中汽中心王芳：新能源汽車動(dòng)力電池技術(shù)與測(cè)試
圖為中國(guó)汽車技術(shù)研究中心動(dòng)力電池首席專家王芳發(fā)表主題演講
5月22日，“2018第一屆新能源汽車及動(dòng)力電池(CIBF深圳)國(guó)際交流會(huì)”在深圳會(huì)展中心舉行。中國(guó)汽車技術(shù)研究中心動(dòng)力電池首席專家王芳在“新能源汽車專場(chǎng)——識(shí)·新政策下車電攜手的變革之路”主題論壇上發(fā)表演講。以下是演講內(nèi)容：
中國(guó)汽車技術(shù)研究中心動(dòng)力電池首席專家王芳
今天我將從動(dòng)力電池技術(shù)和測(cè)試評(píng)價(jià)兩個(gè)方面與大家進(jìn)行分享。
首先我們看下產(chǎn)業(yè)技術(shù)方面。
2017年新能源汽車的產(chǎn)銷量分別達(dá)到了79.4和77.7萬(wàn)輛的規(guī)模，與之匹配的電池裝機(jī)量達(dá)到了367億瓦時(shí)。預(yù)計(jì)到2020年，電池的需求量將達(dá)到1000億瓦時(shí)左右。其中80%的車企會(huì)找20%的電池廠配套，剩下的80%電池廠去追尋剩下20%的車廠。
到目前為止磷酸鐵鋰裝車的能量密度基本上在145Wh/Kg，三元在185Wh/kg。2017年純電動(dòng)乘用車的數(shù)據(jù)里，224款車型，三元裝車數(shù)是199款，占了88.8%，能量密度在120-150 Wh/kg之間的車型占到27%。2017年整體的裝車量，磷酸鐵鋰占到50%，三元占到43%。大家可以理解，他們的分配基本上三元是乘用車，磷酸鐵鋰是商用車的分配比例。
2018年我把裝車實(shí)際報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并且將它與2017年的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，2018年和2017年的動(dòng)力電池的能量密度又有了明顯的提升，能量密度從107.6Wh/Kg上升到118.8Wh/Kg，提升幅度達(dá)到10.37%。
從整車實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，整車的性能包括加速的性能、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及壽命。其中最重要的是安全，與之對(duì)應(yīng)的，電池需要滿足的性能會(huì)有這樣幾個(gè)大的方面：包括電池的能量密度、電池的壽命，還有電池的安全性。
現(xiàn)在國(guó)家提出300Wh/Kg的概念，大家可能更多聚焦于參數(shù)，會(huì)覺(jué)得安全性、壽命方面提得過(guò)少。國(guó)家新能源重點(diǎn)專項(xiàng)布局的時(shí)候，提出了300Wh/Kg的概念，是產(chǎn)品級(jí)的水平，要求產(chǎn)品在滿足300Wh/Kg的關(guān)鍵指標(biāo)同時(shí)，要滿足整車的使用要求，達(dá)到電池的安全性和壽命的基本要求。
我們對(duì)各家測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，包括參加國(guó)家項(xiàng)目研發(fā)的、現(xiàn)在只是處于研發(fā)樣品階段，已經(jīng)有超過(guò)300Wh/Kg的樣品。當(dāng)然這只是一個(gè)單一指標(biāo)，綜合指標(biāo)測(cè)試還沒(méi)有開(kāi)始。我們認(rèn)為最能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的是622或是811體系，這也是各家企業(yè)在研發(fā)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。
第二，我想跟大家說(shuō)一下剛才提到的，我從測(cè)試的角度，看一看現(xiàn)行的狀態(tài)下電池的水平又到了什么樣的階段。
我列了一些電池方面的標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)提幾個(gè)方面：
