中國儲能網(wǎng)訊：中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會于 2016年10月13日-14日在杭州召開了“第二屆混合動力車市場與先進電池技術發(fā)展研討會”，會議受到了國內外電池、材料、設備和汽車領域眾多企業(yè)的廣泛關注， 400多位國內外嘉賓參會。自2014年4月中國化學與物理電源協(xié)會在北京組織了“第一屆混合動力車市場與先進電池技術發(fā)展研討會”以來，在國內外純電動車和插電式混合動力車取得較快發(fā)展的同時，混合動力車輛，特別是微混車輛也在國際上得到預期的快速發(fā)展。特別是近來進一步提出了發(fā)展48V電池體系與技術的要求,使電池行業(yè)又出現(xiàn)了一個新的發(fā)展熱點。
“第二屆混合動力車市場與先進電池技術研討會”的舉辦，給大家提供了一個交流的平臺，幫助大家了解國內外在混合動力汽車產業(yè)方面的發(fā)展動向、最新進展，交流適用于混合動力汽車發(fā)展的各種電池技術及其最新進展。希望通過技術交流，能對我國混合動力汽車產業(yè)的發(fā)展起動一定的借鑒和推動作用，加快我國混合動力汽車用各類電池技術的快速發(fā)展。
在本次會議上，寧德時代新能源科技股份有限公司趙昂博士做了“CATL車載混動儲能系統(tǒng)開發(fā)”的專題報告，以下是根據(jù)速記整理的文字，未經本人審核，僅供參考。
首先介紹一下我們公司，后面會有對于汽車產品開發(fā)的想法介紹，基于這樣的想法而做的一些產品，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)務主要是汽車動力電池和儲能業(yè)務?？偛渴窃诟＝▽幍?，儲能業(yè)務主要是磷酸鐵鋰電池為主，到了2012年的時候和國外知名OEM開始合作，汽車用動力電池。還有電動大巴上也有很多的業(yè)務。2012年我們在青海成立了一個工廠。2013年我們成功量產電動大巴動力電池。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)，這一年我們被認定為高技術企業(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)務不斷擴大。2015年，我們電池出貨量是2.4G瓦時，目標到2020年達到100G瓦時。
主要介紹一下我們電池產品，這里的電池有好幾個部分，灰色的部分是基于磷酸鐵鋰材料，這塊主要做電動大巴。然后三元電池，以插電式混合動力和純電動為主，為了提高能量密度在考慮硅材料的應用。在紅色圓圈的部分是針對48伏應用開發(fā)出來的一款電池，我們可以看到104瓦時每公斤，容量分別是6.9安時和10安時的電池；128瓦時每公斤是15安時的電池。
我們介紹一下電池設計理念，主要設計是以安全為中心。在設計的時候，首先是強調安全性，以此為中心再考慮能量密度、功率密度、成本與壽命。這是我們的一個產品設計核心理念，圍繞著這樣五個核心理念，我們可以從設計到生產，然后再到工作、壽命，我們都會整個環(huán)節(jié)里面對我們的電池系統(tǒng)，包括我們的pack系統(tǒng)做一個完全的維護，不斷地跟蹤，從而來保證我們系統(tǒng)的安全性。目前來看，實際上在電池以及電池產品運行過程當中目前沒有發(fā)生重大事故，當然這是和我們的核心安全設計理念相關。
這里我們的設計過程，滿足法規(guī)和安全需要的時候是有幾個維度的考慮，首先是正常使用和設計的維度，在設計的過程中會充分地考慮到系統(tǒng)和電池的安全性能。在運行的過程當中會不斷地跟蹤，來了解它的性能變化。經過大量的實驗和數(shù)據(jù)積累，能夠保證在正常使用的狀況下的系統(tǒng)安全。另外還有一個是濫用，能夠保證系統(tǒng)最差的情況時切斷，直接切斷我們的系統(tǒng)，保證電池不發(fā)生嚴重事故。另外制造安全，保證在制造過程當中不會因為制造的問題而產生產品安全隱患。這個過程里面我們會切合前面五點的重心來生產和設計我們的電芯。
