整車廠對(duì)動(dòng)力電池的性能的要求有哪些

今天給大家簡(jiǎn)單分享一下整車廠對(duì)動(dòng)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(cè)試流程。

一,車廠對(duì)電池性能的需求

其實(shí)對(duì)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(dòng)力汽車能夠達(dá)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(shí)間短

蓄電池對(duì)充電技術(shù)沒(méi)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(shí)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(dá)到額定容量的50%時(shí)的時(shí)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(dá)到額定容量的70%左右。自放電率要低，蓄電池能夠長(zhǎng)期存放。

不需要復(fù)雜的運(yùn)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(dòng)力汽車行駛時(shí)振動(dòng)的要求。

安全可靠

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

壽命長(zhǎng)、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(jìn)行維護(hù)和修理。

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

國(guó)內(nèi)外的主流電池企業(yè)實(shí)際的目標(biāo)如下：

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

電芯安全性能

電芯能量密度快速提升對(duì)應(yīng)電芯安全挑戰(zhàn)增加，市場(chǎng)急迫需要產(chǎn)品規(guī)模化投放。此外還應(yīng)加強(qiáng)系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)投入，從系統(tǒng)角度通過(guò)多層級(jí)、多維度設(shè)計(jì)實(shí)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(jìn)步認(rèn)為:30~45min快充會(huì)作為主流技術(shù)需求,10-15min快充會(huì)局部研究并應(yīng)用。換電模式主要出現(xiàn)在出租車的運(yùn)營(yíng)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(jìn)步及規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化、整車能耗降低、梯次利用促進(jìn)電池降本。標(biāo)準(zhǔn)化最大限度減少開發(fā)成本，同時(shí)對(duì)梯次利用也是一個(gè)很重要的基礎(chǔ)。整車企業(yè)未來(lái)將會(huì)定義模組規(guī)格（比如VDA或新國(guó)標(biāo)電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池產(chǎn)品尺寸規(guī)格），在模組規(guī)格范圍內(nèi)進(jìn)行布置，有利于跨平臺(tái)應(yīng)用，同時(shí)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(duì)于Z向要求越來(lái)越高，高度在120mm進(jìn)一步壓縮到100mm，對(duì)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(wàn)km，壽命目標(biāo):10 年,240,000 km，隨著車輛續(xù)航里程增加，對(duì)電池的循環(huán)壽命相應(yīng)放寬。

車廠對(duì)動(dòng)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(jí)子系統(tǒng)的開發(fā)驗(yàn)證流程要先于母系統(tǒng)，保證產(chǎn)品開發(fā)過(guò)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(shí)際開發(fā)情況，會(huì)優(yōu)先選擇成熟度高的電芯產(chǎn)品。

上汽集團(tuán)共把它分為四個(gè)階段：預(yù)篩選-電池確認(rèn)和評(píng)估-單體確認(rèn)和評(píng)估-系統(tǒng)驗(yàn)證。各個(gè)階段都有嚴(yán)格的測(cè)試流程和控制。

電芯類型的選擇

電芯從正負(fù)極材料的角度來(lái)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(jìn)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(gè)類型的電芯主要特點(diǎn)總結(jié)如下：

電池測(cè)試評(píng)價(jià)體系

三橫四縱評(píng)價(jià)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(cè)試評(píng)價(jià); 四縱:認(rèn)可試驗(yàn)、標(biāo)定試驗(yàn)、拓研試驗(yàn)、虛擬驗(yàn)證四大試驗(yàn)類型，驗(yàn)證項(xiàng)目近158項(xiàng)，其中系統(tǒng)熱安全、電安全及機(jī)械安全33項(xiàng)。其中熱安全又包括11子項(xiàng)，29分項(xiàng); 電氣安全包括15子項(xiàng)，33分項(xiàng); 機(jī)械安全包括17子項(xiàng)，35分項(xiàng);

認(rèn)可實(shí)驗(yàn)

五步四級(jí)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(duì)電芯從外特性到內(nèi)部材料、工藝進(jìn)行分級(jí)開發(fā)管理，實(shí)現(xiàn)從應(yīng)用的技術(shù)可行性向產(chǎn)品的批量可行性進(jìn)行評(píng)估管理。

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

這是對(duì)整車動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性，環(huán)境適應(yīng)性，耐久性，熱平衡，SOC算法驗(yàn)證的過(guò)程。

拓研實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

電池全生命周期性能評(píng)價(jià)

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(yàn)

持續(xù)火燒試驗(yàn)

