通用陈康华：系统功能安全及在电池安全设计的应用-产业资讯

通用陈康华：系统功能安全及在电池安全设计的应用

NE时代

阅读 1085 更新于2019-10-20 09:36:44

通用作为这个汽车用户来说对电池包的安全设计就是通过系统安全来完成的。

本文为NE时代和同科芯能于10月16-17日联合主办的 "2019中日韩下一代新能源汽车电池技术大会"演讲嘉宾的现场实录。

演讲人：陈康华通用汽车中国动力总成高级经理

演讲主题：系统功能安全及在电池安全设计的应用

陈康华：各位汽车界，还有电池界的朋友专家早上好，我来自通用汽车中国陈康华，前面十五年里面基本上都在通用工作，其中有六年在泛亚汽车见证了泛亚汽车新能源团队的增长，在之前在福特工作过接近十年时间。我专长机械跟力学，所以我们更多的是从用户的角度来看如何来保证电池包在汽车的安全。

刚刚各位听到曾总的分享，新能源车肯定是在未来有很大的发展前景。随着这么多的车在市场上应用，如何保证这个车的安全就显得极为重要，我讲的议题是从用户的角度如何通过系统的安全来考虑电池包在设计、生产、应用过程中的安全问题。今天汇报议题如下：什么是通用对系统安全开发流程的理解及其在电池包应用中的要求，主要花点时间介绍一下在安全里面有一个很重要的方面就是热失控，如何通过系统安全的方法来提高对热失控方面的研究。

现在电动车起火不仅仅在乘用车，包括大的电巴，还有电动车也会起火。一旦一个电池包起火以后，半分钟之内温度就可以达到300度以上，两分钟以后整个火焰温度接近700度的温度，随着电池包的环境燃烧温度也可以达到接近200多度，所以说产生的危害可以想象是比较严重的，对人员的逃亡确实带来了很多的风险。不久之前在通用汽车中国搞了一个“锂离子电池安全周”我们请了一位上海消防队的技术专家，这是他给我们提供的一个目前的数据。如果从2011年到2018年到去年在中国我们看的他所统计出来的电动车火灾事故的统计，看到这个数据随着我们电动车在市场上投放的增加，起火的数据也在增加。大概每百万辆差不多有50次电动车起火的报道。分析目前发生起火的原因主要来自于自燃，三分之一的起火数据是来自于电池的自燃，另外有五分之一来自于其他各个零部件的故障，比如说连接件，其他的在充电或者开车过程中碰撞引起的原因，还有泡水。昨天我们跟一些专家开一个小型会议的时候也讨论过，作为主机厂来说我们很想知道，究竟起火的原因是什么。如果能够做一些统计说究竟是由于电芯的热失控原因产生的，还是由于其他的碰撞原因产生的？还是在充电过程中产生的？还是说我们这个车什么也没做停在那里就产生了，当然这个很困难。一旦电动车起火以后是很难用于分析，因为一般没办法只有冲水冷却，等到你看的时候基本上烧成灰了很难分析。对我们来说如果各位专家，不管从主机厂还是电池供应商来说，大家能够一起来统计一些真正一个放到市场的车起火或者发生事故的主要原因，也许对我们未来在设计开发里面确实有借鉴意义，算是一个期望值但是很难做。

回过来我们说提那个报告，什么叫安全问题。通用怎么来做？通用作为这个汽车用户来说对电池包的安全设计就是通过系统安全来完成的。我们看到通用发布的电动车Bolt，看到电池包跟内部模组的结构是60度电的电池包，这个看到很正常。在市场上随着我们国家对电动里程数的追求越来越高，500公里、600公里都有了。现在有80度电甚至更高，在这么一个有限的体积里面集中了这么多的能量，一旦发生起火或者爆炸产生的危害大家可以想象是非常严重的。通用通过系统安全来做，系统安全就是一个系统工程如何来把风险系数减除或者有效的控制。从这个系统来说我们做了有四步，第一步分析风险在哪里，有了这个以后我们对风险根据ISO26262进行分类，然后我们要找到对这个风险进行免除或者控制的方法，最后我们这个电池包开发好以后在整车的程度进行验证。在过程中考虑到第一个分析风险的时候，不仅仅对车内的乘客和驾驶员分析风险，还有对环境的影响要考虑。第二个风险分析的时候要把整个电池的全周期，包括从使用到最后的维修，还有disposal废除的情况下。还有分析的过程中不但对软硬件进行分析，还有对交互也要进行各种分析，尤其整个方法流程。

