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    中國汽車技術研究中心首席專家王芳:動力電池技術與測試
    發布時間:2018-04-18 10:49:00
    關鍵詞:Li+學社

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    圖為中國汽車技術研究中心首席專家王芳做課題報告


      中國汽車技術研究中心首席專家王芳在Li+學社 第二期“ 技術博弈-高能量密度VS安全 ”技術沙龍上做主題演講。以下是演講內容:


    王芳:首先感謝張秘書長的邀請。

     

    我印象中去年跟大家做過一個交流,主要講的是電池測試的事情。今天給我的題目是三元的安全測試,我把題目改成動力電池技術與測試。這樣的一個內容跟交流的主題也算是完全吻合的。


    我自己在總結的時候,包括現在的一些現狀以及秘書長說的一些數據,大家也可以看出來,現在技術的主流里面更多的是三元電池的一些評測,所以我是把它稍微做了這樣一個調整。

       

    今天報告的內容分為三個部分,第一簡單地介紹目前產業背景的情況。第二個說一下技術現狀。第三個給我設置的題目是對于高能電池現有測試評價的狀態。

     

    首先,背景簡單提一下,大家知道國內新能源汽車的產銷量連續三年位居第一,目前市場保有量已達到10%以上??匆幌聰盗康脑鲩L,2018年到2020年還是會呈現一個快速增長的狀態。對于汽車來說,這樣大的批量,在長期的使用過程中,大家關心的汽車性能是有哪些?我們可以歸類一下,一個是安全性,因為安全性是第一要素,我前幾天剛剛在北京做一個報告是《電池的技術發展和趨勢》,我提到過一些問題,除了安全以外,像這種加速爬坡駕乘的感受以及續航里程,跟老百姓使用切實相關的性能是非常重要的,經濟效應、能耗以及使用的便利性比如充電,近期非常熱點的話題包括回收利用。

     

    對于電池來說,可以把它跟電池的測試評價相結合,對于電池的評價來說,我們要關心的方面首當其沖的是安全問題,跟它的能量密度、功率密度是相關的,跟經濟性相關的是壽命以及低成本性,跟回收相關的新能源汽車的回收大家直接提到的是電池的回收和再利用的狀態。

     

    我們再看一下,這個是因為時代背景,也要介紹一下我國大大小小政策中明確提到了今天交流的主題是300Wh/kg的概念,前兩天我在北京做完報告之后,當報告出來說是我說的300Wh/kg已經達到,這個指標已經實現。我立即更正了一下,我跟他說的意思是,我說的是非常謹慎的,可能是你們理解的問題。我們認為目前來說300Wh/kg這種指標單一指標是有可能達到的,但是在像這些政策里面提到的300Wh/kg的指標,都是一個實際汽車使用的這樣一個商品的指標,對于商品指標來說,就不是單一地能量密度這一個值,還會涉及到性能、壽命、安全性等等一系列的綜合指標,所以這個概念不要混淆了。單一指標能否達到跟能不能用綜合指標是否能實現是兩回事。

     

    實際上我們國內的新能源汽車的專項布局從2015-2020一系列的高能電池的支持我們力神是承擔單位,對于研發的產品來說,目前應該是2018年,因為要從2020年能夠裝車使用的話,研發單體的單一指標,應該在2018年能夠達到300Wh/kg的狀態,這是根據研發的節奏來說應該是可以的。實際上我們在測試的時候,300Wh/kg單一的測試密度我們已經測試過,可以達到310Wh/kg多,但沒有測試其他的指標,我一再強調的,上次開會的時候,有些記者并不是做電池專業背景的,所以在理解上會有一些偏頗。

     

    我們再看一下,因為大家都在探討原因,電池的正極材料無非是這幾種選擇,負極材料也是這樣的幾種選擇,我們把它“拉郎配”以后,發現中間的一些負鋰的體系配上碳和硅的體系,可以達到300Wh/kg的指標,這也是現在研究的一個重點。我們再看,我們參考過去25年這種三元電池從小元弱電池發展的路徑,從1991年80Wh/kg到現在的260Wh/kg基本上是這樣一個增長趨勢的狀態。我們到2020年會達到300Wh/kg,2025年可以達到320Wh/kg,借助這種核心的話是完全可以達到2025年達到340Wh/kg的。

