个点,当然了还有碰撞、跌落等等这些东西也是要关注的东西。但是解决这些的问题在设计之初,现在我们有很好很好的成熟技术,比如说像FEA这种技术,你都可以在前期预测到这些问题,降低这些风险。

这里边我想突出解决一点就是所谓的密封安全问题。所谓的密封安全就是说我现在设计一套电池包,把这包设计完了之后把密封做好,沉到水箱里去测试就可以实现了。其实这是生命初期的时候,但是这套包放到车上它会经过长久的机械疲劳,那么机械螺栓的地方会逐渐变松,密封本身的特性也发生老化,在使用电池的过程当中高低温的影响,所以其实真正要做到密封安全应该考虑到全生命周期里面的密封安全。也就是说电池用了8年、10年以后还能够保持密封的特性。

A123在做密封设计的时候,我们会在前期进行大量的振动、热湿循环测试,就是经过了机械疲劳和热疲劳之后,然后再去沉到水箱里做,这样才能保证全生命周期。当然我们做的还不够完美,因为我们还没有考虑到电池密封本身的老化,经过8年之后压力,不同压力不同作用下,甚至密封性能会变成什么样,那个时候对整个密封的影响是多少,这些工作我们还在继续地开展。至少往前在机械热疲劳和在对全生命周期影响方面已经做了很多的工作。

电气安全

过去我也参与很多电池包问题的调查,回过头来看真正发生问题的电池包,大部分是由于电气上的原因导致最终的热失控。电气上的原因其实导致的问题很多就是所谓的绝缘失效,电器的粘连还有内部的连接不好导致局部升温出现热失控问题。

其实你看这些的问题,很多东西都是可以通过质量体系来把它排除掉。我曾经看过一个案例,出的问题是继电器和Pak连接的时候,这么大的继电器放好几十根线在这里边,每根线跟每根线的距离非常的近,根本不满足间隙和爬电距离的要求,加上使用了七八年以后有很多脏东西粘在线上,这样的话导致线路的绝缘就出问题了。

类似这种事情是在设计初期完全可以考虑到,如果真正内部有严格的规范,规定爬电距离和间隙应该是多少,这些问题是完全可以避免的。但是你如果没有这样一套质量体系的话就没办法。还有继电器的粘连,如果有很明确的继电器配合这样疲劳测试的标准的话,这个问题也是可以解决的。所以我就说通过完整的质量体系,电气安全方面也可以起到很大的作用。

功能安全:

功能安全在过去一两年逐渐被提上日程,其实这是对于整车厂的同事来说做系统一定要考虑的问题,但是在电池企业这方面做得工作相对整车厂来说比较落后一步。现在很多欧美的主机厂和国内非常领先的主机厂已经把功能安全当成非常重要的一项工作,所以这个工作做得好的话,可以从系统层面到技术层面保证安全:功能安全的控制点在哪?平台总体设计应该是什么样?具体的技术设计是什么样?

这样整体考量下来,刚才讲的那些过充、过放等等,很多东西都是可以被控制下来。所以这个方面国内正在大力推广做这方面的工作,A123本身也做了很多的工作,我看了我们的同行很多国内大的领先企业在这方面也做了很多工作,希望我们能进一步的把工作做得更好、更完善,这对整个电池系统的安全会起到非常非常重要的一个作用。我们这行要想持续性发展起来,光靠那些最终标准来测试来考没有用的,要从最根本上解决问题,如果不在质量体系上下功夫的话,那么我们可能发现持续发展是比较困难的。

A123质量开发流程,APQP流程,这个流程真正执行下来对保证你质量体系是非常重要的。在产品开发过程当中不同的交付物保证这些东西能够顺利,这是很重要的一个流程。最终我想说合理的利用质量体系,其实可以在很大程度上避免减少电池系统安全的风险,APQP流程我觉得是整个质量体系里边一个核心。

最后,我想说一句话,这个行业要想可持续发展的话,质量体系是非常非常重要的一件事,这是让我们从根本上能和我们的竞争对手,和我们国外的竞争对手竞争的根本,如果没有这一点的话去过分强调某些技术细节,可能会让我们有些跑偏。我想利用这样的一个机会跟大家共同探讨这方面,希望也能为行业提高一些这方面的意识,整个行业共同建立起质量体系,来提高我们国家电池系统在国际上的竞争力,为电动汽车的可持续发展做出贡献。

谢谢大家!

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