鉅大LARGE | 點擊量:1300次 | 2019年04月02日
動力電池其發(fā)展決定了電動汽車產業(yè)的發(fā)展
2016年11月26日—27日,百人會·清華大學新能源汽車產業(yè)高層研修班第三期四次課程在清華大學開課。目前,我國自主研發(fā)的核心零部件缺失,尚未形成技術壁壘,成為新能源汽車發(fā)展的潛在危險。掌握核心技術,提高產品性能及安全性,才能形成具有國際競爭力的品牌,支撐產業(yè)持續(xù)發(fā)展的根本保障。因此,此次課程的主題定為“電動汽車核心技術突破與創(chuàng)新”。
此次課程,CATL的產品開發(fā)總監(jiān)胡建國為學員們帶來了精彩的內容。
動力電池已經成為電動車行業(yè)發(fā)展的瓶頸,其發(fā)展決定了電動汽車產業(yè)的發(fā)展。
新能源汽車分類包括混合動力、插電式混合動力、純電驅動等,其中電動化的程度越高,使用電池也越多,對企業(yè)而言就能賣更多電池。但是,電池越多,危險性也越大。
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系。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
動力電池與電動汽車的關系
1.與整車的關系。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動的需要。
高能量密度有利于減重、長壽命、提高性價比。反過來說,整車也要對電池做貢獻,提供更好的安裝空間和防護空間。如果整車做不好,只依靠電池獨立保證性能非常難。
2.與使用、維護的關系。如何維保和應用,電池廠家有這個責任和義務定義好,既要方便用戶使用,又要保證用戶知道如何使用和維護。電池系統(tǒng)的三大技術,一是電芯技術,無論是材料,還是電池技術、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,指導電池不被濫用,這是管好電池、用好電池的基礎;三是成組技術,無論是從電芯到模組,還是模組到PACK。成組技術給電池包提供一個強壯的“身體”。
3.與充電的關系。動力電池系統(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系上面,是交流進整車還是直流進整車的區(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。
石墨材料做的負極在高溫下,熱失控的負反應也是300多度,磷酸鐵鋰做成全電池以后也達不到800度,可能在300多度就開始會觸發(fā)熱失控。而三元做成全電池以后,雖然測試的熱失控溫度是300度左右,但其實觸發(fā)條件在130-150度之間就已經開始。
關于三元材料,光是材料本身,在溫度達到一定程度時,會觸發(fā)熱失控,產生氧氣和熱量,接下來會跟石墨的負極相互作用,各種副反應。電動客車安全技術條件出來以后,只要做的三元材料電池能夠通過熱失控檢測,或者說真正實際應用當中不出大問題,我覺得可以不用限值技術路線。
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,當初好多年前做的測試數(shù)據(jù)非常好,也測過比較貴的磷酸鐵鋰電池。不同的電池,18650特別好的優(yōu)點就是成組很靈活,個頭小。軟包電池也是因為比較薄,成組也很方便。從安全性的措施角度看,方電池(結構)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。
電池內部,動力電池正負極片工藝,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,生產效率會比較高,而且對設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,設計工藝要求非常高。
3.電池成組。介紹一下動力電池成組的必要性。客車上為什么那么多電池串、并聯(lián)呢?因為無論是電壓還是電量,一般單個電池達不到要求。要滿足驅動的電壓要求,必須串聯(lián),要滿足電量的要求,必須并聯(lián)。重點說一下,實際上無論是乘用車還是客車,其實都是既有串聯(lián),又有并聯(lián),混聯(lián)的結構。
先并聯(lián)還是先串聯(lián)?這里面看無論從電氣設計,還是管理系統(tǒng)設計都是有差異的,成本和性能都是有差異的。像快充,應該都是先串聯(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。一是機械性能。成組方式的防護是否到位;二是電連接。電連接是否連接妥當;三是熱管理。
