中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2018年8月18-19日，由電車人學(xué)院舉辦的總裁班“雄鷹計(jì)劃”（黃埔一期）第2次課電動(dòng)化專題在北京理工大學(xué)舉辦，邀請(qǐng)中汽中心動(dòng)力電池領(lǐng)域首席專家、中汽中心試驗(yàn)所副總工程師王芳就動(dòng)力電池最新進(jìn)展和幾個(gè)核心問題探討進(jìn)行主題分享，現(xiàn)經(jīng)過編輯整理分享給行業(yè)參考。
中汽中心動(dòng)力電池領(lǐng)域首席專家、試驗(yàn)所副總工程師王芳
以下為涉及的10個(gè)主要方面：
問題1：關(guān)于動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題
問題2：關(guān)于動(dòng)力電池的技術(shù)發(fā)展路徑
問題3：關(guān)于2015~2018年電池系統(tǒng)能量密度、成組率變化趨勢(shì)
問題4：關(guān)于動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)分析，方形、軟包和圓柱成組效率
問題5：關(guān)于電池系統(tǒng)冷卻方式分析，自然冷卻、風(fēng)冷和液冷
問題6：關(guān)于動(dòng)力電池一致性的影響
問題7：關(guān)于動(dòng)力電池起火原因分析
問題8：關(guān)于動(dòng)力電池可用評(píng)價(jià)
問題9：關(guān)于動(dòng)力電池梯次利用
問題10：關(guān)于動(dòng)力電池發(fā)展需重視的兩大方面
問題1：關(guān)于動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題
動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展迅速，兩級(jí)分化嚴(yán)重，優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能不足。在國(guó)內(nèi)新能源汽車產(chǎn)銷量迅速增長(zhǎng)的情況下，電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展也非常迅速，根據(jù)工信部車型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年電池裝機(jī)量16GWh、2016年28GWh、2017年36GWh，2020年的需求是100GWh左右，但是根據(jù)我們粗略估算2017年電池行業(yè)的年產(chǎn)能已達(dá)到200GWh，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際需求量。
整體來看，去年年底磷酸鐵鋰單體能量密度大概在140Wh/kg，現(xiàn)在180Wh/kg左右，甚至到190Wh/kg。三元單體能量密度現(xiàn)在基本上在200Wh/kg左右，去年平均值在185Wh/kg，18650已經(jīng)達(dá)到265Wh/kg以上。
再看市場(chǎng)份額的占比，特別是今年電池行業(yè)的變化非常明顯：一是兩極分化，80%的量集中在20%的企業(yè)手里，剩下80%的企業(yè)在爭(zhēng)奪20%的市場(chǎng)份額；二是優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能明顯不足，各電池廠產(chǎn)能擴(kuò)展非?？?，在未來一年左右的時(shí)間內(nèi)還會(huì)有非常大的格局變化，如現(xiàn)在有一些企業(yè)已經(jīng)在逐步退出市場(chǎng)了，目前占市場(chǎng)份額非常大的這幾家企業(yè)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)是相對(duì)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能了，但在國(guó)際的競(jìng)爭(zhēng)上又會(huì)怎么樣？這與他們產(chǎn)品的品質(zhì)、生產(chǎn)制造的工藝等密切相關(guān)。
