整車廠對動力電池的性能的要求有哪些

今天給大家簡單分享一下整車廠對動力電池的性能具體要求到底是什么樣的，需要走什么樣的開發(fā)測試流程。

一,車廠對電池性能的需求

其實對電芯的基本需求包括：能量密度（續(xù)航里程），安全，快充，成本，壽命，尺寸兼容。

比能量

比能量是保證混合動力汽車能夠達到基本合理的行駛里程的重要性能，連續(xù)2h放電率的比能量至少不低于44W·h/kg。

充電時間短

蓄電池對充電技術(shù)沒有特殊要求，能夠?qū)崿F(xiàn)感應(yīng)充電。蓄電池的正常充電時間應(yīng)小于6 h，蓄電池能夠適應(yīng)快速充電的要求，蓄電池快速充電達到額定容量的50%時的時間為20min左右。

連續(xù)放電率高，自放電率低

蓄電池能夠適應(yīng)快速放電的要求，連續(xù)1h放電率可以達到額定容量的70%左右。自放電率要低，蓄電池能夠長期存放。

不需要復(fù)雜的運行環(huán)境

蓄電池能夠在常溫條件下正常穩(wěn)定的工作，不受環(huán)境溫度的影響，不需要特殊加熱。保溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)，能夠適應(yīng)混合動力汽車行駛時振動的要求。

安全可靠

蓄電池應(yīng)干燥、潔凈，電解質(zhì)不會滲漏腐蝕接線柱和外殼。不會引起自燃或燃燒，在發(fā)生碰撞等事故時，不會對乘員造成傷害。廢蓄電池能夠進行回收處理和再生處理，蓄電池中有害重金屬能夠進行集中回收處理。電池組可以采用機械裝置進行整體快速更換，線路連接方便。

壽命長、免維修、制造成本低

蓄電池的循環(huán)壽命不低于1000次，在使用壽命限定期間內(nèi)，不需要進行維護和修理。

根據(jù)中國汽車動力電池技術(shù)路線圖計劃，到2020年系統(tǒng)級能量密度要達到250Wh/kg，成本要降到1塊錢以下，續(xù)航里程達到400km以上，可選擇的成熟材料體系著實不多，目前基本上確認使用高Ni三元材料和硅基負極材料或者相應(yīng)的高電壓材料。

國內(nèi)外的主流電池企業(yè)實際的目標如下：

電芯能量密度提升、Pack輕量化與緊湊化設(shè)計、系統(tǒng)能量利用效率提升對提升續(xù)航里程及降低成本貢獻巨大。

電芯安全性能

電芯能量密度快速提升對應(yīng)電芯安全挑戰(zhàn)增加，市場急迫需要產(chǎn)品規(guī)模化投放。此外還應(yīng)加強系統(tǒng)安全設(shè)計投入，從系統(tǒng)角度通過多層級、多維度設(shè)計實現(xiàn)產(chǎn)品集成應(yīng)用安全。

快充特性

綜合充電設(shè)施及電池技術(shù)進步認為:30~45min快充會作為主流技術(shù)需求,10-15min快充會局部研究并應(yīng)用。換電模式主要出現(xiàn)在出租車的運營上，目前水平為3-5min快換。

電池成本和尺寸兼容

材料技術(shù)進步及規(guī)?；藴驶?、整車能耗降低、梯次利用促進電池降本。標準化最大限度減少開發(fā)成本，同時對梯次利用也是一個很重要的基礎(chǔ)。整車企業(yè)未來將會定義模組規(guī)格（比如VDA或新國標電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品尺寸規(guī)格），在模組規(guī)格范圍內(nèi)進行布置，有利于跨平臺應(yīng)用，同時便于回收梯次利用。隨著整車布置的優(yōu)化需求，滑板式電池包布置在電池底盤，對于Z向要求越來越高，高度在120mm進一步壓縮到100mm，對于電芯的高度91mm優(yōu)化到80mm。

壽命

電池壽命需要做到質(zhì)保承諾: 10年或16萬km，壽命目標:10 年,240,000 km，隨著車輛續(xù)航里程增加，對電池的循環(huán)壽命相應(yīng)放寬。

車廠對動力電池的開發(fā)流程

以北汽為例，基于整車的開發(fā)總體流程如下：

北汽的整車EVDP流程，每級子系統(tǒng)的開發(fā)驗證流程要先于母系統(tǒng)，保證產(chǎn)品開發(fā)過程的可靠性。以上是基于電池系統(tǒng)與電芯同步開發(fā)情況下定義的開發(fā)流程。根據(jù)實際開發(fā)情況，會優(yōu)先選擇成熟度高的電芯產(chǎn)品。

