中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)于 2016年10月13日-14日在杭州召開了“第二屆混合動(dòng)力車市場與先進(jìn)電池技術(shù)發(fā)展研討會(huì)”，會(huì)議受到了國內(nèi)外電池、材料、設(shè)備和汽車領(lǐng)域眾多企業(yè)的廣泛關(guān)注， 400多位國內(nèi)外嘉賓參會(huì)。自2014年4月中國化學(xué)與物理電源協(xié)會(huì)在北京組織了“第一屆混合動(dòng)力車市場與先進(jìn)電池技術(shù)發(fā)展研討會(huì)”以來，在國內(nèi)外純電動(dòng)車和插電式混合動(dòng)力車取得較快發(fā)展的同時(shí)，混合動(dòng)力車輛，特別是微混車輛也在國際上得到預(yù)期的快速發(fā)展。特別是近來進(jìn)一步提出了發(fā)展48V電池體系與技術(shù)的要求,使電池行業(yè)又出現(xiàn)了一個(gè)新的發(fā)展熱點(diǎn)。
“第二屆混合動(dòng)力車市場與先進(jìn)電池技術(shù)研討會(huì)”的舉辦，給大家提供了一個(gè)交流的平臺(tái)，幫助大家了解國內(nèi)外在混合動(dòng)力汽車產(chǎn)業(yè)方面的發(fā)展動(dòng)向、最新進(jìn)展，交流適用于混合動(dòng)力汽車發(fā)展的各種電池技術(shù)及其最新進(jìn)展。希望通過技術(shù)交流，能對我國混合動(dòng)力汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起動(dòng)一定的借鑒和推動(dòng)作用，加快我國混合動(dòng)力汽車用各類電池技術(shù)的快速發(fā)展。
在本次會(huì)議上，寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司趙昂博士做了“CATL車載混動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)開發(fā)”的專題報(bào)告，以下是根據(jù)速記整理的文字，未經(jīng)本人審核，僅供參考。
首先介紹一下我們公司，后面會(huì)有對于汽車產(chǎn)品開發(fā)的想法介紹，基于這樣的想法而做的一些產(chǎn)品，現(xiàn)在存在的問題以及解決方案。
我們公司的介紹，CATL成立于2011年，。CATL主要業(yè)務(wù)主要是汽車動(dòng)力電池和儲(chǔ)能業(yè)務(wù)?？偛渴窃诟＝▽幍?，儲(chǔ)能業(yè)務(wù)主要是磷酸鐵鋰電池為主，到了2012年的時(shí)候和國外知名OEM開始合作，汽車用動(dòng)力電池。還有電動(dòng)大巴上也有很多的業(yè)務(wù)。2012年我們在青海成立了一個(gè)工廠。2013年我們成功量產(chǎn)電動(dòng)大巴動(dòng)力電池。2014年在德國慕尼黑成立了德國分公司，在北京也成立了公司，同時(shí)也開始建立了我們的研究院，研究院主要從事鋰電池材料和工藝開發(fā)，這一年我們被認(rèn)定為高技術(shù)企業(yè)。2015年，我們在廣東成立了一家主要做鋰電池回收的企業(yè)，業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)大。2015年，我們電池出貨量是2.4G瓦時(shí)，目標(biāo)到2020年達(dá)到100G瓦時(shí)。
主要介紹一下我們電池產(chǎn)品，這里的電池有好幾個(gè)部分，灰色的部分是基于磷酸鐵鋰材料，這塊主要做電動(dòng)大巴。然后三元電池，以插電式混合動(dòng)力和純電動(dòng)為主，為了提高能量密度在考慮硅材料的應(yīng)用。在紅色圓圈的部分是針對48伏應(yīng)用開發(fā)出來的一款電池，我們可以看到104瓦時(shí)每公斤，容量分別是6.9安時(shí)和10安時(shí)的電池；128瓦時(shí)每公斤是15安時(shí)的電池。
我們介紹一下電池設(shè)計(jì)理念，主要設(shè)計(jì)是以安全為中心。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先是強(qiáng)調(diào)安全性，以此為中心再考慮能量密度、功率密度、成本與壽命。這是我們的一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)核心理念，圍繞著這樣五個(gè)核心理念，我們可以從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，然后再到工作、壽命，我們都會(huì)整個(gè)環(huán)節(jié)里面對我們的電池系統(tǒng)，包括我們的pack系統(tǒng)做一個(gè)完全的維護(hù)，不斷地跟蹤，從而來保證我們系統(tǒng)的安全性。目前來看，實(shí)際上在電池以及電池產(chǎn)品運(yùn)行過程當(dāng)中目前沒有發(fā)生重大事故，當(dāng)然這是和我們的核心安全設(shè)計(jì)理念相關(guān)。