問題2：動(dòng)力電池的技術(shù)發(fā)展路徑
電池技術(shù)進(jìn)展，下圖是我們做“十二五”規(guī)劃時(shí)的圖，到現(xiàn)在為止沒有太大的變化，這是因?yàn)楝F(xiàn)有體系正極材料、負(fù)極材料有哪些都是確定的，只是不同正負(fù)極材料的搭配，能夠達(dá)到不同的性能指標(biāo)、能夠滿足不同車輛的使用。
具體來看，第一塊是現(xiàn)有電化學(xué)體系，已經(jīng)比較成熟；第二塊是現(xiàn)在正在研發(fā)應(yīng)該往產(chǎn)業(yè)化走，但是目前已經(jīng)提前走到產(chǎn)業(yè)化階段了，原因是什么？就是因?yàn)殚L(zhǎng)續(xù)航、高比能的要求和補(bǔ)貼政策的引導(dǎo)；第三塊是鋰硫、鋰空氣電池是未來的體系。
從2017年底到現(xiàn)在我們認(rèn)為333和532應(yīng)該是主流的產(chǎn)品， 622應(yīng)該是進(jìn)入中試階段的產(chǎn)品，811屬于小試、研發(fā)階段，再用兩年的時(shí)間可以進(jìn)入市場(chǎng)的產(chǎn)品，但是811現(xiàn)在已經(jīng)提前進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，也就是說我國(guó)現(xiàn)在的狀態(tài)是從532跳過622直接向811發(fā)展，造成現(xiàn)在高比能的這類電池沒有經(jīng)過太多的市場(chǎng)驗(yàn)證、可靠性考核和產(chǎn)品迭代的周期就快速應(yīng)用，把它快速推上了歷史舞臺(tái)，所以這個(gè)大家要重視。
未來的電池體系包括鋰空氣電池、鋰硫電池和固態(tài)電池，這3類電池中固態(tài)電池在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用會(huì)更快一些。到底什么樣的電池是全固態(tài)？什么樣的電池是固液混合態(tài)？現(xiàn)在一般高于5到8安時(shí)以上的電池基本上都是固液混合的電池，并不是全固態(tài)，全固態(tài)的電池要想走到完全的產(chǎn)業(yè)化還需要好幾年的時(shí)間。
再看鋰空氣電池，我們對(duì)它的化學(xué)特性進(jìn)行過詳細(xì)的分析，在使用上它是無限接近于石油，也就是說如果它能用到車上我們就不用再擔(dān)心車輛的續(xù)航里程，但實(shí)際上它的壽命及各方面的問題在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)是無法解決的，無法滿足車輛要求的壽命。
鋰硫電池目前已經(jīng)有一些應(yīng)用（非車用），但要用到電動(dòng)汽車上它壽命以及其他的一些問題現(xiàn)在還沒有解決，所以鋰空氣、鋰硫電池離產(chǎn)業(yè)化的距離還會(huì)更遙遠(yuǎn)一些，比固態(tài)電池要遙遠(yuǎn)得多。
問題3：2015~2018年電池系統(tǒng)能量密度、成組率變化趨勢(shì)
2015年電池的系統(tǒng)能量密度是90Wh/kg，2017年是116Wh/kg，發(fā)展得比較迅速，相對(duì)來說還是符合發(fā)展規(guī)律的，但是到了2018年的4月份已經(jīng)達(dá)到了137.5 Wh/kg。為什么從2017年到2018年會(huì)有這么大的變化？由于新補(bǔ)貼政策的出臺(tái)。
2016年電池系統(tǒng)成組率是63%，2017年是67%，2018年前幾個(gè)月是74%，這是平均值。具體而言，2017年電池單體能量密度均值在173Wh/kg，系統(tǒng)均值在116Wh/kg，算出來的67%的成組率，這是從單體能量密度到系統(tǒng)能量密度的差異。
細(xì)分來看2017年磷酸鐵鋰單體能量密度均值143 Wh/kg左右，系統(tǒng)在117 Wh/kg左右，成組率在81%；三元單體在183 Wh/kg左右，系統(tǒng)在115Wh/kg左右，成組率在63%。從這里面可以看出，磷酸鐵鋰和三元單體能量密度差異非常明顯，但到系統(tǒng)層面基本趨于一致，這與成組的技術(shù)有關(guān)，也與電池本身安全要求密切相關(guān)。