     

    根據現有的研發體系,也可以看到,剛才推算是一樣的,622或者811這樣的體系,應該是往300Wh/kg走,研發的重點和熱點,也是大家需要關心去解決它的一些綜合性能提升方面關鍵問題的研究對象。

     

    基于這樣一個大的背景,我們看一下實際技術現狀是一個什么樣的狀態呢?這是我讓我的同事根據我們行業的統計數據做的一個圖,可以看到2016年的裝車量是280億瓦時,2017年是367億瓦時,再看其中企業的分布,格局是有很大的變化。在2016年的時候,松下是21%,比亞迪也是21%,但到了2017年有一個變化,雖然2016年是20%,這是三家的一個基本的狀態,但到了2017年有了一個轉變,CATL達到了10%,數量翻了一番,從原來的20%升到了24%,比亞迪反而降到了14%,跟整個公司的運營模式策略有關,比亞迪去年有這樣的一個轉型。這兩天看到了報道說東風成為了它的第一個外部的客戶,所以電池的業務完全對外放開了,不是只供應自己了。

     

    我們看到剛才鄭總提到了,我們力神現在有10GWh變成20GWh的規劃,前兩天開會的時候,有專家上臺第一句話也是會講提到我們公司現在是什么狀態,規劃了多少發展了多少,秘書長通過調研也會有這樣的數據報上來。我們反過來會有擔憂,從圖上看,我們根據汽車發展趨勢,我們認為到了2020年的需求,可能會在1000億瓦時左右,通過初步預估的話會在2000億瓦時,根據實際產能的測算會發生產能過剩的情況。

     

    其實這里面看一下上面圖的配比,也可以看到有可能的狀態是優質產能的企業會忙得要死,自己要去挑選客戶,但有很多的企業,有很多的產能但是沒有人選他的電池,這是兩個極端。產能過剩,但是優質產能不見得能夠滿足需求。對于力神這樣的大企業來說,在產能的同時,也要提升自己的優質產能,這是核心的市場競爭力,這個是必須要關注的。

     

    這個是國內的動力電池現在的生產現狀,我們統計了一下,對于單體能量密度,大概在115-160Wh/kg之間,三元電池大概在135-240Wh/kg之間,這是現在的一個狀況。我們統計了一下,這個是根據裝車量的數據統計的,這個是2017年實際乘用車的裝車量,可以看到里面的224款乘用車里面三元的裝車量大概是199款,占到88.8%,比例是基本上可以預期的,大家應該比較接受這樣的狀態。系統能量密度120-150Wh/kg區間的占到27%,這個是在2017年能夠拿到比較高的補貼的區間。右下角一個圖是2017年整體的裝車量,包含了商用車的,可以看出跟乘用車不同的地方,是三元鐵鋰是二分天下,乘用車領域基本上三元占到了絕對的主導,但在商用車的領域,一會兒我講到相關測試的要求,會提到它的一些標準方面的要求,對于高能的三元電池來說是一個挑戰。

     

    這張圖我在上次會議上講過,我們分析了從2017年到2018年的裝車數據,當然2018年只是這幾個月的,我把這幾個月的裝車數據統計了一下,能量密度從107.6Wh/kg提升到118.8Wh/kg,提升了達到10.37%,原則上測試的電池跟裝車,因為裝車的數據拿到證我們是有統計的數,但測試的樣品信息跟裝車應該會有三個月左右的一個延后期,所以這個數據是去年年底測試過的數據,一會兒再給大家看看,2018年我們現在測試的樣品又是一個什么狀態。

     

    我們看一下測試評價,動力電池標準有這樣一個標準體系,單體系統安全性測試是最為關心的,還要提醒大家的是現在應該關注的是有一個GB電池強制標準的制定,大家如果關心這個行業消息的話,前幾天剛剛在成都我們開了這個標準的工作組會議,形成了一個意見,下一步會形成報批稿,會把上面這兩個標準直接替代,485和467.3會直接自動取消了。

