中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2016年11月26日—27日，百人會(huì)?清華大學(xué)新能源汽車產(chǎn)業(yè)高層研修班第三期四次課程在清華大學(xué)開課。目前，我國自主研發(fā)的核心零部件缺失，尚未形成技術(shù)壁壘，成為新能源汽車發(fā)展的潛在危險(xiǎn)。掌握核心技術(shù)，提高產(chǎn)品性能及安全性，才能形成具有國際競爭力的品牌，支撐產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的根本保障。因此，此次課程的主題定為“電動(dòng)汽車核心技術(shù)突破與創(chuàng)新”。
此次課程，CATL的產(chǎn)品開發(fā)總監(jiān)胡建國為學(xué)員們帶來了精彩的內(nèi)容。
CATL的產(chǎn)品開發(fā)總監(jiān)胡建國
動(dòng)力電池已經(jīng)成為電動(dòng)車行業(yè)發(fā)展的瓶頸，其發(fā)展決定了電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
新能源汽車分類包括混合動(dòng)力、插電式混合動(dòng)力、純電驅(qū)動(dòng)等，其中電動(dòng)化的程度越高，使用電池也越多，對(duì)企業(yè)而言就能賣更多電池。但是，電池越多，危險(xiǎn)性也越大。
乘用車的電池包千差萬別的，因此，電池PACK的形狀要根據(jù)車形來。由于形狀的不規(guī)整，所以成組效率低。而商用車跟乘用車的區(qū)別很大，商用車的電池PACK形狀方方正正、規(guī)規(guī)矩矩。這與電池安裝的位置有關(guān)系。
動(dòng)力電池與電動(dòng)汽車的關(guān)系
1.與整車的關(guān)系。好的電池要為整車做到什么？在安全上，要做到任何情況下不起火、不爆炸、不排放有毒氣體；在性能上，無論是電壓、電量，還是充電功率都要滿足整車驅(qū)動(dòng)的需要。
高能量密度有利于減重、長壽命、提高性價(jià)比。反過來說，整車也要對(duì)電池做貢獻(xiàn)，提供更好的安裝空間和防護(hù)空間。如果整車做不好，只依靠電池獨(dú)立保證性能非常難。
2.與使用、維護(hù)的關(guān)系。如何維保和應(yīng)用，電池廠家有這個(gè)責(zé)任和義務(wù)定義好，既要方便用戶使用，又要保證用戶知道如何使用和維護(hù)。電池系統(tǒng)的三大技術(shù)，一是電芯技術(shù)，無論是材料，還是電池技術(shù)、工藝，它決定了電池的安全性、壽命；二是BMS，它給了電池系統(tǒng)智慧的大腦，指導(dǎo)電池不被濫用，這是管好電池、用好電池的基礎(chǔ)；三是成組技術(shù)，無論是從電芯到模組，還是模組到PACK。成組技術(shù)給電池包提供一個(gè)強(qiáng)壯的“身體”。
3.與充電的關(guān)系。動(dòng)力電池系統(tǒng)是直流系統(tǒng)，它只接受直流電，交流和直流充電只是車樁界面區(qū)別，在整車跟充電樁的關(guān)系上面，是交流進(jìn)整車還是直流進(jìn)整車的區(qū)別。有一些商用客車還用到大功率雙槍充電，也有使用無線充電裝置的。
動(dòng)力電池的類型和性能
1.電池的材料。電池的四大主材料，正極材料、負(fù)極材料（也叫陰極、陽極材料）、隔離膜和電解液。從材料層面來講，磷酸鐵鋰熱失控的觸發(fā)點(diǎn)是在800到1000度，三元材料大概在300多度，這是純粹講材料。但做成電池后，熱失控溫度就不能只看正極材料了。
石墨材料做的負(fù)極在高溫下，熱失控的負(fù)反應(yīng)也是300多度，磷酸鐵鋰做成全電池以后也達(dá)不到800度，可能在300多度就開始會(huì)觸發(fā)熱失控。而三元做成全電池以后，雖然測(cè)試的熱失控溫度是300度左右，但其實(shí)觸發(fā)條件在130-150度之間就已經(jīng)開始。