4.電動汽車對電池的需求。電動汽車希望有動力電池能保證足夠的續(xù)駛里程,尤其像純電動車。首要關注的兩個因素就是成本、能量密度。至于充電的方便性、功率特性、環(huán)境適應性也需要關注。環(huán)境適應性要求電池防塵、防水以及適應各種環(huán)境溫度,還要保證不起火、不爆炸、耐用性、出勤率、可靠性。
平衡設計動力電池
在電動汽車的設計中,要有平衡的概念。要充分了解用戶需求,設計出來的產品不是為了通過標準測試,而是迎合消費者。以安全為中心,壽命、能量密度、功率密度、可靠性之間需要權衡。權衡以后,比如說能量密度和功率密度,在設計上有矛盾,而且能量密度大到一定程度,也會影響安全性的。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候,安全性問題就會變得越來越突出。
電池設計要平衡,指標不能光看電芯,還要看系統(tǒng)。舉個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。所以在做的時候,能量型電池不要求過很大電流,電子導電的極片做薄一點,讓電極材料涂得厚一點,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,經過隔離膜、電解液到對面去比較快。高能量要求可用的鋰電池數(shù)量多,高功率要求鋰離子跑得快。功率和能量密度同時做到世界第一,是做不到的。
目前,電動客車堅持用磷酸鐵鋰,因為三元電池沒解決熱失控這個問題。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間)。所以,不同的應用需求,可以做不同要素優(yōu)先級的選擇。關于共性需求,目前的用戶調研,基本上,成本和能量密度在純電動里面還是放在最先的位置。
動力電池未來變化和發(fā)展趨勢
1.價格降低。在看后面幾年需求的變化和電池發(fā)展技術趨勢,比較通俗講,價格至少降一半,我們的目標是2020年完成。其實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會做到150~170Wh/kg。純的磷酸鐵鋰硅極材料用上去以后,有機會達到180Wh/kg?,F(xiàn)在國家提出更高指標是350Wh/kg,系統(tǒng)能量要到260Wh/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,做混合動力的也有6000、7000次的也有。同樣的技術水平,功率型電芯設計到位的話,它的循環(huán)壽命會比能量型的長一些,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)標準化。電芯、模組、電池包行業(yè)標準化是第四個趨勢。
電池開發(fā)設計的流程及技術
電池系統(tǒng)不好做的地方,在于它的化學系統(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)非常重要的一點就是分層設計、分層驗證,比如管理系統(tǒng)是一個小部件,把管理系統(tǒng)的需求加進去,設計開發(fā)出來,等到管理系統(tǒng)測試驗證好以后,做PACK的集成設計,然后再做到整車的集成設計,是一層一層非常嚴謹?shù)拈_發(fā)設計流程。
1.機械設計。PACKGBT31467.3的16項安全測試都要做,還有火燒跟擠壓測試。對PACK來講,降成本、減重量,保證安全性和可靠性還存在矛盾,在進行安全設計時,既要考慮成本,又要考慮安全性、能量密度。PACK減重時,要考慮機械強度、機械壽命、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。分幾個方面分析IP67的控制,先看箱體加工,要保證箱體不會被破壞;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、導線跟插頭的關系、插頭跟插座的關系、插座跟箱體的關系。要特別注意設計的時候,連接器底座的固定方式是否需要使用盲孔,如果需要盲孔,而箱體里面設計的不是盲孔,再補加膠水也沒有用,長期來看是不行的。此外,安裝連接器的時候,對箱體的平面性是有要求的,當結構設計不合理,連接器底座和電箱密封也是會漏水的。
