國家進(jìn)步獎(jiǎng)得主馬紫峰支招解決電池安全

“當(dāng)一顆電池做好了以后，它的狀態(tài)到底是什么樣的？它跟我們電池的安全性是密切相關(guān)的?！?馬紫峰表示。在12日舉辦的汽車百人大會(huì)上，上海交通大學(xué)特聘教授馬紫峰從以下幾個(gè)方面分享他的報(bào)告：第一、安全技術(shù)策略；第二、鋰電池模型構(gòu)建；第三、狀態(tài)模型構(gòu)建。第四，模型的應(yīng)用和評(píng)估。

來源：中國汽車百人會(huì)

值得一提的是，在今年1月8日在北京隆重舉行的國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，馬紫峰教授團(tuán)隊(duì)完成的“磷酸鐵鋰動(dòng)力電池制造及其應(yīng)用過程關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目榮獲2018年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

目前，鋰離子電池今天為止已經(jīng)發(fā)展了有四代產(chǎn)品，從手機(jī)用的鈷酸鋰到錳酸鋰、到磷酸鐵鋰，還有現(xiàn)在的三元等等這些材料，還有很多的人在追求更高的目標(biāo)，向300Wh以上進(jìn)軍，甚至到了500Wh。所以從材料體系來講，現(xiàn)在的研究是五花八門，新概念層出不窮，但是為什么會(huì)有這樣一個(gè)目標(biāo)呢？

馬紫峰認(rèn)為，“其實(shí)很重要的一點(diǎn)就是續(xù)航里程的焦慮，每個(gè)人都希望續(xù)航里程更高、能量密度可以不斷的提升。但是大家都知道，經(jīng)過了這么多年的研發(fā)，發(fā)展了那么多新的正極材料，真正目前能夠得到工業(yè)化應(yīng)用的寥寥無幾，也就是剛才提到的鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等等?！?/p>

而這里面很重要的一點(diǎn)是電池的安全性，而安全首先是取決于它本身材料的安全性。馬教授團(tuán)隊(duì)通過熱分析以及相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明，在這些材料當(dāng)中磷酸鐵鋰的熱穩(wěn)定性從材料來講，其安全性是最好的。對(duì)此，馬紫峰表示：“我們可以發(fā)現(xiàn)，電池的能量密度越高，實(shí)際上產(chǎn)生的過熱或者熱失控的形式就越大。所以要增加電池的安全性，對(duì)于這些高能量的電池就可能需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中加入了特定的保護(hù)裝置，比如說冷卻系統(tǒng)，還有防爆系統(tǒng)等等，以減少電池的安全性。”

因此，電池的安全性和長循環(huán)壽命是整個(gè)電池設(shè)計(jì)當(dāng)中非常重要的一個(gè)問題。那么，該怎么樣做好一個(gè)電池和電池系統(tǒng)呢？馬紫峰認(rèn)為，“實(shí)際上來講，可以借鑒我們化工的管理模式。大家都知道，化工是一個(gè)非常有用的行業(yè)，但是化工今天在全國各地都得到了很多不待見，很多地方都不歡迎化工，是因?yàn)橛X得化工在這方面有安全問題、甚至是毒性的問題。但事實(shí)上來講大家看到，我們石油化工行業(yè)有大量的反應(yīng)器，高壓的、高溫的，他們是怎么樣保證安全呢？實(shí)際上很好的一個(gè)方法，就是系統(tǒng)控制的方面。在系統(tǒng)控制論產(chǎn)生的過程中，化工系統(tǒng)工程實(shí)際上起到了非常重要的作用?！?/p>

這就需要我們?cè)u(píng)估，能不能引入化工系統(tǒng)工程的原理來控制電池以及電池的系統(tǒng)。其關(guān)鍵在于，我們需要分析動(dòng)力電池生產(chǎn)的安全因素和不安全因素。馬教授指出，“在電池里面，影響的因素非常多，所以一個(gè)系統(tǒng)的管理，除了它的充電、放電的控制以外，還跟它的熱管理以及安全管理有關(guān)系。在這些當(dāng)中，實(shí)際上對(duì)狀態(tài)的估計(jì)非常重要，狀態(tài)的估計(jì)包括了核電狀態(tài)，就是一個(gè)電池我們經(jīng)?？梢钥吹降模€有多少電。此外，還包括了它的健康狀態(tài)，以及功率的狀態(tài)。”

