简述动力电池系统的开发

2016年11月26日—27日，百人会·清华大学新能源汽车产业高层研修班第三期四次课程在清华大学开课。目前，我国自主研发的核心零部件缺失，尚未形成技术壁垒，成为新能源汽车发展的潜在危险。掌握核心技术，提高产品性能及安全性，才能形成具有国际竞争力的品牌，支撑产业持续发展的根本保障。因此，此次课程的主题定为“电动汽车核心技术突破与创新”。

此次课程，CATL的产品开发总监胡建国为学员们带来了精彩的内容。

动力电池已经成为电动车行业发展的瓶颈，其发展决定了电动汽车产业的发展。

新能源汽车分类包括混合动力、插电式混合动力、纯电驱动等，其中电动化的程度越高，使用电池也越多，对企业而言就能卖更多电池。但是，电池越多，危险性也越大。

乘用车的电池包千差万别的，因此，电池PACK的形状要根据车形来。由于形状的不规整，所以成组效率低。而商用车跟乘用车的区别很大，商用车的电池PACK形状方方正正、规规矩矩。这与电池安装的位置有关系。

动力电池与电动汽车的关系

1.与整车的关系。好的电池要为整车做到什么？在安全上，要做到任何情况下不起火、不爆炸、不排放有毒气体；在性能上，无论是电压、电量，还是充电功率都要满足整车驱动的需要。

高能量密度有利于减重、长寿命、提高性价比。反过来说，整车也要对电池做贡献，提供更好的安装空间和防护空间。如果整车做不好，只依靠电池独立保证性能非常难。

2.与使用、维护的关系。如何维保和应用，电池厂家有这个责任和义务定义好，既要方便用户使用，又要保证用户知道如何使用和维护。电池系统的三大技术，一是电芯技术，无论是材料，还是电池技术、工艺，它决定了电池的安全性、寿命；二是BMS，它给了电池系统智慧的大脑，指导电池不被滥用，这是管好电池、用好电池的基础；三是成组技术，无论是从电芯到模组，还是模组到PACK。成组技术给电池包提供一个强壮的“身体”。

3.与充电的关系。动力电池系统是直流系统，它只接受直流电，交流和直流充电只是车桩界面区别，在整车跟充电桩的关系上面，是交流进整车还是直流进整车的区别。有一些商用客车还用到大功率双枪充电，也有使用无线充电装置的。

动力电池的类型和性能

1.电池的材料。电池的四大主材料，正极材料、负极材料（也叫阴极、阳极材料）、隔离膜和电解液。从材料层面来讲，磷酸铁锂热失控的触发点是在800到1000度，三元材料大概在300多度，这是纯粹讲材料。但做成电池后，热失控温度就不能只看正极材料了。

石墨材料做的负极在高温下，热失控的负反应也是300多度，磷酸铁锂做成全电池以后也达不到800度，可能在300多度就开始会触发热失控。而三元做成全电池以后，虽然测试的热失控温度是300度左右，但其实触发条件在130-150度之间就已经开始。

关于三元材料，光是材料本身，在温度达到一定程度时，会触发热失控，产生氧气和热量，接下来会跟石墨的负极相互作用，各种副反应。电动客车安全技术条件出来以后，只要做的三元材料电池能够通过热失控检测，或者说真正实际应用当中不出大问题，我觉得可以不用限值技术路线。

2.电池的封装形式。电池的各种封装形式，有圆柱形、方形、软包等。国际上做得比较好的铝壳电池，当初好多年前做的测试数据非常好，也测过比较贵的磷酸铁锂电池。不同的电池，18650特别好的优点就是成组很灵活，个头小。软包电池也是因为比较薄，成组也很方便。从安全性的措施角度看，方电池（结构）比较好做，我不能说方电池更安全，只是它的安全措施更容易做。

电池内部，动力电池正负极片工艺，有叠片工艺、卷绕工艺。叠片工艺就跟扑克牌一样，卷绕工艺就跟瑞士卷一样。18650是圆的卷绕，方电池是椭圆形的，生产效率会比较高，而且对设备的精度要求不像叠片那么苛刻，叠片做得好的是日韩，一般都做得非常好，设计工艺要求非常高。

3.电池成组。介绍一下动力电池成组的必要性。客车上为什么那么多电池串、并联呢？因为无论是电压还是电量，一般单个电池达不到要求。要满足驱动的电压要求，必须串联，要满足电量的要求，必须并联。重点说一下，实际上无论是乘用车还是客车，其实都是既有串联，又有并联，混联的结构。

先并联还是先串联？这里面看无论从电气设计，还是管理系统设计都是有差异的，成本和性能都是有差异的。像快充，应该都是先串联后并联，否则电流过不了很大。

成组工艺包含了很多要素，其中最重要的有三个。一是机械性能。成组方式的防护是否到位；二是电连接。电连接是否连接妥当；三是热管理。

4.电动汽车对电池的需求。电动汽车希望有动力电池能保证足够的续驶里程，尤其像纯电动车。首要关注的两个因素就是成本、能量密度。至于充电的方便性、功率特性、环境适应性也需要关注。环境适应性要求电池防尘、防水以及适应各种环境温度，还要保证不起火、不爆炸、耐用性、出勤率、可靠性。

