中国汽车技术研究中心首席专家王芳:动力电池技术与测试
发布时间:2018-04-18 10:49:00
关键词:Li+学社

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图为中国汽车技术研究中心首席专家王芳做课题报告


  中国汽车技术研究中心首席专家王芳在Li+学社 第二期“ 技术博弈-高能量密度VS安全 ”技术沙龙上做主题演讲。以下是演讲内容:


王芳:首先感谢张秘书长的邀请,本来今天应该我是最后一个做报告,但是我们单位有一些客人来需要我去交流,所以我临时要求调到第一个讲,之后会提前要走,讲完了之后我稍微会留一点时间我们再做一些交流。

 

这个会场我印象中去年跟大家做过一个交流,主要是跟力神内部的同事的交流,主要讲的是电池测试的事情。今天给我的题目是三元的安全测试,我把题目改成动力电池技术与测试。这样的一个内容跟交流的主题也算是完全吻合的


我自己在总结的时候,包括现在的一些现状以及秘书长说的一些数据,大家也可以看出来,现在技术的主流里面更多的是三元电池的一些评测,所以我是把它稍微做了这样一个调整。

   

今天报告的内容分为三个部分,第一简单地介绍目前产业背景的情况。第二个说一下技术现状。第三个给我设置的题目是对于高能电池现有测试评价的状态。

 

首先,背景简单提一下,大家知道国内新能源汽车的产销量连续三年位居第一,目前市场保有量已达到10%以上。看一下数量的增长,2018年到2020年还是会呈现一个快速增长的状态。对于汽车来说,这样大的批量,在长期的使用过程中,大家关心的汽车性能是有哪些我们可以归类一下,一个是安全性,因为安全性是第一要素,我前几天刚刚在北京做一个报告是《电池的技术发展和趋势》,我提到过一些问题,除了安全以外,像这种加速爬坡驾乘的感受以及续航里程,跟老百姓使用切实相关的性能是非常重要的,经济效应、能耗以及使用的便利性比如充电,近期非常热点的话题包括回收利用。

 

对于电池来说,可以把它跟电池的测试评价相结合,对于电池的评价来说,我们要关心的方面首当其冲的是安全问题,跟它的能量密度、功率密度是相关的,跟经济性相关的是寿命以及低成本性,跟回收相关的新能源汽车的回收大家直接提到的是电池的回收和再利用的状态。

 

我们再看一下,这个是因为时代背景,也要介绍一下我国大大小小政策中明确提到了今天交流的主题是300Wh/kg的概念,前两天我在北京做完报告之后,当报告出来说是我说的300Wh/kg已经达到,这个指标已经实现。我立即更正了一下,我跟他说的意思是,我说的是非常谨慎的,可能是你们理解的问题。我们认为目前来说300Wh/kg这种指标单一指标是有可能达到的,但是在像这些政策里面提到的300Wh/kg的指标,都是一个实际汽车使用的这样一个商品的指标,对于商品指标来说,就不是单一地能量密度这一个值,还会涉及到性能、寿命、安全性等等一系列的综合指标,所以这个概念不要混淆了。单一指标能否达到跟能不能用综合指标是否能实现是两回事。

 

实际上我们国内的新能源汽车的专项布局从2015-2020一系列的高能电池的支持我们力神是承担单位,对于研发的产品来说,目前应该是2018年,因为要从2020年能够装车使用的话,研发单体的单一指标,应该在2018年能够达到300Wh/kg的状态,这是根据研发的节奏来说应该是可以的。实际上我们在测试的时候,300Wh/kg单一的测试密度我们已经测试过,可以达到310Wh/kg多,但没有测试其他的指标,我一再强调的,上次开会的时候,有些记者并不是做电池专业背景的,所以在理解上会有一些偏颇。

 