     

    現有的標準這種政策的實施,基本上我剛才提到的幾個重要標準,在所有的產品準入以及相關的東西里面,都會有要求,除了剛才提到的標準以外,還有一個是客車的安全條件??蛙嚨陌踩珬l件中,會涉及到對于電池的四項要求,具體來看一下測試的情況,具體統計了一下測試樣品,2015年平均系統能量密度是90.5Wh/kg,剛才看到的裝車量數據是118Wh/kg,2018年測試樣品系統能量密度的平均值是137.5Wh/kg,這個是可以看到的,也許未來三個月以后,這樣的能量密度的電池就會是裝車里面的參數,我們在裝車的公告參數里是可以看到的。這個提升的速度也是非常驚人的,我們再看成組率,意味著從單體能量密度到系統能量密度的變化,在2016年的時候,成組率63%,到2017年是67%,2018年是74%,這個是平均的成組率。

     

    我們再看一下具體的統計,我讓我們的實驗室統計了一下,我們在2017年做的145款電池從單體到系統能量密度的變化,可以看到單體平均能量密度是173Wh/kg,系統層面是116,細分一下140多款電池里面磷酸鐵電池是藍色的圖,能量密度是143.3Wh/kg,系統之后是117Wh/kg,測算一下集成效率是80.42%,磷酸鐵成組率是非常高的。三元電池集成效63%,平均以后是67%,可以看到,我做了一個分析,因為剛才看到餅圖,2017年對于磷酸鐵電池來說基本上用在常用車上,三元基本用在乘用車上,主要的兩個因素會導致這樣的結果的形成。


    磷酸鐵本身的安全性相對較高,三元這種高能會使得在系統集成的時候在附加的時候,傳熱、隔熱、承熱使得附加的東西會非常得多。三元主要用在乘用車上,磷酸鐵用在大巴車上,本身對車的要求會低很多,所以附加的東西非常少,所以集成效率基本上沒有附加值的東西了,81%非常非常高了。我前幾天聽到有人喊出來達到90%,我還是有點擔心的。

     

    我們再看一下這個數據,把成組以后的能量密度做了一個比較,這個是大家非常關心的,上次我來力神的時候,給大家展示過一個數據,2015-2017年,風冷、液冷、自然冷卻的樣品百分比是什么樣的,上次跟大家有過這樣的一些交流,我當時說的擔心,是因為大家過多地關注到補貼政策的壓力,比如說我需要的能量密度不夠提升,輔助的東西越少越好,原來想用液冷的方式冷卻,結果是能不用就不用??梢钥吹竭@樣的結果,這個數據我認為是不準確的,為什么?得出的結果風冷能量密度是最高的,自然冷卻次之,最差的是液冷。這個大家能接受,但大家都接受的應該是自然冷卻是最高的,我還是認為這個是正確的,結果不能接受的主要原因是下面的數字,自然冷卻有86款,風冷3款,液冷是7款,這是我統計的90多款的系統狀態,所以沒辦法代表整個樣品的水平,所以我自己還是認為當然也是大家的一個觀點,自然冷卻能量是相對較高一點的,這也是大家為什么舍棄比較好的液冷方式而選擇自然冷卻的原因。

     

    方型、軟包和圓柱形以后誰占主流,我統計過一段時間內的樣品,可以看到基本上是三分天下,樣品數基本上比較平均的,三個樣品是占這樣一個比例我們再看一下三個樣品的成組率,方形電池基本上的成組率,方形和軟包、圓柱形的成組率軟包會相對占一點優勢,其實像圓柱形也并不是特別占優勢,因為特別是小圓柱形,附加的散熱管等等這樣一些措施,反而會使它的成組率非常低,比如特斯拉。

     

