钜大LARGE | 点击量：1289次 | 2021年04月08日
介绍纯电动汽车用锂离子电池的选择及匹配
我国的动力锂电池行业经过十年的能量蓄积，已经有了非常大的提升。目前国内电芯能做的比能量水平是240Wh/kg到260Wh/kg，到明年可能还会再有提升。爱驰汽车现在设计的Pack大于160Wh/kg，将来可能做到180Wh/kg。基于专家分享的，现在三元电池的化学材料体系、在材料的上还没有根本的突破,因此比能量发展到一定水平后就很难有进一步的突破，我比较赞成上述观点的。这和国家的政策里引领性的指标有些矛盾，引领指标比较前瞻，可能没有充分评估在做工程的时候面对很多实际的问题。就比如说我们现在正常量产的三元里锂离子电芯，就目前的正极、负极材料体系和电解液体系，包括把硅碳添加负极中进来，理论的电芯能量密度的极限就在350Wh/Kg左右。这里面可能还有很多的工程问题要解决，比如说电芯在充放电过程中的膨胀问题要解决。假如没有材料级的突破，电芯比能量可能在300Wh/kg到350Wh/Kg之间，会有很长一段时间的徘徊，这对行业来讲可能是好事情,大家不用再一味的追求高的比能量,每年进行一次电芯比能量的升级换代,这种快速的升级换代和乘用车的开发周期是有违背的，带来的结果是很多验证工作无法充分的验证。
假如再有一些材料的突破，比如说半固态、固态的材料技术，包括界面接界电阻等方面的技术突破，未来假如产业链的加工制造能够跟进，能够实现电池在技术和量产上真正的突破。上述的技术难题目前要得到完全解决是比较困难的，或许工程上的突破会让这些问题在某一天得到解决，但究竟哪一天突破不了解。总之只有在实现技术及工程突破以后，才有可能实现电芯质量比能量大500Wh/Kg。只有电芯的比能量高于一定的值，才能实现国家目前政策引领的指标，电池包质量比能量达到260Wh/Kg以上。
对同一款车来讲，十年前电池包的质量比能量不到100Wh/Kg，现在上升到160Wh/Kg，质量比能量的提升，带来的直接结果是同一款纯电动汽车辆的续行里程由150km提升到320km以上。假如大家不是在汽车行业，可能会误认为纯电动汽车辆的续行里程只和电池的质量比能量及车上装的电量多少相关，实际上，影响纯电动汽车续行里程的因素很多，后面会专门的提到，而对电芯的比能量即单位重量能装载的能量多少，只是其中的一个影响因素。刚才比亚迪沈总也分享了锂离子电池要有比较好的成本才有比较好的竞争力，实际上电动汽车当前面对的问题就是成本居高不下，光电池差不多占到整车30%到40%的成本。电池的成本不能下来，在石油没有完全断供的情况下，电动汽车实际上面对和混合动力、传统燃油车进行竞争，没有成本优势很难推动市场的接受，必须靠政策、法规引导。假如以后成本降下来，可能就真的有比较好的爆炸性上升。
接下来我想从车端、电池端梳理一下，整车要什么样的电池。在座可能有电池公司或者车企的从业者。我只是谈一下新势力纯电动整车厂对电池筛选的看法。新势力整车厂并不生产电芯，和能够自己生产电芯的OEM相比，可能要更多地结合供应商的资源。为了更好地满足市场需求，要站在电芯供应商、整车厂和电动汽车消费者角度思考电动汽车消费者到底要什么样的电动汽车。就续航里程这个指标而言，大家一直在讨论纯电动汽车设计多少里程才是合适的？做续行里程设计的时候，电池到底要设计成多大的尺寸、多大的体积，单体容量到底是多少，选择什么样的化学体系？从整车厂的角度来思考的话，我个人理解，目前车的需求，续航里程可能是100到200、300到400、500到700，300到400可能是主流。其实并不意味着小车上要实现这个里程、B级车实现这个续行里程要求，在小车上有可能不要那么远的续行里程。怎么去通盘考虑续行里程的需求，从选电芯的角度来讲，整车厂和电芯的制造公司都要思考，怎么样才能满足整车厂车辆设计的需求，从而满足最终消费者的需求，同时还要让电芯的类型尽量少，尽量做到平台化。Pack的集成也是相同的，要思考怎么样才能减少Pack的变化。因为变化越大，意味着研发成本和制造成本的投入新增，开发周期越长。