這里講一下我們目前對于48伏產品的規(guī)劃，48伏系統(tǒng)或者產品規(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)劃了這樣的三代產品。第一代產品主要實現(xiàn)起停，因為有一個加速，還有一個能量回收，這是第一代的產品，這個產品主要是通過10安時的48伏電池pack，這是個是風冷的形式。第二代產品，在48伏汽車的系統(tǒng)上面因為考慮成本因素和整車廠制造要求，48伏和12伏的雙電池系統(tǒng)會存在很長的一段時間，這個系統(tǒng)以后的演進，由于歐盟的一些法規(guī)以及排放要求，所以我們認為未來48伏系統(tǒng)會在汽車系統(tǒng)當中占到越來越大的份額，所以48伏電池容量會更大，會提供更多的一些功能，所以第二代產品是15-30安時的48伏產品，也主要是以風冷為主。第三代產品考慮到電池可能會提供更多的電氣功能，12伏會逐步把容量縮小，用電設備是使用48伏系統(tǒng)，這個時候我們會考慮到25-40安時的pack，會考慮到水冷和風冷。到2017年我們會有第一代的產品sop。
這里是我們整個pack結構，會根據(jù)整車廠的要求和車輛運行過程中的電氣仿真，考慮12串或者13串的電芯，整個電壓是48伏，容量是175瓦時，最大放電是19.7KW，充電是18.5KW。這個是我們的PACK要求，診斷功能也會加入其中。事實上我們需要轉換一個思路，我們做的是一個汽車產品，而不是單純的電池問題。因為在汽車行業(yè)來說，所有產品的確定性是最重要的，隨時能夠知道零部件的表現(xiàn)行為和未來行為，但是電池因為它的原理和電化學體系導致有很多不確定性，這個和汽車行業(yè)的要求是有矛盾的，那么我們在整個設計過程里面目標是不斷地去消除這種差異，對于電池老化能夠預測，從而保護電池，讓它工作的時間更久，并且是安全工作。這里我們也會設立電池的SOC工作方案，我們目前設定了30%-70%的范圍，這個范圍有一個很大的考慮就是壽命角度，汽車上的產品要更換的話成本很高，對用戶來說也是很麻煩，在30%-70%的工作范圍之內電池壽命可以極大地延長。
這里是電芯產品的開發(fā)，專門為48伏系統(tǒng)去開發(fā)了這樣一個功率型電池，當然原來我們的電動大巴或者其他一些電動汽車、插電式混合動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伏的應用特別去開發(fā)了這樣一個功率型電池。右邊是eucar的判定標準。除了關注電池，我們更關注的是一個pack，設定兩個平臺，這兩個平臺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計了兩個平臺。這個平臺主要是在BMS這個層面上設計的，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伏的用電設備會越來越多，12伏會越來越少，那么DCDC電壓轉換器件的功率會越來越小，所以也有考慮未來能夠把DCDC放到我們的Pack當中，從而來降低48伏系統(tǒng)的成本。如果量過大的話我們會有專業(yè)的芯片來做48伏系統(tǒng)的電池管理。以上是我們整個48伏EVS開發(fā)計劃。
前面我們提到電池，我們對于pack最關注的是電池和BMS開發(fā)，我們遵照汽車電子Ecu的開發(fā)流程來做設計。我們會有一個電池的管理模塊，這個電池管理模塊是和通常的汽車控制器策略不太一樣，對于電池的管理會更加地針對于電池本身的化學體系，包括容量，包括還有一些要求。這塊是相對獨立的，非常依賴于電池。另外，控制器的設計是符合汽車零部件的設計標準，考慮到安全的經驗，還有設計制造的經驗，還包括接口和驗證，后面這一部分完全是按照汽車行業(yè)標準來做的設計，比如說PPAP這樣一些規(guī)范和流程，完成按照汽車行業(yè)的標準來走。我們的目標，我們有電池，有BMS，最終的pack是符合汽車行業(yè)的標準，而不是消費類的電池。
這里是48伏Bms基于電池的算法開發(fā)，這個算法開發(fā)實際上有一些考慮因素，首先就是電池數(shù)據(jù)，最基本數(shù)據(jù)有電池容量、化學體系，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)的時候是關注電池的外部特性，當然我們有電池專業(yè)人士，我們在設計這個過程當中是依據(jù)電池的外部特性，對電池做一個評估和控制，從而來滿足整車廠的應用要求。這是我們BMS算法，目標是整車應用。