首先拿能量密度說(shuō)話，在提能量密度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的時(shí)候，我也想分享一些從中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。
2015-2018年，我們把實(shí)驗(yàn)室測(cè)試能量密度的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。能量密度從2015年的90.5Wh/Kg上升到2018年137.5Wh/Kg，2018年3-5月份裝車能量密度是118Wh/Kg，這實(shí)際上也是2017年下半年裝車能量的平均密度值。
2016-2018年，電池的成組率陸續(xù)提高，從0.63上升到0.74，這是統(tǒng)計(jì)的數(shù)值，包括磷酸鐵鋰、三元的。我們?cè)倏匆幌?017年統(tǒng)計(jì)145款有單體和系統(tǒng)對(duì)比的數(shù)據(jù)，我們看到單體的能量密度平均值是173Wh/Kg，系統(tǒng)層級(jí)是116173Wh/Kg，這也是0.67成組率的由來(lái)。再把里面的體系進(jìn)行細(xì)分可以看到，磷酸鐵鋰單體的平均值是144Wh/Kg，到了系統(tǒng)層級(jí)是117 Wh/Kg，成組率可以高達(dá)81.5%，這是平均值。
我們也有注意到，磷酸鐵鋰最高的成組率可以達(dá)到85%，這是現(xiàn)在的狀態(tài)。三元單體是183Wh/Kg，到系統(tǒng)層級(jí)是115Wh/Kg，成組率是0.64。這個(gè)也不難理解，一方面三元的安全性、熱失控的點(diǎn)比磷酸鐵鋰早得多，這種情況下，三元安全性集成技術(shù)的重視，在系統(tǒng)集成方面所附加的東西增多，當(dāng)然會(huì)降低三元的成組率。磷酸鐵鋰用在大巴車上也是提高成組率的原因，主要是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)箱的設(shè)計(jì)相對(duì)來(lái)說(shuō)，大家會(huì)對(duì)集成要求比乘用車的要求低一些。
大家都在看方型、圓柱之爭(zhēng)，到底圓柱能不能長(zhǎng)久。我對(duì)我們實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，目前測(cè)試的樣本量和三個(gè)數(shù)據(jù)基本差不多。從單體到系統(tǒng)，圓柱的成組率并不占特別大的優(yōu)勢(shì)，軟包會(huì)稍微略占一點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)的冷卻方式分類，我們想要找到電池哪一種冷卻方式會(huì)對(duì)系統(tǒng)能量密度有影響。我們統(tǒng)計(jì)了90多款電池包，只有三款風(fēng)冷，其他都是自然冷卻，和2016年初是完全不一樣的，2016年初選擇液冷的乘用車越來(lái)越多，2017年受到補(bǔ)貼和其他因素的影響，選擇液冷、風(fēng)冷的越來(lái)越少，更多傾向于自然冷卻。
從我們測(cè)試的樣品來(lái)說(shuō)，電池的技術(shù)進(jìn)步是非常明顯的，包括集成的技術(shù)進(jìn)步，還是不可避免在某些階段可能會(huì)受到一些外在政策的影響，會(huì)使大家調(diào)整電池的技術(shù)路線，甚至有可能會(huì)影響正確路線的選擇，希望大家在后補(bǔ)貼時(shí)代，在市場(chǎng)為導(dǎo)向的前提下，選擇優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。
安全測(cè)試方面，相對(duì)通過(guò)率比較低一些。我們提交了一個(gè)修改單，變成了很簡(jiǎn)單的隨機(jī)振動(dòng)，機(jī)械安全性、通過(guò)率明顯提高。
第三，綜合測(cè)試評(píng)價(jià)研究方面，要抓住能量密度這個(gè)點(diǎn)，再?gòu)难邪l(fā)測(cè)試的角度應(yīng)該關(guān)心電池的評(píng)價(jià)。