简单解说一下流程，基本上用“V”模型，从概念阶段我们进行风险的分析到形成要求，再根据要求我们进行设计，最后设计好了以后如何进行开发、验证，最后到你车里，到真正客户使用以后再反馈，基本上严格根据这个流程来开发电池包。进一步深入一点，基本上就是这么六个阶段，从概念、要求、设计、开发、验证、使用，再反馈。就是整体的一个流程，我们简单介绍在概念阶段做什么，基本上就是对风险进行分析，然后也对每一个单元进行一些可能的分析，整个过程中有一个安全概念的评估，有了这个概念阶段以后就会形成一个要求，这个要求在概念阶段我们做了单体分析以后要形成整个系统的interface的分析，分析以后会把所有的要求转换定义成一个叫工程的要求文本，同时要在这个阶段定义对这个要求怎样进行验证的计划是什么，同时在这个时候要进行安全要求的评估。

在设计阶段主要的工具是DFMEA和Fault Tree，万一在设计和要求意见互相还要进行不断的迭代，同时在这个时候把这个评估要定一下。这个过程中要进行设计方面的分析，评估也很重要。整个开发过程中有软硬件根据FMEA对软硬件进行具体的分析，同时进行开发过程中安全的评估。最后很重要做所有的从包到整车的验证，包括零部件，子系统、系统、到整车所有的验证过程，把你在FMEA做的所有风险一些问题要进行验证，最后我们就完成了验证报告，当然也需要同样进一步的评估。

在系统每个阶段有很重要的评估阶段，概念阶段、要求阶段、设计阶段、测试阶段。在整个评估中通用公司会形成一个评估委员会，这个就是有设计开发者还有其他各种安全员、安全经理对每一个进行评估形成的一个评估报告，每次都要严格根据这个流程来做。

刚刚讲的通用的流程，那个流程不仅仅用在电池。用在所有你认为跟安全有关的零部件或者子系统开发都可以应用，电池的开发里面基本上也是同样的道理，从概念一直到投放的市场里面，我们会完全根据他刚刚讲的流程进行开发。在电池包里面会形成一些文档，比如说在概念阶段我们形成风险的分析报告，把风险分析报告在要求阶段就形成了我们自己的Technical Specification，这个过程中我们有DFMEA这个文档，在开发过程中主要还是用Safety Peer Reviews，验证阶段花了极大的时间，通用在整个的验证过程中，包括电池主要的零部件，模组跟电池包特别是在整车里面整个验证报告。投放到市场以后，通用有自己的主要数据，自己反馈到后台平台对它进行长期的跟踪与分析，我们现在第一代的Bolt投放的市场将近十年时间，我们形成了比较长期的对数据的总结，再重新反馈到下一阶段未来产品的开发里面进行应用。

安全分析从电池包的角度来说，会从电芯一直到最后整车每一个从零部件进行分析，在电芯阶段我们会说电芯用的化学体系，用一个什么样的电芯的结构软包还是用圆柱型，我们对安全的东西进行好的研究。成组以后对电芯参数如何来监控温度电压电流的监控，包括电机械的保护在模组层面上怎么样保护冷却，还有重要的时候对诊断参数的设计，反馈到整个电池包里面对系统来说对电池SOC准确的探测，怎么样设计这个电池使用的极限，充放电如何管理，对继电器如何控制管理，安全功能的诊断这个都非常重要在电池包。整车里面对客户的警示，如何能够提供一个有效的跟安全有关的信息给用户，你在整车的设计里面如何避免碰撞，结构上怎样保护他，包括环境的要求，泡水、密封的要求，这是一个整体的从电芯一直到最后整车应用里面都会有系统的考虑，电池包开发流程系统安全是一名系统科学，目的为了减除或者控制风险，我们就是看ISO 26262，我们基本上会跟着这个做。这个过程中我们希望作为组件来说，毕竟电池供应商才是真正对电芯了解的专家，电池供应商比对电池的要求远远超过我们，我们要让电池供应商一起参与开发一起合作，我们对电池包的开发就是根据这个流程来开发的。

跟大家分享一下对电池安全里面一个大家都比较关心的热失控的问题，我们怎么样通过这样的一个流程来做一些事情。热失控对于电芯来说在使用或者在你验证开发的过程中一旦它的温度产生很剧烈的提升，同时伴随着电压也会下降的时候，我们认为这个电芯就是热失控了。当然热失控产生的原因会非常多，方法也很多。热失控以后对电池包或者模组里面，一旦一个电芯热失控以后，热扩散这个问题是我们非常关心的一个问题，这是一个图片的失控，电芯温度达到一定的情况下气会出来，有的马上就会起火这是一些图片这是实验过程中你会看到的。同样我们刚刚看到从系统的角度来说对热失控问题我们同样也是用这个进行一些分析，从电芯来说你用了什么样的正负极材料，电解液、隔膜这些，特别是在热失控方面非常重要，一旦一个电芯热失控以后，如何来减少他去传导到其他的电芯里面加了什么东西，包括整个电池包里面有一些什么样的方法，包括在结构上、冷却上面、电控方面怎么样尽量减少热失控的风险，包括整车里面一旦发生这个情况下如何能够跟你的用户来提供一些防范警告措施，整个我们是分析的一个过程，也是用这个系统方法。