關(guān)于三元材料，光是材料本身，在溫度達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)觸發(fā)熱失控，產(chǎn)生氧氣和熱量，接下來會(huì)跟石墨的負(fù)極相互作用，各種副反應(yīng)。電動(dòng)客車安全技術(shù)條件出來以后，只要做的三元材料電池能夠通過熱失控檢測(cè)，或者說真正實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中不出大問題，我覺得可以不用限值技術(shù)路線。
2.電池的封裝形式。電池的各種封裝形式，有圓柱形、方形、軟包等。國際上做得比較好的鋁殼電池，當(dāng)初好多年前做的測(cè)試數(shù)據(jù)非常好，也測(cè)過比較貴的磷酸鐵鋰電池。不同的電池，18650特別好的優(yōu)點(diǎn)就是成組很靈活，個(gè)頭小。軟包電池也是因?yàn)楸容^薄，成組也很方便。從安全性的措施角度看，方電池（結(jié)構(gòu)）比較好做，我不能說方電池更安全，只是它的安全措施更容易做。
電池內(nèi)部，動(dòng)力電池正負(fù)極片工藝，有疊片工藝、卷繞工藝。疊片工藝就跟撲克牌一樣，卷繞工藝就跟瑞士卷一樣。18650是圓的卷繞，方電池是橢圓形的，生產(chǎn)效率會(huì)比較高，而且對(duì)設(shè)備的精度要求不像疊片那么苛刻，疊片做得好的是日韓，一般都做得非常好，設(shè)計(jì)工藝要求非常高。
3.電池成組。介紹一下動(dòng)力電池成組的必要性?？蛙嚿蠟槭裁茨敲炊嚯姵卮⒉⒙?lián)呢？因?yàn)闊o論是電壓還是電量，一般單個(gè)電池達(dá)不到要求。要滿足驅(qū)動(dòng)的電壓要求，必須串聯(lián)，要滿足電量的要求，必須并聯(lián)。重點(diǎn)說一下，實(shí)際上無論是乘用車還是客車，其實(shí)都是既有串聯(lián)，又有并聯(lián)，混聯(lián)的結(jié)構(gòu)。
先并聯(lián)還是先串聯(lián)？這里面看無論從電氣設(shè)計(jì)，還是管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是有差異的，成本和性能都是有差異的。像快充，應(yīng)該都是先串聯(lián)后并聯(lián)，否則電流過不了很大。
成組工藝包含了很多要素，其中最重要的有三個(gè)。一是機(jī)械性能。成組方式的防護(hù)是否到位；二是電連接。電連接是否連接妥當(dāng)；三是熱管理。
4.電動(dòng)汽車對(duì)電池的需求。電動(dòng)汽車希望有動(dòng)力電池能保證足夠的續(xù)駛里程，尤其像純電動(dòng)車。首要關(guān)注的兩個(gè)因素就是成本、能量密度。至于充電的方便性、功率特性、環(huán)境適應(yīng)性也需要關(guān)注。環(huán)境適應(yīng)性要求電池防塵、防水以及適應(yīng)各種環(huán)境溫度，還要保證不起火、不爆炸、耐用性、出勤率、可靠性。
平衡設(shè)計(jì)動(dòng)力電池
在電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)中，要有平衡的概念。要充分了解用戶需求，設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品不是為了通過標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，而是迎合消費(fèi)者。以安全為中心，壽命、能量密度、功率密度、可靠性之間需要權(quán)衡。權(quán)衡以后，比如說能量密度和功率密度，在設(shè)計(jì)上有矛盾，而且能量密度大到一定程度，也會(huì)影響安全性的。能量密度高到一定程度也不好控制，所以追求能量密度的時(shí)候，安全性問題就會(huì)變得越來越突出。