這里我們的設(shè)計(jì)過程，滿足法規(guī)和安全需要的時(shí)候是有幾個(gè)維度的考慮，首先是正常使用和設(shè)計(jì)的維度，在設(shè)計(jì)的過程中會(huì)充分地考慮到系統(tǒng)和電池的安全性能。在運(yùn)行的過程當(dāng)中會(huì)不斷地跟蹤，來了解它的性能變化。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累，能夠保證在正常使用的狀況下的系統(tǒng)安全。另外還有一個(gè)是濫用，能夠保證系統(tǒng)最差的情況時(shí)切斷，直接切斷我們的系統(tǒng)，保證電池不發(fā)生嚴(yán)重事故。另外制造安全，保證在制造過程當(dāng)中不會(huì)因?yàn)橹圃斓膯栴}而產(chǎn)生產(chǎn)品安全隱患。這個(gè)過程里面我們會(huì)切合前面五點(diǎn)的重心來生產(chǎn)和設(shè)計(jì)我們的電芯。
這里講一下我們目前對于48伏產(chǎn)品的規(guī)劃，48伏系統(tǒng)或者產(chǎn)品規(guī)劃主要是來源于整車對于48伏電池能量的要求。我們規(guī)劃了這樣的三代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品主要實(shí)現(xiàn)起停，因?yàn)橛幸粋€(gè)加速，還有一個(gè)能量回收，這是第一代的產(chǎn)品，這個(gè)產(chǎn)品主要是通過10安時(shí)的48伏電池pack，這是個(gè)是風(fēng)冷的形式。第二代產(chǎn)品，在48伏汽車的系統(tǒng)上面因?yàn)榭紤]成本因素和整車廠制造要求，48伏和12伏的雙電池系統(tǒng)會(huì)存在很長的一段時(shí)間，這個(gè)系統(tǒng)以后的演進(jìn)，由于歐盟的一些法規(guī)以及排放要求，所以我們認(rèn)為未來48伏系統(tǒng)會(huì)在汽車系統(tǒng)當(dāng)中占到越來越大的份額，所以48伏電池容量會(huì)更大，會(huì)提供更多的一些功能，所以第二代產(chǎn)品是15-30安時(shí)的48伏產(chǎn)品，也主要是以風(fēng)冷為主。第三代產(chǎn)品考慮到電池可能會(huì)提供更多的電氣功能，12伏會(huì)逐步把容量縮小，用電設(shè)備是使用48伏系統(tǒng)，這個(gè)時(shí)候我們會(huì)考慮到25-40安時(shí)的pack，會(huì)考慮到水冷和風(fēng)冷。到2017年我們會(huì)有第一代的產(chǎn)品sop。
這里是我們整個(gè)pack結(jié)構(gòu)，會(huì)根據(jù)整車廠的要求和車輛運(yùn)行過程中的電氣仿真，考慮12串或者13串的電芯，整個(gè)電壓是48伏，容量是175瓦時(shí)，最大放電是19.7KW，充電是18.5KW。這個(gè)是我們的PACK要求，診斷功能也會(huì)加入其中。事實(shí)上我們需要轉(zhuǎn)換一個(gè)思路，我們做的是一個(gè)汽車產(chǎn)品，而不是單純的電池問題。因?yàn)樵谄囆袠I(yè)來說，所有產(chǎn)品的確定性是最重要的，隨時(shí)能夠知道零部件的表現(xiàn)行為和未來行為，但是電池因?yàn)樗脑砗碗娀瘜W(xué)體系導(dǎo)致有很多不確定性，這個(gè)和汽車行業(yè)的要求是有矛盾的，那么我們在整個(gè)設(shè)計(jì)過程里面目標(biāo)是不斷地去消除這種差異，對于電池老化能夠預(yù)測，從而保護(hù)電池，讓它工作的時(shí)間更久，并且是安全工作。這里我們也會(huì)設(shè)立電池的SOC工作方案，我們目前設(shè)定了30%-70%的范圍，這個(gè)范圍有一個(gè)很大的考慮就是壽命角度，汽車上的產(chǎn)品要更換的話成本很高，對用戶來說也是很麻煩，在30%-70%的工作范圍之內(nèi)電池壽命可以極大地延長。