平衡设计动力电池

在电动汽车的设计中，要有平衡的概念。要充分了解用户需求，设计出来的产品不是为了通过标准测试，而是迎合消费者。以安全为中心，寿命、能量密度、功率密度、可靠性之间需要权衡。权衡以后，比如说能量密度和功率密度，在设计上有矛盾，而且能量密度大到一定程度，也会影响安全性的。能量密度高到一定程度也不好控制，所以追求能量密度的时候，安全性问题就会变得越来越突出。

电池设计要平衡，指标不能光看电芯，还要看系统。举个能量和功率的平衡的例子：电池的空间有限、重量有限，都知道电容量越大，要追求卷绕的面积越大越好，而且多绕两圈最好，这是追求能量密度。所以在做的时候，能量型电池不要求过很大电流，电子导电的极片做薄一点，让电极材料涂得厚一点，但是功率型电池要求把极片做厚，但是涂层要薄，离子通道要短，经过隔离膜、电解液到对面去比较快。高能量要求可用的锂电池数量多，高功率要求锂离子跑得快。功率和能量密度同时做到世界第一，是做不到的。

目前，电动客车坚持用磷酸铁锂，因为三元电池没解决热失控这个问题。而乘用车都在用三元，为了优先保证能量密度（但系统热失控也需要满足逃生时间）。所以，不同的应用需求，可以做不同要素优先级的选择。关于共性需求，目前的用户调研，基本上，成本和能量密度在纯电动里面还是放在最先的位置。

动力电池未来变化和发展趋势

1.价格降低。在看后面几年需求的变化和电池发展技术趋势，比较通俗讲，价格至少降一半，我们的目标是2020年完成。其实我们老板要求我们把2020至少降一半的情况要往前提，我们用户觉得这是一个好的事。

2.能量密度提升。能量密度将提升到现在的1.3倍到2倍，磷酸铁锂现在的行业平均水平130Wh/kg上下，但是有可能纯磷酸铁锂有机会做到150~170Wh/kg。纯的磷酸铁锂硅极材料用上去以后，有机会达到180Wh/kg。现在国家提出更高指标是350Wh/kg，系统能量要到260Wh/kg，国家提的要求更高一些。

3.循环寿命提高。现在乘用车和物流车使用的三元电池大多数是1000-2000次的循环寿命，但是现在也有些做2500次的，做混合动力的也有6000、7000次的也有。同样的技术水平，功率型电芯设计到位的话，它的循环寿命会比能量型的长一些，基本上循环寿命提升到现在的2倍。磷酸铁锂可以从2000-4000次提升到10000次以上。

4.电芯、模组、电池包行业标准化。电芯、模组、电池包行业标准化是第四个趋势。

电池开发设计的流程及技术

电池系统不好做的地方，在于它的化学系统受环境影响很大。不管是电池还是电控，只要用到车上就要按照汽车核心零部件的要求来做。V模型开发非常重要的一点就是分层设计、分层验证，比如管理系统是一个小部件，把管理系统的需求加进去，设计开发出来，等到管理系统测试验证好以后，做PACK的集成设计，然后再做到整车的集成设计，是一层一层非常严谨的开发设计流程。

1.机械设计。PACKGBT31467.3的16项安全测试都要做，还有火烧跟挤压测试。对PACK来讲，降成本、减重量，保证安全性和可靠性还存在矛盾，在进行安全设计时，既要考虑成本，又要考虑安全性、能量密度。PACK减重时，要考虑机械强度、机械寿命、防腐蚀性，确保可靠性。

2.IP67的重要性。IP67是牵扯安全的，不仅是能不能用，还有安全性。分几个方面分析IP67的控制，先看箱体加工，要保证箱体不会被破坏；二是看压力平衡阀，能保证不同的纬度、不同的温度下，里外的气压保持平衡；三是上下盖的密封面，需要考虑是否阻燃的，密封好不好，除了材料选择、形状选择，还有固定的压缩比；第四，连接器容易漏水，主要是线束、导线跟插头的关系、插头跟插座的关系、插座跟箱体的关系。要特别注意设计的时候，连接器底座的固定方式是否需要使用盲孔，如果需要盲孔，而箱体里面设计的不是盲孔，再补加胶水也没有用，长期来看是不行的。此外，安装连接器的时候，对箱体的平面性是有要求的，当结构设计不合理，连接器底座和电箱密封也是会漏水的。