動(dòng)力電池系統(tǒng)剖切試驗(yàn)

虛擬仿真驗(yàn)證

在產(chǎn)品開發(fā)階段虛擬驗(yàn)證共計(jì)進(jìn)行兩類(結(jié)構(gòu)、熱)兩級(jí)(模組級(jí)、系統(tǒng)級(jí))40項(xiàng)仿真分析。

平衡設(shè)計(jì)動(dòng)力電池

在電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)中，要有平衡的概念。要充分了解用戶需求，設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品不是為了通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，而是迎合消費(fèi)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(shuō)能量密度和功率密度，在設(shè)計(jì)上有矛盾，而且能量密度大到一定程度，也會(huì)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(shí)候，安全性問(wèn)題就會(huì)變得越來(lái)越突出。

電池設(shè)計(jì)要平衡，指標(biāo)不能光看電芯，還要看系統(tǒng)。舉個(gè)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(shí)候，能量型電池不要求過(guò)很大電流，電子導(dǎo)電的極片做薄一點(diǎn)，讓電極材料涂得厚一點(diǎn)，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(guò)隔離膜、電解液到對(duì)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(shí)做到世界第一，是做不到的。

目前，電動(dòng)客車堅(jiān)持用磷酸鐵鋰，因?yàn)槿姵貨](méi)解決熱失控這個(gè)問(wèn)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(shí)間）。所以，不同的應(yīng)用需求，可以做不同要素優(yōu)先級(jí)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(dòng)里面還是放在最先的位置。

動(dòng)力電池未來(lái)變化和發(fā)展趨勢(shì)

1.價(jià)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(shì)，比較通俗講，價(jià)格至少降一半，我們的目標(biāo)是2020年完成。其實(shí)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(jué)得這是一個(gè)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(jī)會(huì)做到150~170Wh/kg。純的磷酸鐵鋰硅極材料用上去以后，有機(jī)會(huì)達(dá)到180 Wh/kg。現(xiàn)在國(guó)家提出更高指標(biāo)是350 Wh/kg，系統(tǒng)能量要到260 Wh/kg，國(guó)家提的要求更高一些。

3.循環(huán)壽命提高?，F(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(dòng)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(jì)到位的話，它的循環(huán)壽命會(huì)比能量型的長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)化。電芯、模組、電池包行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化是第四個(gè)趨勢(shì)。

電池開發(fā)設(shè)計(jì)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(lái)做。V模型開發(fā)非常重要的一點(diǎn)就是分層設(shè)計(jì)、分層驗(yàn)證，比如管理系統(tǒng)是一個(gè)小部件，把管理系統(tǒng)的需求加進(jìn)去，設(shè)計(jì)開發(fā)出來(lái)，等到管理系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證好以后，做PACK的集成設(shè)計(jì)，然后再做到整車的集成設(shè)計(jì)，是一層一層非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拈_發(fā)設(shè)計(jì)流程。

1.機(jī)械設(shè)計(jì)。PACK GBT31467.3的16項(xiàng)安全測(cè)試都要做，還有火燒跟擠壓測(cè)試。對(duì)PACK來(lái)講，降成本、減重量，保證安全性和可靠性還存在矛盾，在進(jìn)行安全設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮成本，又要考慮安全性、能量密度。PACK減重時(shí)，要考慮機(jī)械強(qiáng)度、機(jī)械壽命、防腐蝕性，確?？煽啃?。

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(gè)方面分析IP67的控制，先看箱體加工，要保證箱體不會(huì)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(jì)的時(shí)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(jì)的不是盲孔，再補(bǔ)加膠水也沒(méi)有用，長(zhǎng)期來(lái)看是不行的。此外，安裝連接器的時(shí)候，對(duì)箱體的平面性是有要求的，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，連接器底座和電箱密封也是會(huì)漏水的。

3.電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)。電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)分三大步驟。第一步是建立熱模型。有模型后，單個(gè)電池專門測(cè)試發(fā)熱點(diǎn)，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(jì)。從機(jī)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(gè)目的是防止熱失控，保證安全，另一個(gè)目的是為了電池的長(zhǎng)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(gè)之間有一個(gè)切換功能。但是，目前即便是做出這個(gè)產(chǎn)品，也只能說(shuō)能用，仍不完善。解決方法有兩個(gè)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(hù)和自我診斷功能。特別強(qiáng)調(diào)的是，管理系統(tǒng)能夠?qū)﹄姵刈龅阶詣?dòng)維護(hù)、延長(zhǎng)電池壽命。電池長(zhǎng)期維護(hù)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(guò)電流存在差異，會(huì)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(huì)慢慢離散，所以均衡是需要的。