对通用来说，我们对电芯的热失控做了一个多方面的研究，我们已经做了接近上千次的测试，基本上用的测试的东西，第一个对单个电芯来了解他，是在什么样的情况下会热失控。一旦热失控以后我们会用四个电芯组成的模组我们自己开发模组来研究它，它是怎么样蔓延出去的。我们当然在整个里面作为20个电芯的包专门去研究，一旦在这个包的程度里面是怎么发生的。当然我们也用了一些方法，比如说加热、针刺、过充来做这个，通用在北美那边有100多个电芯的实验室，整个电池包的实验室，通用中国这边也有电芯跟电池包的实验室，泛亚现在也建了比较好的实验室，我们在做一些工程的研究，同时跟电池供应商还有第三方的实验室做一些事情。

我们可以用过充的方法来激励它热失控，我们对热失控里面电芯的方向你有不同方法的时候产生的结果会很大的不一样，对整个参数就非常敏感很难说每次做实验一定会得到统一的结果，很多因素会影响电池的过充，起火也很难去预估它，有时候起火有时候不一定起火。我们对它进行一些研究对单个电芯做了一些研究，用过充的方法来引导它。用不同倍率充电来进行，同样的电芯我们用1C、C/3充的时候没有造成过充，我们2C、3C充到200%的时候就已经过充，在同一个倍电功率1C的情况下充到201%没有激发它，再多充额外8%的时候就产生了过充，这个里面从宏观的角度，因为我们毕竟作为主机厂没法从电化学，热动力学研究它的机理，充电倍率越大更容易接近失控，有时候同样倍率一下差一点点SOC热失控有时候发生有时候就不发生了。我们做四个电芯小模组的时候，同样六个这样的模组用的测试方法一模一样，在某一个点八进行加热的情况下，同样的电芯加热，做出来以后有两组产生了热失控其他四个没有产生，这里面有很多即使在同样的条件有的产生有的不产生有一定的随机性。

我们也做了整个电池包的热失控的实验，20个电芯串联在一起做了一个包，我们用两种不同的方法进行热失控的激励，一个是某一个电芯进行加热，还有一个过充。另外也在不同的位置上进行加热，比如说在最边的电芯进行加热或者过充，或者在中间选一个电芯进行加热或者过充实验的时候，就发现在从加热的方法下，这组实验在边上进行加热的时候造成热失控的时候会起火。在中间的时候就没有，过充的时候反而在边上进行过充的时候有冒烟但没有起火，中间那组同样的条件下有火焰冒出来。同时也证明了这个里面的东西确实是有很多不同的东西，我们进行了很多的总结有些具体的东西也没法分享在这个会议里面，这个就是我们看到的刚刚说的图片，比如说在边上加热的时候，我们看到火了。中间里面的图片也没有，过充的时候就说在中间的电芯进行过充的时候有失火，边上的时候就没有发生这个问题。

简单的分享一些我们的学习，未来我们还能做什么。对热失控对安全问题是在电池包应用里面一个比较主要的问题，以后我们会说在不同的热失控的情况下，不管是针刺、加热、过充这都是在实际情况下会发生的情况，我们会继续研究究竟是哪一个情况，能不能找到一些有规律性的东西，在电池包的设计跟保持里面如何来避免这样的造成的风险。除了通用用得比较多的目前在用的软包，对未来的圆柱要进行一些研究，还要研究在不同的SOC情况下里面的反应，还有不同的化学体系，我们希望能够通过这个大量的实验数据能够摸出一些规律来，希望能够应用到未来的产品设计。我对电池机械的工程师对这个坚持里面也想有没有可能，各位做电池电化学的专家，有没有能够通过电化学的模型，能够通过这个理论上面，可以对电池的电芯在使用过程中的安全问题，能不能通过这种模型理论上面给主机厂用户提供一些指导，这样尽量避免我们完全通过这个宏观的实验来去做这个东西，也算是一点点对这个电池不是那么深刻理解人的一点期望，这是我们简单的报告，非常感谢大家！

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