電池設(shè)計(jì)要平衡，指標(biāo)不能光看電芯，還要看系統(tǒng)。舉個(gè)能量和功率的平衡的例子：電池的空間有限、重量有限，都知道電容量越大，要追求卷繞的面積越大越好，而且多繞兩圈最好，這是追求能量密度。所以在做的時(shí)候，能量型電池不要求過很大電流，電子導(dǎo)電的極片做薄一點(diǎn)，讓電極材料涂得厚一點(diǎn)，但是功率型電池要求把極片做厚，但是涂層要薄，離子通道要短，經(jīng)過隔離膜、電解液到對(duì)面去比較快。高能量要求可用的鋰電池?cái)?shù)量多，高功率要求鋰離子跑得快。功率和能量密度同時(shí)做到世界第一，是做不到的。
目前，電動(dòng)客車堅(jiān)持用磷酸鐵鋰，因?yàn)槿姵貨]解決熱失控這個(gè)問題。而乘用車都在用三元，為了優(yōu)先保證能量密度（但系統(tǒng)熱失控也需要滿足逃生時(shí)間）。所以，不同的應(yīng)用需求，可以做不同要素優(yōu)先級(jí)的選擇。關(guān)于共性需求，目前的用戶調(diào)研，基本上，成本和能量密度在純電動(dòng)里面還是放在最先的位置。
動(dòng)力電池未來變化和發(fā)展趨勢(shì)
1.價(jià)格降低。在看后面幾年需求的變化和電池發(fā)展技術(shù)趨勢(shì)，比較通俗講，價(jià)格至少降一半，我們的目標(biāo)是2020年完成。其實(shí)我們老板要求我們把2020至少降一半的情況要往前提，我們用戶覺得這是一個(gè)好的事。
2.能量密度提升。能量密度將提升到現(xiàn)在的1.3倍到2倍，磷酸鐵鋰現(xiàn)在的行業(yè)平均水平130Wh/kg上下，但是有可能純磷酸鐵鋰有機(jī)會(huì)做到150~170Wh/kg。純的磷酸鐵鋰硅極材料用上去以后，有機(jī)會(huì)達(dá)到180 Wh/kg?，F(xiàn)在國家提出更高指標(biāo)是350 Wh/kg，系統(tǒng)能量要到260 Wh/kg，國家提的要求更高一些。
3.循環(huán)壽命提高?，F(xiàn)在乘用車和物流車使用的三元電池大多數(shù)是1000-2000次的循環(huán)壽命，但是現(xiàn)在也有些做2500次的，做混合動(dòng)力的也有6000、7000次的也有。同樣的技術(shù)水平，功率型電芯設(shè)計(jì)到位的話，它的循環(huán)壽命會(huì)比能量型的長一些，基本上循環(huán)壽命提升到現(xiàn)在的2倍。磷酸鐵鋰可以從2000-4000次提升到10000次以上。
4.電芯、模組、電池包行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化。電芯、模組、電池包行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化是第四個(gè)趨勢(shì)。
電池開發(fā)設(shè)計(jì)的流程及技術(shù)
電池系統(tǒng)不好做的地方，在于它的化學(xué)系統(tǒng)受環(huán)境影響很大。不管是電池還是電控，只要用到車上就要按照汽車核心零部件的要求來做。V模型開發(fā)非常重要的一點(diǎn)就是分層設(shè)計(jì)、分層驗(yàn)證，比如管理系統(tǒng)是一個(gè)小部件，把管理系統(tǒng)的需求加進(jìn)去，設(shè)計(jì)開發(fā)出來，等到管理系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證好以后，做PACK的集成設(shè)計(jì)，然后再做到整車的集成設(shè)計(jì)，是一層一層非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拈_發(fā)設(shè)計(jì)流程。
1.機(jī)械設(shè)計(jì)。PACK GBT31467.3的16項(xiàng)安全測(cè)試都要做，還有火燒跟擠壓測(cè)試。對(duì)PACK來講，降成本、減重量，保證安全性和可靠性還存在矛盾，在進(jìn)行安全設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮成本，又要考慮安全性、能量密度。PACK減重時(shí)，要考慮機(jī)械強(qiáng)度、機(jī)械壽命、防腐蝕性，確保可靠性。