    下面提一下是與安全相關的測試,我今天跟大家分享的前面包括性能數據,其實也是跟安全密切相關的,為什么放到這里跟大家分享呢?因為三元這種不同的方式,不同的冷卻方式,不同的集成,包括能量密度的提升,都可以看到,它應該關注的東西和重點。提到安全這邊的問題,電池現有的系統測試,之前這個數據比較老了,是去年年初的數據,之前標準沒有要求改單的時候,機械安全非常低。我們把機械安全出事故的原因,做了一個分析。上次跟力神沒有講,我只是講了一下修改單提交了以后有這樣的一個變化,機械安全性通過率明顯提升了。震動的頻率和強度大部分降低了,從原來的隨機震動變成了很小的震前震動,是不是合理呢?其實是不得且而為之的舉措,原來的震動非常嚴苛,已經超越了使用狀態。但是修改單震前震動又跟實際不符的,車在路上跑的時候是隨機震動帶來的影響,我們要考核的是這個,所以現在新的GB標準制定的時候,我們要啟動的工作是重新根據實車的實驗,搜集到震動的再反饋到臺架上,再用這個來做震動實驗,電池實際上應該承受什么樣的強度,我們做了20多輛車,包括乘用車、商用車,商用車包括物流車還有大巴車,根據不同的狀況,做了實驗得到了震動的實驗譜,已經提交到了全球電動汽車法規里面了,會在第二階段進行討論,要不要把這一條修改掉,因為ESGDR第一階段震動是跟我們一樣的震前震動,是不合理的,所以提出要求進行修改。


    剛才提到客車的安全條件,這個是比較重要的。為什么說比較重要呢?它是一個技術條件而不是一個標準,已經強制實施了一年多。我要告訴大家的是,GB的電池強標在制定的同時,還有兩個級別強標同時制定,一個是電動車的安全要求,另外一個是電動車的安全條件,其實是從這個轉化過來的。里面還是會有一些保留,里面的一個問題有一個重要的測試是熱失控,把電池擴充120%以后,再加熱到300度,要求不起火、不爆炸,對于三元電池來說,尤其是現在發展到180-200Wh/kg是非常難的一件事。這也是為什么我剛才提到了商用車,客車上基本上是磷酸鐵鋰天下的重要原因,這個是很難通過的,特別是三元電池。

     

    提到三元電池,我提到的是強制測試,后面的實驗目前來看是非強制的,但我覺得是更合理的一個關注點,剛才熱失控的測試,從我作為技術人員,我是持保留意見的。因為從實際技術的考量來說,我認為合理性不需要去探討,這是我的觀點我也表達過。我自己認為是什么樣的呢?我們可以看一下,我畫了這樣一個圖,我想表達的觀點是首先電池有綠色可用的區域,有黃色可控的一個邊界,有紅色的失控邊界。而這個邊界是什么?是動態變化的,隨著全生命格局動態變化的。而對于高比能的三元電池來說,綠色的區域可能會比磷酸鐵鋰要小,實際上應該怎么樣呢?把電池系統作為一個整體系統,首先我們要知道,三元電池本身的單體層面安全性到底是什么樣的一個狀態?我們找到它的綠色區域在哪?第一點要知道三元電池的綠色區域在哪。

     

    第二點,在這個基礎上,加上BMS的保護和熱管理,讓你的整個電池系統能夠適應各種環境、機械、使用條件,這是你要考慮的。所以在這個基礎上,我們做了很多的研究。要想知道電池的安全,先要知道基本的安全特性,比如說內部的隨著SOD、測試的狀態,我們在SCI文章上進行了發表,電池采熱的MAP圖,可以看著隨著溫度、倍率的變化是有規律可尋的,對于每一個電池體系來說是有規律可尋的,找到邊界要找到黃色控制的邊界是非常非常重要的。另外要控制這個邊界,還要對電池自產熱、熱失控的邊界點有明確的把控,三元電池本身容易熱失控,一百多度或者沒到一百度就自己產熱了,自己產熱就不可控了,所以我們一定要知道自產熱的點是什么,控制在自產熱的溫度以下去安全使用。

     

    關注這一點以后,我們可以借助仿真模型,仿真的分析從分子、原子級別一直到系統層面了解到熱分布,附加以更好的更好的熱管理系統,能夠實現對于電池的特別是高能三元電池的很好的熱管理,這樣的話,可以讓一個相對不安全的電池用了以后非常地安全。

     