在電池管理功能里面，我們會做一些狀態(tài)估計、健康度評估、能量管理、電池保護以及數(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)估計是一個最基本的要求，了解電池當前的工作狀態(tài)。健康評估包括兩個方面，一是電池在工作的過程當中的劣化狀態(tài)，我們需要隨時知道；另一方面需要去診斷它的故障或者一些錯誤，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)當中電池是一個被動的器件，意思就是說電池只是一個水池子，電從混合動力控制要過來就充過來，要拿走的話就拿走，pack不能提供任何主動東西，當然有一個唯一動作就是斷開繼電器，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，這個時候需要對電池能量做一個很好的管理，首先是預測，在未來我能夠提供兩秒、10秒，甚至更長時間，從而來保證電池不會被損壞。當電池一致性出現(xiàn)變化的時候就要作出均衡控制。這個是整個電池能量管理。此外還有電池保護，我需要評估應用場景和應用環(huán)境，從而作出一些相應的保護策略，通常的策略是會告訴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品。另外還有熱的管理，我們需要評估電池的整個發(fā)熱狀況，從而保證電池不會出現(xiàn)過熱。當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品在整個開發(fā)過程里面是符合汽車的基本要求和規(guī)范，后期一些生產也能夠跟上整車廠的質量要求，最終保證pack或者產品是符合汽車的質量標準。
后面是簡單的一些性能，在不同的溫度下能夠提供的電流，這個是實驗的一些數(shù)據(jù)，還有就是電池的壽命。電池的壽命是在汽車的應用里面成為關鍵問題，說它關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，在這么長的時間當中電池本身很難達到長壽命要求。上午也提到過，汽車產品有兩個要求，一是確定性（可預測性），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驗數(shù)據(jù)，后面是通過模型擬合的結果。最下的點是80%，通常我們認為80%的時候電池就應該去更換了，45度的時候可以達到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，最長可以達到2000，當然在80%的時候是一千天左右，這個環(huán)境是比較惡劣的，是在60度的環(huán)境下做的存儲。因為前面比較嚴格測試和仿真，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，設定了30%-70%的工作SOC范圍，按照右上角的48伏價值循環(huán)，在這個循環(huán)下可以做很多的循環(huán)，能量衰減和本身內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壽命要求，這是我們整個性能要求，我們的產品是可以達到這樣的能力。
在整個機械上面為了保證它的強度，我們會在整個過程當中從最基礎的顆粒開始，一直到最后的Pack會做很多的機械實驗，模組、Pack這些層面上做受力的仿真，保證Pack這個產品不會出現(xiàn)大的意外。同時我們還做熱仿真，研究Pack工作過程當中的每一個溫度變化，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)和在整個實驗過程當中的經驗，我們現(xiàn)在針對這樣的一個48伏系統(tǒng)有這些問題還需要去提高的。一個就是DCR，直流電阻的增加，這個增長需要抑制。二是安全性和成本的相互權衡，剛才趙部長也提到了兩千塊錢是我們的Pack能夠承受的價格，這個會不斷地降低，因為按照汽車行業(yè)的慣例來講，這個成本必須不斷地降低。三是壽命的預測，需要知道什么時候到了壽命的終結，從而去更換，這個預測也是比較難以實現(xiàn)，現(xiàn)在來說是比較困難的一個問題。四是模組的標準化，18650這樣一些標準，圓柱形電池已經有了一些應用，我們也在考慮我們的電池模組能夠標準化，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)，因為前面所有這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。我們會有防爆閥，電池出現(xiàn)過充的時候我們的BMS要正確地識別，確保整個系統(tǒng)的可靠性。主要內容就是這么多，謝謝大家！