我们再看一下,因为大家都在探讨原因,电池的正极材料无非是这几种选择,负极材料也是这样的几种选择,我们把它“拉郎配”以后,发现中间的一些负锂的体系配上碳和硅的体系,可以达到300Wh/kg的指标,这也是现在研究的一个重点。我们再看,我们参考过去25年这种三元电池从小元弱电池发展的路径,从1991年80Wh/kg到现在的260Wh/kg基本上是这样一个增长趋势的状态。我们到2020年会达到300Wh/kg,2025年可以达到320Wh/kg,借助这种核心的话是完全可以达到2025年达到340Wh/kg的。

 

根据现有的研发体系,也可以看到,刚才推算是一样的,622或者811这样的体系,应该是往300Wh/kg走,研发的重点和热点,也是大家需要关心去解决它的一些综合性能提升方面关键问题的研究对象。

 

基于这样一个大的背景,我们看一下实际技术现状是一个什么样的状态呢?这是我让我的同事根据我们行业的统计数据做的一个图,可以看到2016年的装车量是280亿瓦时,2017年是367亿瓦时,再看其中企业的分布,格局是有很大的变化。在2016年的时候,松下是21%,比亚迪也是21%,但到了2017年有一个变化,虽然2016年是20%,这是三家的一个基本的状态,但到了2017年有了一个转变,CATL达到了10%,数量翻了一番,从原来的20%升到了24%,比亚迪反而降到了14%,跟整个公司的运营模式策略有关,比亚迪去年有这样的一个转型。这两天看到了报道说东风成为了它的第一个外部的客户,所以电池的业务完全对外放开了,不是只供应自己了。

 

我们看到刚才郑总提到了,我们力神现在有10GWh变成20GWh的规划,前两天开会的时候,有专家上台第一句话也是会讲提到我们公司现在是什么状态,规划了多少发展了多少,秘书长通过调研也会有这样的数据报上来。我们反过来会有担忧,从图上看,我们根据汽车发展趋势,我们认为到了2020年的需求,可能会在1000亿瓦时左右,通过初步预估的话会在2000亿瓦时,根据实际产能的测算会发生产能过剩的情况。

 

其实这里面看一下上面图的配比,也可以看到有可能的状态是优质产能的企业会忙得要死,自己要去挑选客户,但有很多的企业,有很多的产能但是没有人选他的电池,这是两个极端。产能过剩,但是优质产能不见得能够满足需求。对于力神这样的大企业来说,在产能的同时,也要提升自己的优质产能,这是核心的市场竞争力,这个是必须要关注的。

 

这个是国内的动力电池现在的生产现状,我们统计了一下,对于单体能量密度,大概在115-160Wh/kg之间,三元电池大概在135-240Wh/kg之间,这是现在的一个状况。我们统计了一下,这个是根据装车量的数据统计的,这个是2017年实际乘用车的装车量,可以看到里面的224款乘用车里面三元的装车量大概是199款,占到88.8%,比例是基本上可以预期的,大家应该比较接受这样的状态。系统能量密度120-150Wh/kg区间的占到27%,这个是在2017年能够拿到比较高的补贴的区间。右下角一个图是2017年整体的装车量,包含了商用车的,可以看出跟乘用车不同的地方,是三元铁锂是二分天下,乘用车领域基本上三元占到了绝对的主导,但在商用车的领域,一会儿我讲到相关测试的要求,会提到它的一些标准方面的要求,对于高能的三元电池来说是一个挑战。

 

这张图我在上次会议上讲过,我们分析了从2017年到2018年的装车数据,当然2018年只是这几个月的,我把这几个月的装车数据统计了一下,能量密度从107.6Wh/kg提升到118.8Wh/kg,提升了达到10.37%,原则上测试的电池跟装车,因为装车的数据拿到证我们是有统计的数,但测试的样品信息跟装车应该会有三个月左右的一个延后期,所以这个数据是去年年底测试过的数据,一会儿再给大家看看,2018年我们现在测试的样品又是一个什么状态。

 

我们看一下测试评价,动力电池标准有这样一个标准体系,单体系统安全性测试是最为关心的,还要提醒大家的是现在应该关注的是有一个GB电池强制标准的制定,大家如果关心这个行业消息的话,前几天刚刚在成都我们开了这个标准的工作组会议,形成了一个意见,下一步会形成报批稿,会把上面这两个标准直接替代,485和467.3会直接自动取消了。