3.電池熱管理設計。電池熱管理設計分三大步驟。第一步是建立熱模型。有模型后,單個電池專門測試發(fā)熱點,建立功率和發(fā)熱模型的關系;第二步是系統(tǒng)熱設計。從機械結構的布局,熱傳導路徑,算它的熱阻回路;第三步是熱管理和策略,一個目的是防止熱失控,保證安全,另一個目的是為了電池的長壽命,控制一些應用功率,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)的應用有制冷系統(tǒng),供冷水;高寒區(qū)的應用有加熱系統(tǒng),供熱水。這兩個之間有一個切換功能。但是,目前即便是做出這個產品,也只能說能用,仍不完善。解決方法有兩個方向:低溫電池和速熱技術。
5.電池管理系統(tǒng)。BMS要具備保護和自我診斷功能。特別強調的是,管理系統(tǒng)能夠對電池做到自動維護、延長電池壽命。電池長期維護的關鍵是均衡,而在整車的電池包里,電池結構分布不同,溫度、并聯(lián)回路過電流存在差異,會讓電池功率的輸出不同。所處的溫度環(huán)境不一樣,性能也會慢慢離散,所以均衡是需要的。
我反對均衡的時候要用多大電流來標榜,那會帶來另外的安全和可靠性的問題。在均衡當中,要能夠時刻檢測出電池狀態(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。
主動均衡和被動均衡的區(qū)別是什么?主動均衡是“劫富濟貧”,電池狀態(tài)好的可以去救狀態(tài)差的。被動均衡是“劫富不濟貧”,就是把SOC高的容量放掉,達到一致的SOC,再在外面給電池組充電補上去。這里兩種方式的成本差異比較大,基本上是兩倍以上的關系。
BMS軟件分應用層和底層,APP跟BSW。應用層除了系統(tǒng)本身外,其實就是五個模塊:前處理、后處理、狀態(tài)估計、輸入、輸出。關于管理策略,電池的安全性和可用性是要兼顧的。設計的時候,其實在提高管理系統(tǒng)安全性的同時,也要提高用戶的體驗。
關于電池保護安全策略這一塊,其實電池最怕的是過充、過溫,也怕過放后再充電。安全保護要分級、分策略。充電安全方面,充電機的安全是很重要的問題,但目前充電機的質量、技術水平差別很大。
關于SOC算法。既要保證司機能夠安全地用SOC,不能虛高虛低,又要保證用戶不會覺得SOC亂變化,要有顯示策略。高壓保護也不說了,非常重要的是高壓保護的熔斷器和接觸器。特別重要的一點,直流耐壓不夠的話,在短路的時候不能有效分斷,所以耐壓一定要足夠。接觸器在高壓的時候要斷開它,選擇時也要考慮耐壓和過電流能力,還要注意跟結構設計相關的,我在這兩個電極上不要施加不當應力,破壞它的結構。
6.電池系統(tǒng)安全。關于電池系統(tǒng)安全,要從電芯材料和電芯設計的機理開始,就做到防熱失控。而在系統(tǒng)級做到防止熱擴散,這是全過程的控制。全方位安全(化學、機械、電氣和功能安全)中,化學安全要求不起火、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,這些都是在化學安全里面。機械安全包括振動和IP等級,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概念擴展,通俗地講,就是當功能失效的時候不能產生安全事故。
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??煽啃允窃O計制造出來的,主要講系統(tǒng)設計分層分級去分析它的失效模式和影響,按照每一級去分解可靠性指標,這就是一個FMEA的概念,做DFMEA、PFMEA就是為了在設計開發(fā)階段就識別風險,會不會帶來可靠性問題,甚至帶來安全問題,把影響分析導出來,從嚴重度、發(fā)生頻率、可檢測度各個方面考慮,F(xiàn)MEA分析是必須要做的,這也是汽車產品開發(fā)的一環(huán)。
7.電池系統(tǒng)壽命。電芯壽命的評估,會把它放到電池包乃至整車系統(tǒng)的大環(huán)境下來評估。電芯評估有一個模型,用存儲壽命和循環(huán)壽命來評估用戶的使用壽命,存儲壽命和循環(huán)壽命的影響機理和因素是不一樣的。存儲壽命主要是化學因子影響,循環(huán)壽命是化學和機械的影響。在微觀來看,充放電循環(huán)中,電極片會膨脹收縮,SEI界面會出現(xiàn)微裂紋,修復裂紋會消耗鋰離子,影響壽命。
為什么功率型電池循環(huán)會相對好一些?因為功率性電芯的極片涂布壓實密度比較低,膨脹量相對小,機械應力小。反之,壓實密度越高膨脹越大,膨脹量相對大,機械應力大,對循環(huán)壽命影響大。所以說功率型的循環(huán)壽命會好過高能量型電芯。模型評估電池壽命的意義:比如一年時間,就能評估電池是否能存儲8年10年,500次以內的循環(huán)測試數(shù)據(jù),就能預測全生命周期能不能達到5000次、3000次循環(huán)。
最后,說下目前市場很熱的東西:快充??斐潆姵叵到y(tǒng)必須至少滿足四個條件:電芯性能、過電流、熱管理和高壓連接安全防護等必須滿足。