    因為老有人問電池安全嗎?本身它就是相對安全的概念,怎么把它用得安全系數高,隱患非常低是一個系統的工程。做好了整個電池的系統設計以后,這個測試是熱失控、熱擴散的測試,馬上要變成強制測試的一個內容了,這也是由我們牽頭在全球提出的測試方案,我們要模擬電池在能夠熱失控的方法,我們選了用什么樣的方法能夠模擬電池的內燃物,瞬間內部溫度升高。我們要找到一個方法模擬,其次要找到瞬間熱失控的點是什么?因為到了這個點以后就不能外部附加熱量了,而讓電池自產熱看看會有什么后果。我們要找到這個點的確切影響的因素,如果引起熱失控了,當然有可能沒事什么都沒有看到,也可能是車不能用了,但也有可能是整個車瞬間就著了,我們在這個車電池著之前,能夠有足夠的時間讓人能夠逃生,這個是電動汽車的安全理念,全球只有一個安全法規就是人員的安全,財產是不在考慮范圍內的。多長時間人員能夠逃生?車子在行駛的時候,從車上逃離到安全區域的時間,這個我們做了大量的工作,這個提案已經成為全球的提案,而且第一階段只是把要求寫進去了,因為方法還是有一定值得商榷的地方。

     

    但是認為用加熱也好、過充也好是用附帶的能量,不是電池自產熱的,全球專家就會爭論,你外部加熱是改變了電池的狀態,我不認為是電池的問題,電池熱失控了不一定是電池熱失控了,有可能是附加的能量太大了,導致的熱失控。這個問題還在研究,從2018年到2020年甚至是到2022年,希望大家可以加入進來,多參與行業的工作,政府是非常重視的,全球法規,工信部前段時間開了相關會議,這是中國主導了第一個全球的法規,我們作為副主席國參與的,而這個熱失控完全是由我們牽頭來做的?,F在歐洲和日本等一系列的國家,政府制定了專項政府經費,專門從事熱失控熱、熱擴散的研究,從3月份在北京開了一個全球會,這次開始基本上每一次USGPR的會議每次一天半各國會討論并且跟我們分享,當然還是由我國主導的,希望大家多參與進來。

     

    下面提一下標準的狀態,編碼和尺寸,不詳細講了,因為這兩個標準下個月可能會調換。因為編碼和規格跟T46會有關聯的,到時候我們會詳細講解標準制定的思路以及一些用處。

     

    這個是關于電池法規的制定,希望大家多多參與。GB的電池標準,前一段時間在征求意見的時候,我剛才說了三個GB標準,征求意見分別由100多、200多和400多條反饋意見,400多條反饋意見是電池的強標,爭論點是最多的,其實各個企業都有著非常多的關注。我剛才講了很多,像電池的熱測試分析,其實我是覺得根據這個大的趨勢,我從2006年QCT制定的時候我有參與其中,到了一系列的GBT到強標的制定,電池強制標準越來越往后走,要求是會低的,大家認為是越來越合理化,合理化的概念在哪呢?其實不是行業應該用標準作為一個大棒,企業看著這個標準做就行了,更多地是企業看著市場去做,標準只是一個最基本的門檻,達到就行了。再根據市場,客戶的需求,應該在這個基礎上大幅度地提升你的技術水平。大概是這樣的一個趨勢。

     

    最后提一下循環利用,這個是非常非常重要的,在28日我們會在煙臺開循環利用聯盟工作組會議。循環利用大家知道以前在講循環專題的時候專門講過,電動汽車電池退役會剩到60%的能量,直接進行回收的話,稍微有點可惜,所以大家會考慮到利用?,F在溯源的體系和利用的管理辦法陸陸續續出臺了,里面最重要的是要考慮到先T次然后再生的基本原則。標準體系陸陸續續會建立,在煙臺會先開回收標準工作組的會,溯源的管理制度也在建立,我們還會重點關注T次利用電池它的管理尤其重要,因為次利用安全性是值得我們關心的,對于后期產品的這種管理也尤為重要,相應的一些討論也在進行中。今天跟大家分享就這些了,謝謝大家!

     

    根據現場發言整理  未經本人審核


    稿件來源: 電池中國網
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