在国家的政策引导和消费者的舆论中，相对传统燃油车的话，大家关于电动汽车比较担心的就是续航里程，即续航里程焦虑。假如分析用户真实的使用情况，我们会发现大部分的情况下，用户使用电动汽车所需的续航里程并不长，每天单次开120公里以上的客户，概率是低于10%的。就算是电动出租车，每天累计跑的累积里程也不超过360公里，所以续行里程在300公里到400公里，其实已经可以解决里程焦虑的问题。当我们分析现在客户行为的时候，我们发现虽然当前社会舆论和消费者及政策导向都是追求长里程，这是里程焦虑的表现。但从长期来讲，消费者还是会回归理性，回归到合适的续行里程。因为长里程代表着车上装的电池电量增多，电量增多代表着购置成本新增。而且，电池有两个寿命，一个寿命是循环寿命，第二个寿命是日历寿命，电量越多，在同样的使用年限下，车用电池的使用成本是新增的，这不是理性消费。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
消费者在选购纯电动汽车时，会考虑续航里程要长，电池要安全、可靠，环境适应性也要好。但整车厂还必须同时也考虑到消费者的购买意愿，消费者的购买意愿很大一部分因素是由好的电动汽车售价决定的。好的售价是由好的成本决定的，好的成本来自于整车厂关于用户需求非常清晰的了解，如此才能对产品有比较清晰的规划。比如Pack厂和整车厂都把整车需求理得比较清晰，尽量去减少电芯类型的种类。假如很少变动型号的话，最后研发和制造的成本就会变得比较低，一致性也会比较高，可靠性就会有保障。其实就我对某些产品的关注来看，能留到最后的产品肯定是某几个型号的产品，而不是很多。后面我也会提到爱驰对国内很多电芯供应商进行考察的心得分享。
补贴大量存在的时候国家会有很多有关电池比能量相关的补贴政策。以前电池大多都是用于物流车、商用车，可能几个月就上一款新车，或是几个月就推出一款电池。但是对乘用车来讲，产品推得越快，带来的结果可能会越糟，因为乘用车行业有乘用车行业的发展规律，乘用车直接面向终端消费者，为了保证好的品牌口碑，一般开发周期要3~5年，压缩也要3年左右，如此才能保证整车设计开发验证的完整性、可靠性和充分性，如此推出的产品才能放心。工程开发时会考虑电芯的一些技术突破，工程肯定是希望技术越来越好，比能量要高、循环寿命要长、成本要低。其实对工程来讲，所有美好的东西集成在一个东西上不太可能，三元锂离子电池的质量比能量高，安全性自然会有一定程度的降低，也许成本可能有优势，但寿命也可能会降低。而寿命的降低对整车厂乃至消费者来讲，也代表着性价比的降低。
说到选电芯的话题，我个人的看法，首先是安全。安全说的不仅是电芯的安全。在电动汽车上，国内的看法是磷酸铁锂肯定比三元锂离子电池安全。其实单从电芯的材料而言，二者的安全程度有可能是有差别的，因为这时比较的是两种材料本身，在同一水平上。实际上有很多国内的专家、论坛也质疑磷酸铁锂离子电池一定比三元电池安全的结论。不同的电芯供应商都做磷酸铁锂和三元锂离子电池，有的电芯供应商的磷酸铁锂电芯安全性还不及其它厂家三元锂电芯的安全性，电芯的安全不能简简单单的用材料来论，在电芯层级，安全性就已经是系统性的问题了。其实不论是Pack、模组包括整车应用上，都是涉及到电池系统的安全问题，从系统设计考虑，发现在某个层级的哪一方面有安全的短板，肯定要在系统集成的时候用其它某个部分把短板补起来。电池在车上应用的时候，比拼的是整个电池系统的安全。
电池的循环寿命，直接决定车要多长时间或者累积多少续行里程换一次电池。电动汽车不同于传统燃油车，因为涉及到电池到了寿命必须更换，如此才能保证车辆整个设计寿命的实现。考虑到纯电动汽车整车的退役，动力锂电池的退役以及电池梯次利用，长循环寿命的动力锂电池是能够提高性价比得，长寿命的电池对电池品质的要求很高。比如有很多应用场景，可以把比能量低和更长寿命的电池运用在里面，这样就带来了电池成本的下降。