上汽集團共把它分為四個階段：預(yù)篩選-電池確認和評估-單體確認和評估-系統(tǒng)驗證。各個階段都有嚴格的測試流程和控制。

電芯類型的選擇

電芯從正負極材料的角度來看目前有NCM（111，523，622，811），LCO，LFP,LMO，LTO等。車企要從能量密度，功率特性，循環(huán)壽命和安全性的維度進行篩選。另外從電池封裝形狀上又可分為圓柱，軟包（疊片和卷繞），方形（疊片，卷繞，并聯(lián)卷繞）。各個類型的電芯主要特點總結(jié)如下：

電池測試評價體系

三橫四縱評價體系。三橫:以電芯為核心的關(guān)鍵零部件、電池模組、電池系統(tǒng)三大產(chǎn)品維度，根據(jù)不同開發(fā)階段開展不同的測試評價; 四縱:認可試驗、標定試驗、拓研試驗、虛擬驗證四大試驗類型，驗證項目近158項，其中系統(tǒng)熱安全、電安全及機械安全33項。其中熱安全又包括11子項，29分項; 電氣安全包括15子項，33分項; 機械安全包括17子項，35分項;

認可實驗

五步四級電芯管理辦法，包括技術(shù)狀態(tài)管理、工藝、材料信息建檔管理。

對電芯從外特性到內(nèi)部材料、工藝進行分級開發(fā)管理，實現(xiàn)從應(yīng)用的技術(shù)可行性向產(chǎn)品的批量可行性進行評估管理。

標定實驗

這是對整車動力性，經(jīng)濟性，環(huán)境適應(yīng)性，耐久性，熱平衡，SOC算法驗證的過程。

拓研實驗驗證

電池全生命周期性能評價

整車高水位涉水

高濕環(huán)境下的電氣安全距離研究

高空跌落試驗

持續(xù)火燒試驗

動力電池系統(tǒng)剖切試驗

虛擬仿真驗證

在產(chǎn)品開發(fā)階段虛擬驗證共計進行兩類(結(jié)構(gòu)、熱)兩級(模組級、系統(tǒng)級)40項仿真分析。

平衡設(shè)計動力電池

在電動汽車的設(shè)計中，要有平衡的概念。要充分了解用戶需求，設(shè)計出來的產(chǎn)品不是為了通過標準測試，而是迎合消費者。以安全為中心，壽命、能量密度、功率密度、可靠性之間需要權(quán)衡。權(quán)衡以后，比如說能量密度和功率密度，在設(shè)計上有矛盾，而且能量密度大到一定程度，也會影響安全性的。能量密度高到一定程度也不好控制，所以追求能量密度的時候，安全性問題就會變得越來越突出。

電池設(shè)計要平衡，指標不能光看電芯，還要看系統(tǒng)。舉個能量和功率的平衡的例子：電池的空間有限、重量有限，都知道電容量越大，要追求卷繞的面積越大越好，而且多繞兩圈最好，這是追求能量密度。所以在做的時候，能量型電池不要求過很大電流，電子導(dǎo)電的極片做薄一點，讓電極材料涂得厚一點，但是功率型電池要求把極片做厚，但是涂層要薄，離子通道要短，經(jīng)過隔離膜、電解液到對面去比較快。高能量要求可用的鋰電池數(shù)量多，高功率要求鋰離子跑得快。功率和能量密度同時做到世界第一，是做不到的。

目前，電動客車堅持用磷酸鐵鋰，因為三元電池沒解決熱失控這個問題。而乘用車都在用三元，為了優(yōu)先保證能量密度（但系統(tǒng)熱失控也需要滿足逃生時間）。所以，不同的應(yīng)用需求，可以做不同要素優(yōu)先級的選擇。關(guān)于共性需求，目前的用戶調(diào)研，基本上，成本和能量密度在純電動里面還是放在最先的位置。

動力電池未來變化和發(fā)展趨勢

1.價格降低。在看后面幾年需求的變化和電池發(fā)展技術(shù)趨勢，比較通俗講，價格至少降一半，我們的目標是2020年完成。其實我們老板要求我們把2020至少降一半的情況要往前提，我們用戶覺得這是一個好的事。

2.能量密度提升。能量密度將提升到現(xiàn)在的1.3倍到2倍，磷酸鐵鋰現(xiàn)在的行業(yè)平均水平130Wh/kg上下，但是有可能純磷酸鐵鋰有機會做到150~170Wh/kg。純的磷酸鐵鋰硅極材料用上去以后，有機會達到180 Wh/kg?，F(xiàn)在國家提出更高指標是350 Wh/kg，系統(tǒng)能量要到260 Wh/kg，國家提的要求更高一些。