2.IP67的重要性。IP67是牽扯安全的，不僅是能不能用，還有安全性。分幾個(gè)方面分析IP67的控制，先看箱體加工，要保證箱體不會(huì)被破壞；二是看壓力平衡閥，能保證不同的緯度、不同的溫度下，里外的氣壓保持平衡；三是上下蓋的密封面，需要考慮是否阻燃的，密封好不好，除了材料選擇、形狀選擇，還有固定的壓縮比；第四，連接器容易漏水，主要是線束、導(dǎo)線跟插頭的關(guān)系、插頭跟插座的關(guān)系、插座跟箱體的關(guān)系。要特別注意設(shè)計(jì)的時(shí)候，連接器底座的固定方式是否需要使用盲孔，如果需要盲孔，而箱體里面設(shè)計(jì)的不是盲孔，再補(bǔ)加膠水也沒有用，長期來看是不行的。此外，安裝連接器的時(shí)候，對(duì)箱體的平面性是有要求的，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，連接器底座和電箱密封也是會(huì)漏水的。
3.電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)。電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)分三大步驟。第一步是建立熱模型。有模型后，單個(gè)電池專門測(cè)試發(fā)熱點(diǎn)，建立功率和發(fā)熱模型的關(guān)系；第二步是系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)。從機(jī)械結(jié)構(gòu)的布局，熱傳導(dǎo)路徑，算它的熱阻回路；第三步是熱管理和策略，一個(gè)目的是防止熱失控，保證安全，另一個(gè)目的是為了電池的長壽命，控制一些應(yīng)用功率，防止電池處于較高溫度。
4.水冷+熱冷熱管理系統(tǒng)。高溫區(qū)的應(yīng)用有制冷系統(tǒng)，供冷水；高寒區(qū)的應(yīng)用有加熱系統(tǒng)，供熱水。這兩個(gè)之間有一個(gè)切換功能。但是，目前即便是做出這個(gè)產(chǎn)品，也只能說能用，仍不完善。解決方法有兩個(gè)方向：低溫電池和速熱技術(shù)。
5.電池管理系統(tǒng)。BMS要具備保護(hù)和自我診斷功能。特別強(qiáng)調(diào)的是，管理系統(tǒng)能夠?qū)﹄姵刈龅阶詣?dòng)維護(hù)、延長電池壽命。電池長期維護(hù)的關(guān)鍵是均衡，而在整車的電池包里，電池結(jié)構(gòu)分布不同，溫度、并聯(lián)回路過電流存在差異，會(huì)讓電池功率的輸出不同。所處的溫度環(huán)境不一樣，性能也會(huì)慢慢離散，所以均衡是需要的。
我反對(duì)均衡的時(shí)候要用多大電流來標(biāo)榜，那會(huì)帶來另外的安全和可靠性的問題。在均衡當(dāng)中，要能夠時(shí)刻檢測(cè)出電池狀態(tài)、單體狀態(tài)，判斷均衡條件比執(zhí)行均衡更重要，最好能夠提前判斷，防微杜漸。
主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡的區(qū)別是什么？主動(dòng)均衡是“劫富濟(jì)貧”，電池狀態(tài)好的可以去救狀態(tài)差的。被動(dòng)均衡是“劫富不濟(jì)貧”，就是把SOC高的容量放掉，達(dá)到一致的SOC，再在外面給電池組充電補(bǔ)上去。這里兩種方式的成本差異比較大，基本上是兩倍以上的關(guān)系。
BMS軟件分應(yīng)用層和底層，APP跟BSW。應(yīng)用層除了系統(tǒng)本身外，其實(shí)就是五個(gè)模塊：前處理、后處理、狀態(tài)估計(jì)、輸入、輸出。關(guān)于管理策略，電池的安全性和可用性是要兼顧的。設(shè)計(jì)的時(shí)候，其實(shí)在提高管理系統(tǒng)安全性的同時(shí)，也要提高用戶的體驗(yàn)。
關(guān)于電池保護(hù)安全策略這一塊，其實(shí)電池最怕的是過充、過溫，也怕過放后再充電。安全保護(hù)要分級(jí)、分策略。充電安全方面，充電機(jī)的安全是很重要的問題，但目前充電機(jī)的質(zhì)量、技術(shù)水平差別很大。