磷酸鐵鋰2017年裝車量占50%，三元占43%，磷酸鐵鋰主要應(yīng)用在客車上，電動(dòng)客車的安全要求決定了裝到客車上的電池基本上只能是磷酸鐵鋰，三元基本上都是用在乘用車上，一個(gè)車型一個(gè)電池包，而大巴車的設(shè)計(jì)現(xiàn)在基本上都是標(biāo)準(zhǔn)箱，不同的車型可以共用標(biāo)準(zhǔn)箱，磷酸鐵鋰可以裝在很多不同的車型上。
為什么它們會(huì)有這樣的差異？第一，磷酸鐵鋰本身的安全性很高，它不需要附加太多的安全保護(hù)；第二，磷酸大部分用在商用車，標(biāo)準(zhǔn)箱的設(shè)計(jì)本身要求會(huì)比較低（商用車的制造本身就比乘用車要求低），所以在PACK集成方面的要求會(huì)低一點(diǎn)；然后還有一個(gè)重要的原因，它整體的這種遞增趨勢(shì)還受到相關(guān)政策對(duì)能量密度要求的影響。
想要提升能量密度有兩個(gè)辦法：第一緊湊化，在單體能量密度已經(jīng)確定的情況下盡量多塞電池，把里面塞得越緊越好，但是這樣會(huì)造成高壓線束等不能按照理想的狀態(tài)排布，這是一個(gè)隱患；第二輕量化，把電池包做的盡量輕，而這樣帶來的一個(gè)結(jié)果是電池外殼使用的材料在抗機(jī)械碰撞方面的風(fēng)險(xiǎn)加大，這也要看能不能滿足實(shí)際使用的需求，如果能夠滿足那也沒有關(guān)系。
問題4：三元體系電池結(jié)構(gòu)分析，方形、軟包和圓柱成組效率
圓柱單體能量密度均值187 Wh/kg，系統(tǒng)均值在117.6 Wh/kg，成組率62.89%；軟包單體能量密度均值171 Wh/kg，系統(tǒng)均值在114.2 Wh/kg，成組率66.78%；方形單體能量密度均值144.17 Wh/kg，系統(tǒng)均值在105.5Wh/kg，成組率73.18%。
圓柱像18650的結(jié)構(gòu)缺陷，排布的時(shí)候需要增加冷卻系統(tǒng)以及其他結(jié)構(gòu)的這種排布使得它的成組率降低；方形成組率是最高的，最容易成組的；軟包，它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是單體可以做得很高，但是成組需加支架、散熱措施等，反而它的成組率可能趕不上方形電池，它們?cè)谖磥淼囊欢螘r(shí)間內(nèi)還會(huì)是三分天下的狀態(tài)。
軟包在高比能電池方面的安全風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于方形，方形電池的容量還不適宜過高，像高比能的三元電池做到70安時(shí)以上都是風(fēng)險(xiǎn)比較大的。一個(gè)大的、高容量、高比能的電池在瞬間熱量釋放的狀態(tài)下，它的泄壓閥如果沒有及時(shí)打開，即使及時(shí)打開力量也是非常大的，相對(duì)來說軟包在這個(gè)方面有它的一些優(yōu)勢(shì)。
圓柱電池以前有優(yōu)勢(shì)是因?yàn)?8650是從消費(fèi)類電子來的，它的生產(chǎn)一致性控制會(huì)比較好，但在系統(tǒng)集成的時(shí)候?qū)ο到y(tǒng)集成技術(shù)的要求是非常之高的，看特斯拉的專利就知道了，其實(shí)現(xiàn)在方形和軟包生產(chǎn)工藝控制上升的程度已經(jīng)趕超了圓柱，圓柱單體的優(yōu)勢(shì)并不是那么明顯了，相反它在結(jié)構(gòu)集成方面的缺點(diǎn)會(huì)逐漸暴露出來，比如特斯拉最近的幾起事故基本都是車輛毀掉了，可以看到一旦發(fā)生機(jī)械破壞，它的那種結(jié)構(gòu)的破壞是崩盤式的，雖然18650電池單個(gè)的能量并不是那么大，但是當(dāng)能量密度足夠高的時(shí)候，瞬間火勢(shì)的串起導(dǎo)致了整個(gè)崩盤式的起火，事故也是比較危險(xiǎn)的。
問題5：電池系統(tǒng)冷卻方式分析，自然冷卻、風(fēng)冷和液冷