3.循環(huán)壽命提高。現(xiàn)在乘用車和物流車使用的三元電池大多數(shù)是1000-2000次的循環(huán)壽命，但是現(xiàn)在也有些做2500次的，做混合動力的也有6000、7000次的也有。同樣的技術(shù)水平，功率型電芯設(shè)計到位的話，它的循環(huán)壽命會比能量型的長一些，基本上循環(huán)壽命提升到現(xiàn)在的2倍。磷酸鐵鋰可以從2000-4000次提升到10000次以上。

4.電芯、模組、電池包行業(yè)標準化。電芯、模組、電池包行業(yè)標準化是第四個趨勢。

電池開發(fā)設(shè)計的流程及技術(shù)

電池系統(tǒng)不好做的地方，在于它的化學(xué)系統(tǒng)受環(huán)境影響很大。不管是電池還是電控，只要用到車上就要按照汽車核心零部件的要求來做。V模型開發(fā)非常重要的一點就是分層設(shè)計、分層驗證，比如管理系統(tǒng)是一個小部件，把管理系統(tǒng)的需求加進去，設(shè)計開發(fā)出來，等到管理系統(tǒng)測試驗證好以后，做PACK的集成設(shè)計，然后再做到整車的集成設(shè)計，是一層一層非常嚴謹?shù)拈_發(fā)設(shè)計流程。

1.機械設(shè)計。PACK GBT31467.3的16項安全測試都要做，還有火燒跟擠壓測試。對PACK來講，降成本、減重量，保證安全性和可靠性還存在矛盾，在進行安全設(shè)計時，既要考慮成本，又要考慮安全性、能量密度。PACK減重時，要考慮機械強度、機械壽命、防腐蝕性，確?？煽啃浴?/p>

2.IP67的重要性。IP67是牽扯安全的，不僅是能不能用，還有安全性。分幾個方面分析IP67的控制，先看箱體加工，要保證箱體不會被破壞；二是看壓力平衡閥，能保證不同的緯度、不同的溫度下，里外的氣壓保持平衡；三是上下蓋的密封面，需要考慮是否阻燃的，密封好不好，除了材料選擇、形狀選擇，還有固定的壓縮比；第四，連接器容易漏水，主要是線束、導(dǎo)線跟插頭的關(guān)系、插頭跟插座的關(guān)系、插座跟箱體的關(guān)系。要特別注意設(shè)計的時候，連接器底座的固定方式是否需要使用盲孔，如果需要盲孔，而箱體里面設(shè)計的不是盲孔，再補加膠水也沒有用，長期來看是不行的。此外，安裝連接器的時候，對箱體的平面性是有要求的，當結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，連接器底座和電箱密封也是會漏水的。

3.電池?zé)峁芾碓O(shè)計。電池?zé)峁芾碓O(shè)計分三大步驟。第一步是建立熱模型。有模型后，單個電池專門測試發(fā)熱點，建立功率和發(fā)熱模型的關(guān)系；第二步是系統(tǒng)熱設(shè)計。從機械結(jié)構(gòu)的布局，熱傳導(dǎo)路徑，算它的熱阻回路；第三步是熱管理和策略，一個目的是防止熱失控，保證安全，另一個目的是為了電池的長壽命，控制一些應(yīng)用功率，防止電池處于較高溫度。

4.水冷+熱冷熱管理系統(tǒng)。高溫區(qū)的應(yīng)用有制冷系統(tǒng)，供冷水；高寒區(qū)的應(yīng)用有加熱系統(tǒng)，供熱水。這兩個之間有一個切換功能。但是，目前即便是做出這個產(chǎn)品，也只能說能用，仍不完善。解決方法有兩個方向：低溫電池和速熱技術(shù)。

5.電池管理系統(tǒng)。BMS要具備保護和自我診斷功能。特別強調(diào)的是，管理系統(tǒng)能夠?qū)﹄姵刈龅阶詣泳S護、延長電池壽命。電池長期維護的關(guān)鍵是均衡，而在整車的電池包里，電池結(jié)構(gòu)分布不同，溫度、并聯(lián)回路過電流存在差異，會讓電池功率的輸出不同。所處的溫度環(huán)境不一樣，性能也會慢慢離散，所以均衡是需要的。

我反對均衡的時候要用多大電流來標榜，那會帶來另外的安全和可靠性的問題。在均衡當中，要能夠時刻檢測出電池狀態(tài)、單體狀態(tài)，判斷均衡條件比執(zhí)行均衡更重要，最好能夠提前判斷，防微杜漸。