对电芯充放电的倍率考量是这样的。一般电动汽车上的应用场景有三种：一是HEV是纯功率的，二是PHEV,P/E比3~10倍，三是BEV。其实对目前的车来讲，很少有功率型电池用在纯电动汽车上，整车厂最后终究还是要满足客户的需求，不见得电动汽车的充放电倍率越高越好。假如充电桩等设施得很健全，电动汽车消费者不见得关心电池的充放电倍率。他(她)们更关心的是充电的解决方法，包括换电或加电的解决方法，而对汽车的某一个性能、某一个指标相对就没有那么关注。
温度的适应性是电芯的另外一个筛选指标。大家都清楚，锂离子电池在北方的低温下使用，会发生车辆容易走不动的现象。电池系统可以做一些加热、冷却的设计，保证电池在极冷和极热的地方也能正常地工作。电芯另外一个重要筛选因素是成本，成本直接决定电动汽车行业的成功与否，进而决定动力锂电池行业的成功。假如成本不能降低，最后政策补贴退坡之后，在价格上纯电动汽车和传统燃油车没有明显的性价比优势或者持平，消费者的购买欲望便会大大下降，进而电动汽车行业会出现很大的市场驱动力丧失的问题。
关于标准化的指标，和刚才提到的标准化相同。标准化模组是为了减少Pack的设计重复性，会有很多可以共用的零件，一个包切换到另外一个包，能够使用符合标准化的模组，使电池系统的设计费用、楷模周期、验证试验项、验证周期和验证费用都大大降低。不管是换供应商还是换电池包，都是比较有利的。
再谈一个因素是电池的形状，刚才中汽研的李经理也提到了，目前圆柱形电池的需求在减少。对此我想谈一下我个人的看法。
众所周知，电池有圆柱形、软包、方形三种。圆柱形我不是很看好，国际上用圆柱形电池的代表是特斯拉，国内用得并不太多。我个人对它不看好重要的原因是，电芯的一致性借用成熟的制造工艺对圆柱形电芯比较有优势，但形成模组时面对的比较大的问题是电芯形成模组的时候的焊接工艺及制造效率，大的电池包只有96×2个极柱要焊接。圆柱形的电池要有几千个电芯，焊接的极柱个数有上万个，焊接工步的节拍会受到大大影响，效率降低，制造成本大大新增。另外，圆柱形的电芯成组时，热管理系统非常难做。在我国假如对电动汽车不限区域销售，假如没有热管理系统，这对圆柱形的电池也会造成比较大的考验。
当你选好电芯以后，怎么保证电池的安全？国家虽然有电池安全相关的法规，但法规是最基本的要求，法规的要求肯定是要满足的。满足法规的要求不代表电池已经完全满足车辆使用的要求，满足车辆使用要求要解决怎么用好它的问题。首先，必须把临界值设得比较合适，以及一些功率的参数都须设计得比较合适。要想设计合适，必须要大量的电芯去做大量的试验和验证，并且用科学的方法把这些数据拿到。假如试验得出来，电芯有很大的功率能力，但在车上只用其中一小部分的能力，这样电池的安全性和循环性就会有很大的保证。再比如说电芯的内短路问题，假如临界值设置不合理，会出现潜在的内短路风险，内短路的发生不是一天、两天就能被探测到的，可能要很长时间累积才显现出来的问题，内短路发生都会出现安全事故。国内时不时媒体报道的电动汽车事故，使国内很多消费者的观点是电动汽车的电池安全性不理想，假如比较国外大的OEM，除特斯拉外，电池出现安全事故的报道还是比较低的。
刚才提到续航里程是电动汽车消费者的要求，也讲到续驶里程是电动汽车生产公司非常有核心的竞争力的指标。举个例子，同样跑100公里，别人要用15度电，假如你能做到14度电的话，就已经赚回了1/15的利润。但是续行里程不仅仅决定于电池电量，还和风阻、迎风面积、车重、滚动摩擦阻力系数、驾驶习惯和工况等都是相关的，这是一个系统的工程程。客观公正的说整车续驶里程和每个人的驾驶习惯息息相关。很多人会说这个车官方标示的里程是偏高的，客户自己开却偏低，这是非常正常的现象。在不同的路况下行驶，续驶里程是不相同的。国家规定续驶里程要在某一个特定工况下测定。所以大家假如保持良好的驾驶习惯，同时整车厂、电池厂要优化供应策略，如此，车子在正常的工况下能达到更好的一致性。
另外，从研发成本和原材料成本的角度来讲，我们要结合整车厂对电芯的需求去分析，现在电芯厂家很多、产量也很多，但真正能支持量产的电芯产量比较不充足。说白了，好的产品是供不应求的，不能支持量产的电芯和产量是过剩的。