我們統(tǒng)計(jì)了2017年下半年某時(shí)間段的樣本，當(dāng)時(shí)96款電池中有86款是自然冷卻，就像剛才講的那樣要想提升系統(tǒng)的能量密度有兩個(gè)辦法：一是緊湊化，二是輕量化，緊湊化的一個(gè)重要方式就是把能減掉的就減掉。自然冷卻是什么？就是什么也沒有，能夠不考慮風(fēng)冷、液冷，把空間都留給電池，這也導(dǎo)致使用自然冷卻的越來越多。
以前不是這樣的狀態(tài)，在2015、2016年，特別是2016年下半年我們與很多車廠交流，他們的樣品設(shè)計(jì)很多是打算采用液冷的，在乘用車基本上都計(jì)劃采用液冷方案，但是到2016年底2017年補(bǔ)貼政策出臺(tái)的時(shí)候，這個(gè)狀態(tài)就開始改變了，2017年上半年液冷已經(jīng)明顯減少。
這幾年政策推動(dòng)對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是非常有利的，但是在發(fā)展的過程中畢竟會(huì)有一些問題存在，而這些問題是會(huì)暴露在我們實(shí)際的產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)當(dāng)中的。
我們比較過不同冷卻方式下電池的狀態(tài)：當(dāng)電池采用風(fēng)冷設(shè)計(jì)，電池整體溫度的下降是很明顯的，比如電池原來會(huì)升高15度，采用風(fēng)冷后溫升在13度，但是從進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口整個(gè)電池包內(nèi)部不同位置的溫度差異會(huì)明顯增大，這會(huì)導(dǎo)致電池單體的差異變大，電池包的劣化會(huì)加劇，也就是說如果電池風(fēng)冷設(shè)計(jì)技術(shù)不過關(guān)、對(duì)電池?zé)釥顟B(tài)、對(duì)風(fēng)道流體力學(xué)等不了解，還不如直接采用自然冷卻。再看液冷，當(dāng)液冷排布得比較好的時(shí)候，電池單體和整體的溫度控制都比較好。
產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展還是會(huì)以市場(chǎng)為導(dǎo)向，企業(yè)需要重視系統(tǒng)集成、系統(tǒng)熱管理、功能安全管理等技術(shù)，這才能是未來企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
問題6：動(dòng)力電池一致性，電芯的一致性影響電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的功率特性、放電能量特性、電池總壽命以及成本等
電池的一致性影響的不單單是它的性能，還有整體的安全性以及成本。電池的一致性好了，整體成本就會(huì)下來，會(huì)表現(xiàn)在哪幾個(gè)方面？第一你不用換，第二生產(chǎn)制造的成本攤薄。為什么LG和三星前兩年能打價(jià)格戰(zhàn)，現(xiàn)在他們還能打價(jià)格戰(zhàn)，這與他們生產(chǎn)制造工藝水平是有關(guān)系的。
電池單體的能量密度國(guó)內(nèi)是可以做的比較高的，這是單一指標(biāo)，但是再看我們產(chǎn)品的一致性表現(xiàn)，就可以知道它能不能在市場(chǎng)上形成強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)能力。據(jù)我了解，目前國(guó)內(nèi)CPK值最高的企業(yè)是以1.67為天花板的，而三星、LG他們的CPK值是以1.67為基礎(chǔ)的，甚至能達(dá)到2.0，也就意味著100萬只電池里面幾乎沒有次品，所有電池性能是完全一致的，差異是非常非常小的。再看我們1.33的CPK值，電池是這個(gè)狀態(tài)，而且這已經(jīng)是經(jīng)過篩選的，不合格的電池已經(jīng)挑選出來了，如此情況下我們的成本怎么跟他們?nèi)ケ容^？他們的CPK值是2.0，沒有最后的分選，電池在制造以后直接就去配組，我們還得花錢買分選的裝備，先把電池選出來。所以這個(gè)是非常非常重要的，我們要重視真正的企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。