3.电池热管理设计。电池热管理设计分三大步骤。第一步是建立热模型。有模型后，单个电池专门测试发热点，建立功率和发热模型的关系；第二步是系统热设计。从机械结构的布局，热传导路径，算它的热阻回路；第三步是热管理和策略，一个目的是防止热失控，保证安全，另一个目的是为了电池的长寿命，控制一些应用功率，防止电池处于较高温度。

4.水冷+热冷热管理系统。高温区的应用有制冷系统，供冷水；高寒区的应用有加热系统，供热水。这两个之间有一个切换功能。但是，目前即便是做出这个产品，也只能说能用，仍不完善。解决方法有两个方向：低温电池和速热技术。

5.电池管理系统。BMS要具备保护和自我诊断功能。特别强调的是，管理系统能够对电池做到自动维护、延长电池寿命。电池长期维护的关键是均衡，而在整车的电池包里，电池结构分布不同，温度、并联回路过电流存在差异，会让电池功率的输出不同。所处的温度环境不一样，性能也会慢慢离散，所以均衡是需要的。

我反对均衡的时候要用多大电流来标榜，那会带来另外的安全和可靠性的问题。在均衡当中，要能够时刻检测出电池状态、单体状态，判断均衡条件比执行均衡更重要，最好能够提前判断，防微杜渐。

主动均衡和被动均衡的区别是什么？主动均衡是“劫富济贫”，电池状态好的可以去救状态差的。被动均衡是“劫富不济贫”，就是把SOC高的容量放掉，达到一致的SOC，再在外面给电池组充电补上去。这里两种方式的成本差异比较大，基本上是两倍以上的关系。

BMS软件分应用层和底层，APP跟BSW。应用层除了系统本身外，其实就是五个模块：前处理、后处理、状态估计、输入、输出。关于管理策略，电池的安全性和可用性是要兼顾的。设计的时候，其实在提高管理系统安全性的同时，也要提高用户的体验。

关于电池保护安全策略这一块，其实电池最怕的是过充、过温，也怕过放后再充电。安全保护要分级、分策略。充电安全方面，充电机的安全是很重要的问题，但目前充电机的质量、技术水平差别很大。

关于SOC算法。既要保证司机能够安全地用SOC，不能虚高虚低，又要保证用户不会觉得SOC乱变化，要有显示策略。高压保护也不说了，非常重要的是高压保护的熔断器和接触器。特别重要的一点，直流耐压不够的话，在短路的时候不能有效分断，所以耐压一定要足够。接触器在高压的时候要断开它，选择时也要考虑耐压和过电流能力，还要注意跟结构设计相关的，我在这两个电极上不要施加不当应力，破坏它的结构。

6.电池系统安全。关于电池系统安全，要从电芯材料和电芯设计的机理开始，就做到防热失控。而在系统级做到防止热扩散，这是全过程的控制。全方位安全（化学、机械、电气和功能安全）中，化学安全要求不起火、不爆炸和阻燃性能，还包括不排放有毒气体，也包括不发生热失控，这些都是在化学安全里面。机械安全包括振动和IP等级，防爆、防撞、防挤压都要考虑。第三是电气安全，就是放触电、防漏电、防绝缘失效和高压防触摸，这些都是属于电气安全的东西。还有功能安全，功能安全在这里是一个概念扩展，通俗地讲，就是当功能失效的时候不能产生安全事故。

电池安全是底层的，是车上的核心零部件，要服从于车安全，要服从于人安全。可靠性是设计制造出来的，主要讲系统设计分层分级去分析它的失效模式和影响，按照每一级去分解可靠性指标，这就是一个FMEA的概念，做DFMEA、PFMEA就是为了在设计开发阶段就识别风险，会不会带来可靠性问题，甚至带来安全问题，把影响分析导出来，从严重度、发生频率、可检测度各个方面考虑，FMEA分析是必须要做的，这也是汽车产品开发的一环。

7.电池系统寿命。电芯寿命的评估，会把它放到电池包乃至整车系统的大环境下来评估。电芯评估有一个模型，用存储寿命和循环寿命来评估用户的使用寿命，存储寿命和循环寿命的影响机理和因素是不一样的。存储寿命主要是化学因子影响，循环寿命是化学和机械的影响。在微观来看，充放电循环中，电极片会膨胀收缩，SEI界面会出现微裂纹，修复裂纹会消耗锂离子，影响寿命。

为什么功率型电池循环会相对好一些？因为功率性电芯的极片涂布压实密度比较低，膨胀量相对小，机械应力小。反之，压实密度越高膨胀越大，膨胀量相对大，机械应力大，对循环寿命影响大。所以说功率型的循环寿命会好过高能量型电芯。模型评估电池寿命的意义：比如一年时间，就能评估电池是否能存储8年10年，500次以内的循环测试数据，就能预测全生命周期能不能达到5000次、3000次循环。

最后，说下目前市场很热的东西：快充。快充电池系统必须至少满足四个条件：电芯性能、过电流、热管理和高压连接安全防护等必须满足。