這里是電芯產(chǎn)品的開發(fā)，專門為48伏系統(tǒng)去開發(fā)了這樣一個(gè)功率型電池，當(dāng)然原來我們的電動(dòng)大巴或者其他一些電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車都有一些能量型的電池，包括磷酸鐵鋰和三元。針對48伏的應(yīng)用特別去開發(fā)了這樣一個(gè)功率型電池。右邊是eucar的判定標(biāo)準(zhǔn)。除了關(guān)注電池，我們更關(guān)注的是一個(gè)pack，設(shè)定兩個(gè)平臺(tái)，這兩個(gè)平臺(tái)最主要的差別就是在左下角的供電，供電是BMS的供電電壓，一種是使用汽車上的12伏電氣網(wǎng)絡(luò)的電，另一種是48伏電池充電，目前來說我們有這樣的客戶提出不同的要求，所以我們主要是基于這樣的要求設(shè)計(jì)了兩個(gè)平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)主要是在BMS這個(gè)層面上設(shè)計(jì)的，到了后面我們可以看到未來的發(fā)展，我們在不斷地過程里面一方面會(huì)提高它的軟件安全等級，我們考慮到48伏的系統(tǒng)或者48伏的用電設(shè)備會(huì)越來越多，12伏會(huì)越來越少，那么DCDC電壓轉(zhuǎn)換器件的功率會(huì)越來越小，所以也有考慮未來能夠把DCDC放到我們的Pack當(dāng)中，從而來降低48伏系統(tǒng)的成本。如果量過大的話我們會(huì)有專業(yè)的芯片來做48伏系統(tǒng)的電池管理。以上是我們整個(gè)48伏EVS開發(fā)計(jì)劃。
前面我們提到電池，我們對于pack最關(guān)注的是電池和BMS開發(fā)，我們遵照汽車電子Ecu的開發(fā)流程來做設(shè)計(jì)。我們會(huì)有一個(gè)電池的管理模塊，這個(gè)電池管理模塊是和通常的汽車控制器策略不太一樣，對于電池的管理會(huì)更加地針對于電池本身的化學(xué)體系，包括容量，包括還有一些要求。這塊是相對獨(dú)立的，非常依賴于電池。另外，控制器的設(shè)計(jì)是符合汽車零部件的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，考慮到安全的經(jīng)驗(yàn)，還有設(shè)計(jì)制造的經(jīng)驗(yàn)，還包括接口和驗(yàn)證，后面這一部分完全是按照汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來做的設(shè)計(jì)，比如說PPAP這樣一些規(guī)范和流程，完成按照汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)來走。我們的目標(biāo)，我們有電池，有BMS，最終的pack是符合汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，而不是消費(fèi)類的電池。
這里是48伏Bms基于電池的算法開發(fā)，這個(gè)算法開發(fā)實(shí)際上有一些考慮因素，首先就是電池?cái)?shù)據(jù)，最基本數(shù)據(jù)有電池容量、化學(xué)體系，另外包括電池表現(xiàn)出來的基本外特性。我們在做BMS開發(fā)的時(shí)候是關(guān)注電池的外部特性，當(dāng)然我們有電池專業(yè)人士，我們在設(shè)計(jì)這個(gè)過程當(dāng)中是依據(jù)電池的外部特性，對電池做一個(gè)評估和控制，從而來滿足整車廠的應(yīng)用要求。這是我們BMS算法，目標(biāo)是整車應(yīng)用。
在電池管理功能里面，我們會(huì)做一些狀態(tài)估計(jì)、健康度評估、能量管理、電池保護(hù)以及數(shù)據(jù)記錄。比如說數(shù)據(jù)記錄這塊完全符合汽車行業(yè)要求，這些數(shù)據(jù)可以用于故障分析。這些狀態(tài)估計(jì)是一個(gè)最基本的要求，了解電池當(dāng)前的工作狀態(tài)。健康評估包括兩個(gè)方面，一是電池在工作的過程當(dāng)中的劣化狀態(tài)，我們需要隨時(shí)知道；另一方面需要去診斷它的故障或者一些錯(cuò)誤，比如說穿刺或者溫度過高，這是電池出現(xiàn)不可逆的損害所需的診斷。再就是能量管理，在48伏系統(tǒng)當(dāng)中電池是一個(gè)被動(dòng)的器件，意思就是說電池只是一個(gè)水池子，電從混合動(dòng)力控制要過來就充過來，要拿走的話就拿走，pack不能提供任何主動(dòng)?xùn)|西，當(dāng)然有一個(gè)唯一動(dòng)作就是斷開繼電器，其他工作過程是由HCU來控制的。HCU必須告訴整車系統(tǒng)，我能夠給你多少，這桶水多滿，這個(gè)時(shí)候需要對電池能量做一個(gè)很好的管理，首先是預(yù)測，在未來我能夠提供兩秒、10秒，甚至更長時(shí)間，從而來保證電池不會(huì)被損壞。當(dāng)電池一致性出現(xiàn)變化的時(shí)候就要作出均衡控制。這個(gè)是整個(gè)電池能量管理。此外還有電池保護(hù)，我需要評估應(yīng)用場景和應(yīng)用環(huán)境，從而作出一些相應(yīng)的保護(hù)策略，通常的策略是會(huì)告訴hcu整車控制器不能提供所需要的能量，那么它需要降功率地來使用電池產(chǎn)品。另外還有熱的管理，我們需要評估電池的整個(gè)發(fā)熱狀況，從而保證電池不會(huì)出現(xiàn)過熱。當(dāng)然低溫充電也是我們需要考慮的一大問題。這是我們電池管理的主要功能。