注：CPK,過程能力指數(shù),表示過程能力滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的程度,值越大表示品質(zhì)越佳。
問題7：動(dòng)力電池起火原因分析
總結(jié)分析一下不完全統(tǒng)計(jì)的國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車起火事故，看一下起火的原因。
事故的原因主要有充電起火，占到17%；碰撞起火，占到22%；無事故自燃，占到39%，這部分主要是指從電池部位先開始起火的事故；其他原因占到18%，主要包括電氣線路故障、電線老化、零部件故障等原因引發(fā)的起火，不是電池本身的原因；最后還有浸水起火，占到4%。
問題8：動(dòng)力電池可用評(píng)價(jià)
我們?cè)谧鲭姵匕踩栽u(píng)價(jià)的時(shí)候更多的會(huì)從三個(gè)角度來考慮：電池的可用邊界、可控邊界和失控邊界，這三個(gè)邊界在電池全生命周期內(nèi)是變化的，電池是一個(gè)電化學(xué)載體，所以我們?cè)谠u(píng)價(jià)的時(shí)候，希望能夠考慮到這幾個(gè)方面。
可用評(píng)價(jià)就是我們會(huì)從材料的熱穩(wěn)定性出發(fā)，對(duì)電池的安全等級(jí)要有一個(gè)明確的劃分，知道它的薄弱點(diǎn)是什么、優(yōu)勢(shì)是什么，然后要從系統(tǒng)的層級(jí)把它的薄弱點(diǎn)給保護(hù)起來，最終我們?cè)谙到y(tǒng)層級(jí)才能得到一個(gè)比較好的電池，電池本身是分三六九等，我們要通過系統(tǒng)工程把它用在最好的狀態(tài)。
問題9：動(dòng)力電池梯次利用是偽命題嗎？
有人認(rèn)為梯次利用是一個(gè)偽命題，我們?cè)?012到2014年做過一個(gè)國(guó)家電網(wǎng)的課題，做了一個(gè)梯次利用的示范，當(dāng)時(shí)用奇瑞S18淘汰下來的電池做了一個(gè)儲(chǔ)能電站，做完以后我們也承認(rèn)它接近一個(gè)偽命題，就是很難做、非常非常難做，電池的這種評(píng)價(jià)，拆下來、再成組、再利用，在性價(jià)比方面不合適，經(jīng)濟(jì)效益也不劃算。
但是到2014年底我們?cè)谥贫ň幋a制度，在推進(jìn)梯次利用的時(shí)候，經(jīng)過詳細(xì)的討論認(rèn)為還是應(yīng)該要做，但是需要重新定位：電池回收必定是一個(gè)正向的而且是會(huì)推得非?？斓囊粋€(gè)課題，電池梯次利用是屬于有條件、有范圍、有要求的梯次利用，就是梯次利用一定是在特定條件下。比如都是大巴車，對(duì)這批電池有監(jiān)控，有后期的評(píng)估處理，對(duì)電池的健康狀態(tài)能夠充分掌握，又有對(duì)接的梯次利用場(chǎng)景且對(duì)這個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的指標(biāo)體系是非常明確的，把這場(chǎng)景的指標(biāo)也列入到電池的評(píng)價(jià)體系里面，隨時(shí)都知道車上的電池拆下來可以用在哪一個(gè)領(lǐng)域而且這個(gè)領(lǐng)域也已經(jīng)對(duì)接好了，然后再做梯次利用，這就是在有條件、有范圍、有要求的情況下去做。
問題10：動(dòng)力電池發(fā)展需重視的兩大方面
技術(shù)層面
（1）以安全為第一要素，重視性能與安全的最佳平衡；
（2）應(yīng)進(jìn)一步提升動(dòng)力電池系統(tǒng)集成水平。
產(chǎn)業(yè)層面
（1）應(yīng)該重視生產(chǎn)和使用過程中的一致性；
（2）應(yīng)進(jìn)一步提升優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能；
（3）應(yīng)重視電池的循環(huán)利用和產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展。