 

现有的标准这种政策的实施,基本上我刚才提到的几个重要标准,在所有的产品准入以及相关的东西里面,都会有要求,除了刚才提到的标准以外,还有一个是客车的安全条件。客车的安全条件中,会涉及到对于电池的四项要求,具体来看一下测试的情况,具体统计了一下测试样品,2015年平均系统能量密度是90.5Wh/kg,刚才看到的装车量数据是118Wh/kg,2018年测试样品系统能量密度的平均值是137.5Wh/kg,这个是可以看到的,也许未来三个月以后,这样的能量密度的电池就会是装车里面的参数,我们在装车的公告参数里是可以看到的。这个提升的速度也是非常惊人的,我们再看成组率,意味着从单体能量密度到系统能量密度的变化,在2016年的时候,成组率63%,到2017年是67%,2018年是74%,这个是平均的成组率

 

我们再看一下具体的统计,我让我们的实验室统计了一下,我们在2017年做的145款电池从单体到系统能量密度的变化,可以看到单体平均能量密度是173Wh/kg,系统层面是116,细分一下140多款电池里面磷酸铁电池是蓝色的图,能量密度是143.3Wh/kg,系统之后是117Wh/kg,测算一下集成效率是80.42%,磷酸铁成组率是非常高的。三元电池集成效63%,平均以后是67%,可以看到,我做了一个分析,因为刚才看到饼图,2017年对于磷酸铁电池来说基本上用在常用车上,三元基本用在乘用车上,主要的两个因素会导致这样的结果的形成。


磷酸铁本身的安全性相对较高,三元这种高能会使得在系统集成的时候在附加的时候,传热、隔热、承热使得附加的东西会非常得多。三元主要用在乘用车上,磷酸铁用在大巴车上,本身对车的要求会低很多,所以附加的东西非常少,所以集成效率基本上没有附加值的东西了,81%非常非常高了。我前几天听到有人喊出来达到90%,我还是有点担心的。

 

我们再看一下这个数据,把成组以后的能量密度做了一个比较,这个是大家非常关心的,上次我来力神的时候,给大家展示过一个数据,2015-2017年,风冷、液冷、自然冷却的样品百分比是什么样的,上次跟大家有过这样的一些交流,我当时说的担心,是因为大家过多地关注到补贴政策的压力,比如说我需要的能量密度不够提升,辅助的东西越少越好,原来想用液冷的方式冷却,结果是能不用就不用。可以看到这样的结果,这个数据我认为是不准确的,为什么?得出的结果风冷能量密度是最高的,自然冷却次之,最差的是液冷。这个大家能接受,但大家都接受的应该是自然冷却是最高的,我还是认为这个是正确的,结果不能接受的主要原因是下面的数字,自然冷却有86款,风冷3款,液冷是7款,这是我统计的90多款的系统状态,所以没办法代表整个样品的水平,所以我自己还是认为当然也是大家的一个观点,自然冷却能量是相对较高一点的,这也是大家为什么舍弃比较好的液冷方式而选择自然冷却的原因。

 

方型、软包和圆柱形以后谁占主流,我统计过一段时间内的样品,可以看到基本上是三分天下,样品数基本上比较平均的,三个样品是占这样一个比例我们再看一下三个样品的成组率,方形电池基本上的成组率,方形和软包、圆柱形的成组率软包会相对占一点优势,其实像圆柱形也并不是特别占优势,因为特别是小圆柱形,附加的散热管等等这样一些措施,反而会使它的成组率非常低,比如特斯拉

 