主動均衡和被動均衡的區(qū)別是什么？主動均衡是“劫富濟貧”，電池狀態(tài)好的可以去救狀態(tài)差的。被動均衡是“劫富不濟貧”，就是把SOC高的容量放掉，達到一致的SOC，再在外面給電池組充電補上去。這里兩種方式的成本差異比較大，基本上是兩倍以上的關(guān)系。

BMS軟件分應(yīng)用層和底層，APP跟BSW。應(yīng)用層除了系統(tǒng)本身外，其實就是五個模塊：前處理、后處理、狀態(tài)估計、輸入、輸出。關(guān)于管理策略，電池的安全性和可用性是要兼顧的。設(shè)計的時候，其實在提高管理系統(tǒng)安全性的同時，也要提高用戶的體驗。

關(guān)于電池保護安全策略這一塊，其實電池最怕的是過充、過溫，也怕過放后再充電。安全保護要分級、分策略。充電安全方面，充電機的安全是很重要的問題，但目前充電機的質(zhì)量、技術(shù)水平差別很大。

關(guān)于SOC算法。既要保證司機能夠安全地用SOC，不能虛高虛低，又要保證用戶不會覺得SOC亂變化，要有顯示策略。高壓保護也不說了，非常重要的是高壓保護的熔斷器和接觸器。特別重要的一點，直流耐壓不夠的話，在短路的時候不能有效分斷，所以耐壓一定要足夠。接觸器在高壓的時候要斷開它，選擇時也要考慮耐壓和過電流能力，還要注意跟結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)的，我在這兩個電極上不要施加不當應(yīng)力，破壞它的結(jié)構(gòu)。

6.電池系統(tǒng)安全。關(guān)于電池系統(tǒng)安全，要從電芯材料和電芯設(shè)計的機理開始，就做到防熱失控。而在系統(tǒng)級做到防止熱擴散，這是全過程的控制。全方位安全（化學(xué)、機械、電氣和功能安全）中，化學(xué)安全要求不起火、不爆炸和阻燃性能，還包括不排放有毒氣體，也包括不發(fā)生熱失控，這些都是在化學(xué)安全里面。機械安全包括振動和IP等級，防爆、防撞、防擠壓都要考慮。第三是電氣安全，就是放觸電、防漏電、防絕緣失效和高壓防觸摸，這些都是屬于電氣安全的東西。還有功能安全，功能安全在這里是一個概念擴展，通俗地講，就是當功能失效的時候不能產(chǎn)生安全事故。

電池安全是底層的，是車上的核心零部件，要服從于車安全，要服從于人安全?？煽啃允?a target="_blank">設(shè)計制造出來的，主要講系統(tǒng)設(shè)計分層分級去分析它的失效模式和影響，按照每一級去分解可靠性指標，這就是一個FMEA的概念，做DFMEA、PFMEA就是為了在設(shè)計開發(fā)階段就識別風(fēng)險，會不會帶來可靠性問題，甚至帶來安全問題，把影響分析導(dǎo)出來，從嚴重度、發(fā)生頻率、可檢測度各個方面考慮，F(xiàn)MEA分析是必須要做的，這也是汽車產(chǎn)品開發(fā)的一環(huán)。

7.電池系統(tǒng)壽命。電芯壽命的評估，會把它放到電池包乃至整車系統(tǒng)的大環(huán)境下來評估。電芯評估有一個模型，用存儲壽命和循環(huán)壽命來評估用戶的使用壽命，存儲壽命和循環(huán)壽命的影響機理和因素是不一樣的。存儲壽命主要是化學(xué)因子影響，循環(huán)壽命是化學(xué)和機械的影響。在微觀來看，充放電循環(huán)中，電極片會膨脹收縮，SEI界面會出現(xiàn)微裂紋，修復(fù)裂紋會消耗鋰離子，影響壽命。

為什么功率型電池循環(huán)會相對好一些？因為功率性電芯的極片涂布壓實密度比較低，膨脹量相對小，機械應(yīng)力小。反之，壓實密度越高膨脹越大，膨脹量相對大，機械應(yīng)力大，對循環(huán)壽命影響大。所以說功率型的循環(huán)壽命會好過高能量型電芯。模型評估電池壽命的意義：比如一年時間，就能評估電池是否能存儲8年10年，500次以內(nèi)的循環(huán)測試數(shù)據(jù)，就能預(yù)測全生命周期能不能達到5000次、3000次循環(huán)。

審核編輯：郭婷