BMS開發(fā)和測試環(huán)節(jié)當(dāng)中遵照了汽車行業(yè)的ICP等測試流程，這樣的話能夠去保證產(chǎn)品在整個(gè)開發(fā)過程里面是符合汽車的基本要求和規(guī)范，后期一些生產(chǎn)也能夠跟上整車廠的質(zhì)量要求，最終保證pack或者產(chǎn)品是符合汽車的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
后面是簡單的一些性能，在不同的溫度下能夠提供的電流，這個(gè)是實(shí)驗(yàn)的一些數(shù)據(jù)，還有就是電池的壽命。電池的壽命是在汽車的應(yīng)用里面成為關(guān)鍵問題，說它關(guān)鍵問題就在于汽車通常來說要求所有零部件必須能夠滿足十年或者二十年的工作要求，在這么長的時(shí)間當(dāng)中電池本身很難達(dá)到長壽命要求。上午也提到過，汽車產(chǎn)品有兩個(gè)要求，一是確定性（可預(yù)測性），二是可靠性。我們對于電池壽命收集了很多數(shù)據(jù)，在3C充放電100%DOD的情況下做了循環(huán)壽命，可以看出前面帶顏色的線是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，后面是通過模型擬合的結(jié)果。最下的點(diǎn)是80%，通常我們認(rèn)為80%的時(shí)候電池就應(yīng)該去更換了，45度的時(shí)候可以達(dá)到6000次的循環(huán)。日歷壽命，這也是同樣的方法來跟蹤衰減過程，最長可以達(dá)到2000，當(dāng)然在80%的時(shí)候是一千天左右，這個(gè)環(huán)境是比較惡劣的，是在60度的環(huán)境下做的存儲(chǔ)。因?yàn)榍懊姹容^嚴(yán)格測試和仿真，基于我們對于電池本身性能衰減或者電池特性老化的理解，設(shè)定了30%-70%的工作SOC范圍，按照右上角的48伏價(jià)值循環(huán)，在這個(gè)循環(huán)下可以做很多的循環(huán)，能量衰減和本身內(nèi)阻增加還是變化非常小，我們能夠保證20萬公里同等駕駛循環(huán)，跑20萬公里能夠滿足這個(gè)壽命要求，這是我們整個(gè)性能要求，我們的產(chǎn)品是可以達(dá)到這樣的能力。
在整個(gè)機(jī)械上面為了保證它的強(qiáng)度，我們會(huì)在整個(gè)過程當(dāng)中從最基礎(chǔ)的顆粒開始，一直到最后的Pack會(huì)做很多的機(jī)械實(shí)驗(yàn)，模組、Pack這些層面上做受力的仿真，保證Pack這個(gè)產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)大的意外。同時(shí)我們還做熱仿真，研究Pack工作過程當(dāng)中的每一個(gè)溫度變化，減小溫度差異，最終保持電池的一致性和它的長壽。右下角這個(gè)圖是溫度最大差異，2度左右。
基于我們目前的一些開發(fā)狀態(tài)和在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中的經(jīng)驗(yàn)，我們現(xiàn)在針對這樣的一個(gè)48伏系統(tǒng)有這些問題還需要去提高的。一個(gè)就是DCR，直流電阻的增加，這個(gè)增長需要抑制。二是安全性和成本的相互權(quán)衡，剛才趙部長也提到了兩千塊錢是我們的Pack能夠承受的價(jià)格，這個(gè)會(huì)不斷地降低，因?yàn)榘凑掌囆袠I(yè)的慣例來講，這個(gè)成本必須不斷地降低。三是壽命的預(yù)測，需要知道什么時(shí)候到了壽命的終結(jié)，從而去更換，這個(gè)預(yù)測也是比較難以實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在來說是比較困難的一個(gè)問題。四是模組的標(biāo)準(zhǔn)化，18650這樣一些標(biāo)準(zhǔn)，圓柱形電池已經(jīng)有了一些應(yīng)用，我們也在考慮我們的電池模組能夠標(biāo)準(zhǔn)化，從而滿足不同廠商的要求，這樣的話能夠降低成本。五是Pack層面的重量、熱管理、IP問題、密封問題。對于BMS來說，我需要去評估電池的系統(tǒng)，因?yàn)榍懊嫠羞@些問題要能夠去估算到電池工作的老化，另外就是故障的診斷，診斷到電池的缺陷或者致命缺陷，告訴使用者電池需要更換了。我們會(huì)有防爆閥，電池出現(xiàn)過充的時(shí)候我們的BMS要正確地識(shí)別，確保整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。主要內(nèi)容就是這么多，謝謝大家！