下面提一下是与安全相关的测试,我今天跟大家分享的前面包括性能数据,其实也是跟安全密切相关的,为什么放到这里跟大家分享呢?因为三元这种不同的方式,不同的冷却方式,不同的集成,包括能量密度的提升,都可以看到,它应该关注的东西和重点提到安全这边的问题,电池现有的系统测试,之前这个数据比较老了,是去年年初的数据,之前标准没有要求改单的时候,机械安全非常低。我们把机械安全出事故的原因,做了一个分析。上次跟力神没有讲,我只是讲了一下修改单提交了以后有这样的一个变化,机械安全性通过率明显提升了。震动的频率和强度大部分降低了,从原来的随机震动变成了很小的震前震动,是不是合理呢?其实是不得且而为之的举措,原来的震动非常严苛,已经超越了使用状态。但是修改单震前震动又跟实际不符的,车在路上跑的时候是随机震动带来的影响,我们要考核的是这个,所以现在新的GB标准制定的时候,我们要启动的工作是重新根据实车的实验,搜集到震动的再反馈到台架上,再用这个来做震动实验,电池实际上应该承受什么样的强度,我们做了20多辆车,包括乘用车、商用车,商用车包括物流车还有大巴车,根据不同的状况,做了实验得到了震动的实验谱,已经提交到了全球电动汽车法规里面了,会在第二阶段进行讨论,要不要把这一条修改掉,因为ESGDR第一阶段震动是跟我们一样的震前震动,是不合理的,所以提出要求进行修改。


刚才提到客车的安全条件,这个是比较重要的。为什么说比较重要呢?它是一个技术条件而不是一个标准,已经强制实施了一年多。我要告诉大家的是,GB的电池强标在制定的同时,还有两个级别强标同时制定,一个是电动车的安全要求,另外一个是电动车的安全条件,其实是从这个转化过来的。里面还是会有一些保留,里面的一个问题有一个重要的测试是热失控,把电池扩充120%以后,再加热到300度,要求不起火、不爆炸,对于三元电池来说,尤其是现在发展到180-200Wh/kg是非常难的一件事。这也是为什么我刚才提到了商用车,客车上基本上是磷酸铁锂天下的重要原因,这个是很难通过的,特别是三元电池。

 

提到三元电池,我提到的是强制测试,后面的实验目前来看是非强制的,但我觉得是更合理的一个关注点,刚才热失控的测试,从我作为技术人员,我是持保留意见的。因为从实际技术的考量来说,我认为合理性不需要去探讨,这是我的观点我也表达过。我自己认为是什么样的呢?我们可以看一下,我画了这样一个图,我想表达的观点是首先电池有绿色可用的区域,有黄色可控的一个边界,有红色的失控边界。而这个边界是什么?是动态变化的,随着全生命格局动态变化的。而对于高比能的三元电池来说,绿色的区域可能会比磷酸铁锂要小,实际上应该怎么样呢?把电池系统作为一个整体系统,首先我们要知道,三元电池本身的单体层面安全性到底是什么样的一个状态?我们找到它的绿色区域在哪?第一点要知道三元电池的绿色区域在哪。

 

第二点,在这个基础上,加上BMS的保护和热管理,让你的整个电池系统能够适应各种环境、机械、使用条件,这是你要考虑的。所以在这个基础上,我们做了很多的研究。要想知道电池的安全,先要知道基本的安全特性,比如说内部的随着SOD、测试的状态,我们在SCI文章上进行了发表,电池采热的MAP图,可以看着随着温度、倍率的变化是有规律可寻的,对于每一个电池体系来说是有规律可寻的,找到边界要找到黄色控制的边界是非常非常重要的。另外要控制这个边界,还要对电池自产热、热失控的边界点有明确的把控,三元电池本身容易热失控,一百多度或者没到一百度就自己产热了,自己产热就不可控了,所以我们一定要知道自产热的点是什么,控制在自产热的温度以下去安全使用

 

关注这一点以后,我们可以借助仿真模型,仿真的分析从分子、原子级别一直到系统层面了解到热分布,附加以更好的更好的热管理系统,能够实现对于电池的特别是高能三元电池的很好的热管理,这样的话,可以让一个相对不安全的电池用了以后非常地安全。

 

