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谈电动汽车的轻量化与电池的碰撞安全

2018-2-8 09:52 422 0 来自: 锂电网
简介
清华大学教授周青  在过去十几年,我们主要的研究方向是汽车的碰撞安全、人体碰撞保护和汽车轻量化材料的力学性能表征和仿真,这里的汽车材料轻量化涉及的是材料力学和碰撞载荷,不涉及材料科学。在过去五年和今后 ...

清华大学教授周青

  在过去十几年,我们主要的研究方向是汽车的碰撞安全、人体碰撞保护和汽车轻量化材料的力学性能表征和仿真,这里的汽车材料轻量化涉及的是材料力学和碰撞载荷,不涉及材料科学。在过去五年和今后五年里,我们在中美清洁汽车项目的支持下,还有其它国家和企业项目的支持,还做了很多电池的碰撞安全。这两件事情都和轻量化及安全有关。

  和大家分享两点,一是只有小型化和轻量化做电动车才更有意义,尽管所有的车都应该做小型化和轻量化,但电动车还多了一层意义,很多企业从市场以及车的设计角度,需要设计大车、豪华车,但是从技术、汽车工程的角度必须小型化和轻量化才有意义。二是动力电池的碰撞保护,这一点如果做不到的话,可能电动车的轻量化就谈不上了。

  只有小型化和轻量化做电动车才更有意义

  第一,我们有很多资源投入到做电池的能量密度的提升,直到有一天,这个领域能够给大家突破性的进步,使得电池或者储能装置的能量密度跟汽油、氢燃料有可比性,或者能达到它们的三分之一、十分之一,我们才有可能比较任意的按照今天的模式设计汽车。所以,给定电池能量密度,过十年以后要求两倍、三倍的增长非常不容易,这点是不现实的。我们必须在给定电池能量密度和目前已有的电池技术的情况下,把车设计的小而轻,来增加电动车的续航里程,提升它的能量利用率。

  第二,任何的汽车,特别是家用轿车,大部分时间只有一名乘员,而车的运载能力是4名到5名。此外,家用轿车大部分时间都处于停驶状态,一天24小时里可能有23个小时都在停驶,停车场地也非常有限。未来随着智能化、电动化这些技术的发展,还有大城市建充电站更容易等,会推动这方面的事情,尽管今天我们还没有看到大家都开日本那么小的车。

  第三,与安全相关的问题。牛顿定律表明,开小车和大车撞肯定吃亏,但事故统计里面占不大的比例,而且高速的碰撞事故大部分都是单车事故,国内外统计都是这样的。也就是说,如果我们能够推动降低道路上车辆的平均重量,一定能够减少道路交通事故的净伤亡。现在主动安全这么发达,肯定是又小又轻的车容易控制,操控也容易一点,更不用说轻的车与行人碰撞和自行车碰撞相对安全些,我们毕竟有四分之一的伤亡都是在行人和自行车上。

  发达国家,尤其是日本的 K CAR应用广泛,最小化车外空间,最大化车内空间,不需要兼顾空气动力学或者其他东西了,这样就非常节约。

 电动汽车的碰撞安全

  电池相当危险,因为是储能装置,把电能释放出来很危险。随着路上电动车保有量的增加,现在只有2%,到20%的时候,事故量也会大幅增加。

  电动车的安全实际上主要是轻量化的问题,轻量化与安全必须兼顾,必须得做很深入的科研,如果不去考虑轻量化而只考虑安全,只能让车的重量不断增加。

  大家认为电池很危险,刚开始设计的时候总是要加入很多碰撞保护进去,越多的保护只能让车更重,这个目标慢慢应该集中在电池上,安全设计目标应该是电池不着火,而不是不变形,因为如果让它不变形,只能加入很多结构和材料进去。所以我们要认识清楚,电池的碰撞失效和内部短路的风险,只要不着火、能降低风险就可以。电池能承受一定的冲击,能承受一定的变形。这个思路实际上就是从做了这么多年的人体碰撞保护来的,任何的法规里,在设计车的人体碰撞保护的时候,从来没有说在给定的工况下不许受伤,都是说在给定的工况下产生一个可接受的受伤,只要不要产生严重的、不可恢复的受伤就行了。

  所以我们的研究目标和设计目标就应该定在找出电池的碰撞损伤的准则和容限,承受多大的变形是极限以及承受多大的冲击就会起火。现在尽管有这个要求,但认知还不充分,只能先做冗余保护。如果说设计的恰到好处,电池能承受冲击和变形,在给定的冲击和变形下,可能发生破坏也可能不发生破坏,内部材料破坏以后可能发生短路也可能不发生短路,短路以后一定要放电生热,可能发生热失控,也可能不发生热失控,因为如果热扩散或者是冷却做得好,不一定热失控。所以发生放电生热和热失控一定是发生了破坏。所有的问号都是我们可值得研究的地方。我们现在把研究放在冲击变形和材料破坏、短路前两个问题上,后面我们再去做热模型、电模型就可以逐渐做第三个问题、第四个问题。