這是什么樣的概念?應(yīng)該從電池可用、可控和安全邊界出去，了解綜合、貫穿全生命周期的評(píng)價(jià)。可用的評(píng)價(jià)，在正常情況下，無(wú)論風(fēng)霜雨雪，各種工況下都可以使用的評(píng)價(jià)。一旦發(fā)生安全問(wèn)題，能讓它在可控的情況下，對(duì)它進(jìn)行評(píng)價(jià)。一旦發(fā)生失控以后，要要求他能滿足什么樣的狀態(tài)，人員又應(yīng)該怎么做。
從研發(fā)的角度只是想和大家提一下安全性。安全性大家知道也關(guān)心得非常多了，發(fā)生安全事故，最初都是熱失控，現(xiàn)在在做的評(píng)價(jià)是從材料、電池、BMS、系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多層級(jí)的熱特性和熱安全、熱失控的對(duì)應(yīng)，材料的熱穩(wěn)定性到電池全生命周期內(nèi)的熱安全性，再到BMS的熱管理，最終到系統(tǒng)熱穩(wěn)定性，控制熱失控能力的評(píng)價(jià)。不同充放電電流下，產(chǎn)熱的速度和產(chǎn)熱的功率和產(chǎn)熱量是什么樣的，這是我們必備的，了解每個(gè)電池發(fā)生熱失控的點(diǎn)，電池發(fā)生熱失控的趨勢(shì)和可能性、溫度的范圍在哪里，我們要知道傳播到另外一個(gè)電池的傳播路徑以及傳播速度、傳熱量是什么樣的。這是我們?cè)O(shè)計(jì)熱管理可用評(píng)價(jià)最基礎(chǔ)的手段。
如果有一個(gè)電池發(fā)生熱失控，這種情況永遠(yuǎn)是存在的，可能性是永遠(yuǎn)有的，只是幾率的大小，如果發(fā)生這種情況，我們需要知道，發(fā)生這種情況的時(shí)候，我們應(yīng)該表現(xiàn)出來(lái)什么，我們最關(guān)心的是人員安全，不要求最終車不起火、不爆炸，要求車發(fā)生起火、爆炸這種極端情況之前，車上的人員能安全逃生。
中國(guó)起草的熱擴(kuò)散評(píng)價(jià)，全國(guó)都投入專項(xiàng)資金進(jìn)行評(píng)價(jià)方法的建立，未來(lái)三年里還會(huì)不斷改進(jìn)這樣的方法。我們也寫在了GB標(biāo)準(zhǔn)，希望大家更多的關(guān)注，和我們進(jìn)一步研究使它合理化，成為全球的法規(guī)提案。我提到的全球法規(guī)，今年3月份在北京召開(kāi)了第14次會(huì)議，強(qiáng)調(diào)了第二階段的工作重點(diǎn)是電池，一是熱擴(kuò)散的研究，二是振動(dòng)，三是海水浸泡，四是毒氣分析。這幾個(gè)話題提出國(guó)都是中國(guó)，其他的各國(guó)都會(huì)一起進(jìn)入這方面的研究，熱擴(kuò)散已經(jīng)推到國(guó)際上，大家可以對(duì)標(biāo)測(cè)試。
之前工信部專門開(kāi)了宣貫會(huì)，第一階段的法規(guī)已經(jīng)完成，到目前為止唯一由我們主導(dǎo)的全球法規(guī)，第二階段我們還會(huì)主導(dǎo)，主導(dǎo)的程度會(huì)更深，希望同行專家和我們一起參與，今年9月份會(huì)在瑞典開(kāi)會(huì)。
國(guó)內(nèi)GB標(biāo)準(zhǔn)，未來(lái)不久的將來(lái)會(huì)進(jìn)行審查，大家可以對(duì)這個(gè)進(jìn)行深切的關(guān)注，審查以后就會(huì)報(bào)批到WTO在國(guó)際上征求引見(jiàn)，這是GB的標(biāo)注，會(huì)成為強(qiáng)制安全標(biāo)準(zhǔn)。二是電視系統(tǒng)的起草方案，這里沒(méi)有寫我還想再?gòu)?qiáng)調(diào)一下，電動(dòng)汽車管理系統(tǒng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在也正在制定中，對(duì)于管理系統(tǒng)的功能安全要求現(xiàn)在也是大家越來(lái)越關(guān)注的，實(shí)現(xiàn)功能安全的等級(jí)的關(guān)注，從對(duì)電池的管理角度重要性凸顯得越來(lái)越明顯。
在回收方面，我們中心也在牽頭做回收溯源工作，我們希望材料、電池、車再到材料能形成閉環(huán)的發(fā)展。我就分享這么多，感謝大家。
(根據(jù)嘉賓發(fā)言整理，未經(jīng)嘉賓審閱)
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