關(guān)于SOC算法。既要保證司機(jī)能夠安全地用SOC，不能虛高虛低，又要保證用戶不會(huì)覺得SOC亂變化，要有顯示策略。高壓保護(hù)也不說了，非常重要的是高壓保護(hù)的熔斷器和接觸器。特別重要的一點(diǎn)，直流耐壓不夠的話，在短路的時(shí)候不能有效分?jǐn)?，所以耐壓一定要足夠。接觸器在高壓的時(shí)候要斷開它，選擇時(shí)也要考慮耐壓和過電流能力，還要注意跟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的，我在這兩個(gè)電極上不要施加不當(dāng)應(yīng)力，破壞它的結(jié)構(gòu)。
6.電池系統(tǒng)安全。關(guān)于電池系統(tǒng)安全，要從電芯材料和電芯設(shè)計(jì)的機(jī)理開始，就做到防熱失控。而在系統(tǒng)級(jí)做到防止熱擴(kuò)散，這是全過程的控制。全方位安全（化學(xué)、機(jī)械、電氣和功能安全）中，化學(xué)安全要求不起火、不爆炸和阻燃性能，還包括不排放有毒氣體，也包括不發(fā)生熱失控，這些都是在化學(xué)安全里面。機(jī)械安全包括振動(dòng)和IP等級(jí)，防爆、防撞、防擠壓都要考慮。第三是電氣安全，就是放觸電、防漏電、防絕緣失效和高壓防觸摸，這些都是屬于電氣安全的東西。還有功能安全，功能安全在這里是一個(gè)概念擴(kuò)展，通俗地講，就是當(dāng)功能失效的時(shí)候不能產(chǎn)生安全事故。
電池安全是底層的，是車上的核心零部件，要服從于車安全，要服從于人安全。可靠性是設(shè)計(jì)制造出來的，主要講系統(tǒng)設(shè)計(jì)分層分級(jí)去分析它的失效模式和影響，按照每一級(jí)去分解可靠性指標(biāo)，這就是一個(gè)FMEA的概念，做DFMEA、PFMEA就是為了在設(shè)計(jì)開發(fā)階段就識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)不會(huì)帶來可靠性問題，甚至帶來安全問題，把影響分析導(dǎo)出來，從嚴(yán)重度、發(fā)生頻率、可檢測(cè)度各個(gè)方面考慮，F(xiàn)MEA分析是必須要做的，這也是汽車產(chǎn)品開發(fā)的一環(huán)。
7.電池系統(tǒng)壽命。電芯壽命的評(píng)估，會(huì)把它放到電池包乃至整車系統(tǒng)的大環(huán)境下來評(píng)估。電芯評(píng)估有一個(gè)模型，用存儲(chǔ)壽命和循環(huán)壽命來評(píng)估用戶的使用壽命，存儲(chǔ)壽命和循環(huán)壽命的影響機(jī)理和因素是不一樣的。存儲(chǔ)壽命主要是化學(xué)因子影響，循環(huán)壽命是化學(xué)和機(jī)械的影響。在微觀來看，充放電循環(huán)中，電極片會(huì)膨脹收縮，SEI界面會(huì)出現(xiàn)微裂紋，修復(fù)裂紋會(huì)消耗鋰離子，影響壽命。
為什么功率型電池循環(huán)會(huì)相對(duì)好一些？因?yàn)楣β市噪娦镜臉O片涂布?jí)簩?shí)密度比較低，膨脹量相對(duì)小，機(jī)械應(yīng)力小。反之，壓實(shí)密度越高膨脹越大，膨脹量相對(duì)大，機(jī)械應(yīng)力大，對(duì)循環(huán)壽命影響大。所以說功率型的循環(huán)壽命會(huì)好過高能量型電芯。模型評(píng)估電池壽命的意義：比如一年時(shí)間，就能評(píng)估電池是否能存儲(chǔ)8年10年，500次以內(nèi)的循環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)，就能預(yù)測(cè)全生命周期能不能達(dá)到5000次、3000次循環(huán)。
最后，說下目前市場(chǎng)很熱的東西：快充?？斐潆姵叵到y(tǒng)必須至少滿足四個(gè)條件：電芯性能、過電流、熱管理和高壓連接安全防護(hù)等必須滿足。
（根據(jù)課程速記整理 已經(jīng)本人審閱）
