中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：中國(guó)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(chǎng)與先進(jìn)電池技術(shù)發(fā)展研討會(huì)”，會(huì)議受到了國(guó)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(guó)內(nèi)外嘉賓參會(huì)。自2014年4月中國(guó)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(chǎng)與先進(jìn)電池技術(shù)發(fā)展研討會(huì)”以來(lái)，在國(guó)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(guó)際上得到預(yù)期的快速發(fā)展。特別是近來(lái)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(chǎng)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(guó)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(duì)我國(guó)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(guó)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(duì)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)。總部是在福建寧德，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(guó)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?cè)谇嗪３闪⒘艘粋€(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(guó)慕尼黑成立了德國(guó)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?cè)趶V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(duì)48伏應(yīng)用開發(fā)出來(lái)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(duì)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(lái)保證我們系統(tǒng)的安全性。目前來(lái)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(lái)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(lái)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)我們的電芯。
這里講一下我們目前對(duì)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(lái)源于整車對(duì)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(zhǎng)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(lái)48伏系統(tǒng)會(huì)在汽車系統(tǒng)當(dāng)中占到越來(lái)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(lái)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(lái)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?cè)谡麄€(gè)設(shè)計(jì)過程里面目標(biāo)是不斷地去消除這種差異，對(duì)于電池老化能夠預(yù)測(cè)，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(duì)用戶來(lái)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(zhǎng)。
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(lái)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(duì)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(lái)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(lái)的發(fā)展，我們?cè)诓粩嗟剡^程里面一方面會(huì)提高它的軟件安全等級(jí)，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(lái)越多，12伏會(huì)越來(lái)越少，那么DCDC電壓轉(zhuǎn)換器件的功率會(huì)越來(lái)越小，所以也有考慮未來(lái)能夠把DCDC放到我們的Pack當(dāng)中，從而來(lái)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(lái)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(duì)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(lái)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(duì)于電池的管理會(huì)更加地針對(duì)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(duì)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(lái)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(lái)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(lái)的基本外特性。我們?cè)谧鯞MS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?cè)谠O(shè)計(jì)這個(gè)過程當(dāng)中是依據(jù)電池的外部特性，對(duì)電池做一個(gè)評(píng)估和控制，從而來(lái)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(píng)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(píng)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(lái)就充過來(lái)，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(lái)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(duì)電池能量做一個(gè)很好的管理，首先是預(yù)測(cè)，在未來(lái)我能夠提供兩秒、10秒，甚至更長(zhǎng)時(shí)間，從而來(lái)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(píng)估應(yīng)用場(chǎng)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(lái)使用電池產(chǎn)品。另外還有熱的管理，我們需要評(píng)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(cè)試環(huán)節(jié)當(dāng)中遵照了汽車行業(yè)的ICP等測(cè)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(jiǎn)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(lái)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(zhǎng)的時(shí)間當(dāng)中電池本身很難達(dá)到長(zhǎng)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(cè)性），二是可靠性。我們對(duì)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(lái)跟蹤衰減過程，最長(zhǎng)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(cè)試和仿真，基于我們對(duì)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(wàn)公里同等駕駛循環(huán)，跑20萬(wàn)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)需要抑制。二是安全性和成本的相互權(quán)衡，剛才趙部長(zhǎng)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(lái)講，這個(gè)成本必須不斷地降低。三是壽命的預(yù)測(cè)，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(cè)也是比較難以實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在來(lái)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(duì)于BMS來(lái)說，我需要去評(píng)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！