我反對(duì)均衡的時(shí)候要用多大電流來(lái)標(biāo)榜，那會(huì)帶來(lái)另外的安全和可靠性的問(wèn)題。在均衡當(dāng)中，要能夠時(shí)刻檢測(cè)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(dòng)均衡和被動(dòng)均衡的區(qū)別是什么？主動(dòng)均衡是“劫富濟(jì)貧”，電池狀態(tài)好的可以去救狀態(tài)差的。被動(dòng)均衡是“劫富不濟(jì)貧”，就是把SOC高的容量放掉，達(dá)到一致的SOC，再在外面給電池組充電補(bǔ)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(shí)就是五個(gè)模塊：前處理、后處理、狀態(tài)估計(jì)、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(jì)的時(shí)候，其實(shí)在提高管理系統(tǒng)安全性的同時(shí)，也要提高用戶的體驗(yàn)。

關(guān)于電池保護(hù)安全策略這一塊，其實(shí)電池最怕的是過(guò)充、過(guò)溫，也怕過(guò)放后再充電。安全保護(hù)要分級(jí)、分策略。充電安全方面，充電機(jī)的安全是很重要的問(wèn)題，但目前充電機(jī)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(jī)能夠安全地用SOC，不能虛高虛低，又要保證用戶不會(huì)覺(jué)得SOC亂變化，要有顯示策略。高壓保護(hù)也不說(shuō)了，非常重要的是高壓保護(hù)的熔斷器和接觸器。特別重要的一點(diǎn)，直流耐壓不夠的話，在短路的時(shí)候不能有效分?jǐn)?，所以耐壓一定要足夠。接觸器在高壓的時(shí)候要斷開它，選擇時(shí)也要考慮耐壓和過(guò)電流能力，還要注意跟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的，我在這兩個(gè)電極上不要施加不當(dāng)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(jì)的機(jī)理開始，就做到防熱失控。而在系統(tǒng)級(jí)做到防止熱擴(kuò)散，這是全過(guò)程的控制。全方位安全（化學(xué)、機(jī)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(jī)械安全包括振動(dòng)和IP等級(jí)，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(gè)概念擴(kuò)展，通俗地講，就是當(dāng)功能失效的時(shí)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(jì)制造出來(lái)的，主要講系統(tǒng)設(shè)計(jì)分層分級(jí)去分析它的失效模式和影響，按照每一級(jí)去分解可靠性指標(biāo)，這就是一個(gè)FMEA的概念，做DFMEA、PFMEA就是為了在設(shè)計(jì)開發(fā)階段就識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)不會(huì)帶來(lái)可靠性問(wèn)題，甚至帶來(lái)安全問(wèn)題，把影響分析導(dǎo)出來(lái)，從嚴(yán)重度、發(fā)生頻率、可檢測(cè)度各個(gè)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(píng)估，會(huì)把它放到電池包乃至整車系統(tǒng)的大環(huán)境下來(lái)評(píng)估。電芯評(píng)估有一個(gè)模型，用存儲(chǔ)壽命和循環(huán)壽命來(lái)評(píng)估用戶的使用壽命，存儲(chǔ)壽命和循環(huán)壽命的影響機(jī)理和因素是不一樣的。存儲(chǔ)壽命主要是化學(xué)因子影響，循環(huán)壽命是化學(xué)和機(jī)械的影響。在微觀來(lái)看，充放電循環(huán)中，電極片會(huì)膨脹收縮，SEI界面會(huì)出現(xiàn)微裂紋，修復(fù)裂紋會(huì)消耗鋰離子，影響壽命。

為什么功率型電池循環(huán)會(huì)相對(duì)好一些？因?yàn)楣β市噪娦镜臉O片涂布?jí)簩?shí)密度比較低，膨脹量相對(duì)小，機(jī)械應(yīng)力小。反之，壓實(shí)密度越高膨脹越大，膨脹量相對(duì)大，機(jī)械應(yīng)力大，對(duì)循環(huán)壽命影響大。所以說(shuō)功率型的循環(huán)壽命會(huì)好過(guò)高能量型電芯。模型評(píng)估電池壽命的意義：比如一年時(shí)間，就能評(píng)估電池是否能存儲(chǔ)8年10年，500次以內(nèi)的循環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)，就能預(yù)測(cè)全生命周期能不能達(dá)到5000次、3000次循環(huán)。

審核編輯：郭婷