在我們手機(jī)電池電量低時(shí)，會(huì)提示我們?cè)摮潆娏?。那么，到底怎么監(jiān)測(cè)這個(gè)電池的狀態(tài)呢？實(shí)際這個(gè)狀態(tài)是要依據(jù)化工的一些系統(tǒng)工程方法來實(shí)現(xiàn)的。電池的放電曲線，就像我們化學(xué)反應(yīng)工程當(dāng)中反應(yīng)器里面濃度的變化、壓力的變化、溫度的變化，而這些變化過程當(dāng)中，是需要用一定的數(shù)學(xué)模型，去把它精確的描述出來。

這個(gè)與電池的材料化學(xué)體系有關(guān)，在電池模型建立當(dāng)中，磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰等不同材料有不同的曲線特征。大家都知道，磷酸鐵鋰的放電曲線是非常平的一條曲線，而錳酸鋰有兩個(gè)放電平臺(tái)，這兩個(gè)放電平臺(tái)怎么樣去確定它的SOC狀態(tài)？SOC實(shí)際上就是我們曲線，在4.0V的時(shí)候SOC我們假定是100%，而到了后面2.5V，放電截止，它是真正的沒有了。事實(shí)上，我們?cè)谧鲭姵毓芾硐到y(tǒng)的時(shí)候、做模型的時(shí)候，把SOC截到5%甚至1%是否可行，需要在電池管理的時(shí)評(píng)估電池的余量。這就需要有一個(gè)精確的狀態(tài)估計(jì)，而這個(gè)估計(jì)除了材料化學(xué)體系，還有一個(gè)就是內(nèi)阻。內(nèi)阻跟材料的體系以及溫度是有關(guān)系的，另外，還有界面的效應(yīng)，以及電芯的管理系統(tǒng)。

事實(shí)上，電芯測(cè)試中真正能測(cè)到的只有開路電壓、溫度，其他的是看不到的，所以我們首先要去確定開路電壓，再去確定開路電壓與這個(gè)荷電狀態(tài)的管理，這是基于SOC模型當(dāng)中重要的理論基礎(chǔ)。所以，可以說OCV和SOC模型的精確度，是操控電池健康狀態(tài)的關(guān)鍵。

做這個(gè)模型之前首先就要對(duì)鋰電池單體的模型進(jìn)行構(gòu)建，所以鋰電池的模型涉及到了方方面面。鋰離子電池的充電和放電過程，實(shí)際上是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程，而這個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程是一個(gè)多項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)，它有電化學(xué)反應(yīng)，也涉及到電機(jī)動(dòng)力學(xué)，也涉及到傳制過程、電荷轉(zhuǎn)移還有傳熱等。

因此，建立電池模型就需要有不同的一些方法，馬教授給出了三種模型，第一種是電化學(xué)的機(jī)理模型；第二種是黑箱模型；第三種是基于等效電路的模型。

最后馬紫峰總結(jié)道：“我們通過這幾年的努力，先后建立了一些像開路電壓、健康狀態(tài)、SOC的這些估算模型，對(duì)這個(gè)模型函數(shù)的選擇以及它的形式、參數(shù)估計(jì)的方法、計(jì)算，提出了自己特定的一些手段，同時(shí)我們也認(rèn)為，電池安全系統(tǒng)保障的基礎(chǔ)是材料化學(xué)體系本身安全的基礎(chǔ)。電池的保護(hù)裝置，比如說限壓過充保護(hù)、BMS優(yōu)化控制方案，是一個(gè)有效的措施?！?/p>

實(shí)際上如果要想精準(zhǔn)的控制和預(yù)測(cè)的話，對(duì)不同電池的材料體系，不同電池的結(jié)構(gòu)，比如圓柱的、軟包的和方殼的，或者電芯單體容量大小不同，都會(huì)有不同的充放電特征曲線，而根據(jù)特征曲線，用實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)來修正模型，這也是馬紫峰團(tuán)隊(duì)與不同企業(yè)的戰(zhàn)略合作基礎(chǔ)，因?yàn)榭梢詽M足它特定的需求。