  我们的目标是像研究人体的碰撞损伤一样,找出电池可承受的变形量,这里的影响因素很多,但再复杂也没有人体复杂。电池是满电还是半电,电池带电量的影响,冲击速度的影响,冲击模式的影响,是挤它一下还是弯它一下,给它一个大的加速,还是把它穿透了,还有电池的单体、模组和整车的关系,这些不同层级之间的关系都值得研究。老化对碰撞的影响,我们还没有开始研究。这些都值得做很深入的研究。

  这个产业在发展壮大,国家的支持力度越来越大,我相信,给我们一定时间,这些问题一定会解决的。有材料的基本属性研究,我们要找出电池的模型,给工程师一个可预测的模型,给出失效判据,这是力学、电学、热学的多学科的耦合。我们了解电池是怎么排布的,不同电池、不同的排布方式,整车碰撞时加在电池上的载荷是什么样的载荷,把这个载荷等效成实验室的载荷,去设计等效试验。

  举几个例子,我们不是很喜欢穿刺的工况,穿刺有点太过了。挤压的力达到一个峰值就降低了,预示着它内部发生了结构破坏或者材料破坏,同时监控它的电压,可以看到材料发生破坏的时候,电压开始往下降了,降到0了,也可以监测它的电阻。电压降到0说明内部发生了短路。再监测温度,短路了以后,温度上升了,看上去很自然,至少在这个工况下我们找到了电池内部材料的碰撞失效和外部的载荷,内部的温度升高和内部的短路,这关系不能够是简单到A+B大于C的关系,但至少可以定性的和定量的去描述这么一个关系。我们越做越深入,可能这个关系和这些准则以及判据,我们企业工程师就可以用了。

 我们从材料层面上研究,电池隔膜材料必须有很多微孔,微米到10个微米级的,锂离子能通过,这些微孔设计的恰到好处,老化了会变坏,挤压、热胀冷缩。你再去看看它的正极和负极材料,微米量级上都有小颗粒的涂层,活性的涂层,那些涂层跟那些非金属的隔膜材料发生作用,还给一个外载荷,这就相当于把砂纸往皮肤上磨,磨就磨破了。我们建立层间作用的模型,这个模型不是简单的光板,把它的层间的相互作用给研究清楚,这样知道它是怎么蹭一蹭就蹭坏了,发生短路了。

周青:电动汽车的轻量化与电池的碰撞安全

  我们在实验室也做电池的模组碰撞试验(图1),所有层面的试验都做。这是我们实验室的八米高的落锤,砸一下就起火了,我们对人员和实验室有很好的保护,有一个很粗大的排风扇,因为发生着火的落锤试验台不能密封,锤头要从上面落下来,还有摄象机要拍摄,所以排风扇非常强大,即使不密封对实验室里面没有任何危害,对外面也没有危害,我们在外面放一个强大的过滤系统,过滤后排出去的空气比今天北京空气质量还要好一点。砸完了之后的电池组是右面那张图的样子。所以我们这样从材料层级、单体层级、模组层级把电池的碰撞损伤研究清楚。

周青:电动汽车的轻量化与电池的碰撞安全

  这是我们几年前做的研究(图2),是在整车层面上,当时夏勇老师在MIT访问一年,2013年10月1号著名的特斯拉Model S事故,把底板打穿了,一组电池着火了,夏勇老师做了从汽车底部冲击电池的建模和仿真,这是两年前发表的,当时的模型还不是很准确,现在我们从材料层面做得很细,相信再过几年一定会有一个很好的能够预测的模型。

  我们还没有做电池的冲击试验,很快准备做,让电池只承受冲击加速度,不直接施加外加的变形。前几天发生在美国印地安纳的事故,特斯拉Model S撞到一棵树上,着了大火,那些救援人员没法救,最后是撞死的还是烧死的就不好说清楚了。

  我们应该考虑冲击载荷下电池耐损伤的程度,耐受值是不是应该更高一点,跟人体的碰撞损伤比,针对人体的碰撞损伤保护,车的设计,所有的法规大概都是五六十公里每小时,在五六十公里每小时工况下,让人最多发生可接受的损伤,电池比这个应该高一点,比如应承受90公里每小时的碰撞而不着火,这个速度下很多人也可能生存下来了,不能让它着火,才能救援,着火以后很多证据也不能保存下来了。前一段时间跟汽车保险公司去聊,他们也认为电池的耐冲击设计标准得更高一些。

  这是一个非常好的,值得深入研究的课题,可产生很好的博士论文,跟企业对接能提供很好的模型,提供很好的判据。同时非常复杂,多学科,从材料到整车层面上的碰撞,只有把电池的安全性和安全保护这个问题解决了,才能够谈电动车的轻量化的问题。

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