因为老有人问电池安全吗?本身它就是相对安全的概念,怎么把它用得安全系数高,隐患非常低是一个系统的工程。做好了整个电池的系统设计以后,这个测试是热失控、热扩散的测试,马上要变成强制测试的一个内容了,这也是由我们牵头在全球提出的测试方案,我们要模拟电池在能够热失控的方法,我们选了用什么样的方法能够模拟电池的内燃物,瞬间内部温度升高。我们要找到一个方法模拟,其次要找到瞬间热失控的点是什么?因为到了这个点以后就不能外部附加热量了,而让电池自产热看看会有什么后果。我们要找到这个点的确切影响的因素,如果引起热失控了,当然有可能没事什么都没有看到,也可能是车不能用了,但也有可能是整个车瞬间就着了,我们在这个车电池着之前,能够有足够的时间让人能够逃生,这个是电动汽车的安全理念,全球只有一个安全法规就是人员的安全,财产是不在考虑范围内的。多长时间人员能够逃生?车子在行驶的时候,从车上逃离到安全区域的时间,这个我们做了大量的工作,这个提案已经成为全球的提案,而且第一阶段只是把要求写进去了,因为方法还是有一定值得商榷的地方。

 

但是认为用加热也好、过充也好是用附带的能量,不是电池自产热的,全球专家就会争论,你外部加热是改变了电池的状态,我不认为是电池的问题,电池热失控了不一定是电池热失控了,有可能是附加的能量太大了,导致的热失控。这个问题还在研究,从2018年到2020年甚至是到2022年,希望大家可以加入进来,多参与行业的工作,政府是非常重视的,全球法规,工信部前段时间开了相关会议,这是中国主导了第一个全球的法规,我们作为副主席国参与的,而这个热失控完全是由我们牵头来做的。现在欧洲和日本等一系列的国家,政府制定了专项政府经费,专门从事热失控热、热扩散的研究,从3月份在北京开了一个全球会,这次开始基本上每一次USGPR的会议每次一天半各国会讨论并且跟我们分享,当然还是由我国主导的,希望大家多参与进来。

 

下面提一下标准的状态,编码和尺寸,不详细讲了,因为这两个标准下个月可能会调换。因为编码和规格跟T46会有关联的,到时候我们会详细讲解标准制定的思路以及一些用处。

 

这个是关于电池法规的制定,希望大家多多参与。GB的电池标准,前一段时间在征求意见的时候,我刚才说了三个GB标准,征求意见分别由100多、200多和400多条反馈意见,400多条反馈意见是电池的强标,争论点是最多的,其实各个企业都有着非常多的关注。我刚才讲了很多,像电池的热测试分析,其实我是觉得根据这个大的趋势,我从2006年QCT制定的时候我有参与其中,到了一系列的GBT到强标的制定,电池强制标准越来越往后走,要求是会低的,大家认为是越来越合理化,合理化的概念在哪呢?其实不是行业应该用标准作为一个大棒,企业看着这个标准做就行了,更多地是企业看着市场去做,标准只是一个最基本的门槛,达到就行了。再根据市场,客户的需求,应该在这个基础上大幅度地提升你的技术水平。大概是这样的一个趋势。

 

最后提一下循环利用,这个是非常非常重要的,在28日我们会在烟台开循环利用联盟工作组会议。循环利用大家知道以前在讲循环专题的时候专门讲过,电动汽车电池退役会剩到60%的能量,直接进行回收的话,稍微有点可惜,所以大家会考虑到利用。现在溯源的体系和利用的管理办法陆陆续续出台了,里面最重要的是要考虑到先T次然后再生的基本原则。标准体系陆陆续续会建立,在烟台会先开回收标准工作组的会,溯源的管理制度也在建立,我们还会重点关注T次利用电池它的管理尤其重要,因为次利用安全性是值得我们关心的,对于后期产品的这种管理也尤为重要,相应的一些讨论也在进行中。今天跟大家分享就这些了,谢谢大家!

 

根据现场发言整理  未经本人审核


稿件来源: 大米平台直属
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