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王芳:动力电池的测试评价与标准化体系建立

作者:中国储能网新闻中心  来源:中国汽车报网  发布时间:2018-7-16 18:58:45

中国储能网讯:当前,电动汽车已经成为全球汽车产业发展的战略方向,动力电池的进步成就了今天的电动汽车,也决定着未来电动汽车市场化的步伐。如何推动动力电池与其他环节的协调配合将直接影响动力电池,乃至新能源汽车的下一步发展前景。为推动产业的协同发展,6月27日,由青海省人民政府、工业和信息化部、科学技术部、中国电动汽车百人会主办的“中国(青海)锂产业与动力电池国际高峰论坛”在青海省西宁市召开。

大会由青海省人民政府副秘书长郭臻先主持论坛,青海省副省长、省国资委主任王黎明为论坛致辞,中国电动汽车百人会理事长陈清泰、中国电动汽车百人会秘书长兼首席专家张永伟、中国电动汽车百人会副秘书长刘小诗、北京汽车集团有限公司总经理张夕勇、宁德时代新能源科技股份有限公司副董事长黄世霖、浙江电咖汽车科技有限公司董事长张海亮、北大先行科技产业有限公司总裁高原、韩国SK集团电池事业部本部长Kang Sanghoom等嘉宾发表了精彩的演讲。

以下为中国汽车技术研究中心首席专家王芳发言实录:

我的报告开门见山,因为我自己做测试评价也做了十几年,中间材料的测试、电池的测试,包括整车的测试也分别做了比较多的内容,集中点还是在电池上面,所以今天也是应主办方的要求,我的题目主要是集中于“动力电池的测试评价与标准化”。

我报告的内容主要会涉及到测试评价的内容,也会涉及到现行的标准和未来的标准和评价的走向问题。首先说一下为什么,其实我们做测试评价的时候考虑的出发点还是会从最终终端的用户、终端车的要求出发,我们来看整车对性能有哪些要求呢?第一会提到的续航里程,第二个加速的性能,包括加速的时间、最高加速度。第三个包括用户使用安全,当然安全其实是第一位的,安全是根本,还有经济性,包括能耗、排放等等这样的一些性能,和使用的便捷性,这块主要是充电的兼容和充电的安全这一块。全气候的使用条件,就是说对环境的适应性,最终就是环境友好,真正的是能够节能环保的这样的一个特性能不能体现出来。所以与这个相对应的,我们对于电池的测试评价来说就会关注到相对应的特性,比如说跟续航相关的能量密度,与加速性能相关的功率特性,与安全相关的当然是重点,也是今天我讲的重点。经济性方面,跟它的循环寿命、日夜寿命以及性价比都会有关系。充电的特性包括快速充电的这样一些特性,还有宽温度范围内的性能,对应的高温、高湿、高寒这样的使用条件,最后就是它的循环利用、梯次利用和回收这样环节的考虑。这些都是我们对于电池评价和标准化方面会要关注的几个方面。

第一部分,现行的标准体系。

这是目前我国跟动力电池相关的国家标准和行业标准,重点标准都在这儿。里面重中之重目前相关的就是这几个红色框架里面电池单体到模块、到系统的标准,这是现行的,电池要上公告、上车需要测试标准。除此之外有一个热点大家可能也注意到,最近的回收利用,它的互操作性、互换性也是大家关注的重点。另外大家要注意到现在的前两天刚刚网上公布的GBXXXX,电池的强制性标准,没有TLGB、电池的安全性标准,这个标准现在已经报批,我一会儿会给大家介绍一下,这个标准的抽查以后会自动替代掉4685和467.3,会成为安全强制要求标准,因为它是一个强标,GB的标准。

我们逐一看一下,其实目前相应的,我刚才说到了这几个标准都是在产品的准入、行业的规范条件、相关方面都要求测试的标准,除了刚才说到的几个标准以外,大家还要关注的是最后面的那两列,就是跟补贴相关的,一个是电池的能量密度的测试,这个是比较重要的额外的测试,还有一个就是电动客车的安全条件,对于客车来说,除了一般的电池要求之外,在那个技术条件之外又增加了额外的对电池的要求。下面根据我们测试的结果想跟大家逐一地分享一些信息,为什么说信息呢?我不想说做太多的主观的评价,但是我想大家从这些信息里面应该能够得到一些我潜在的评价内容。

首先第一个是大家关心得非常非常多的能量密度和成组率的问题,其实我们看一下能量密度表,这是我统计的、我检测的,我这个检测中心在这几年测试的系统的能量密度的这样一个变化,从2015年平均的90.5Wh/Kg到今年的上半年138Wh/Kg,能够看到这样的一个迅速增长的趋势,尤其是从2016、2017、2018这三年的变化,大家可以看到,这是检测的数据,但是我对车的许可证,我也对现行市面上销售的车的能量密度也进行了统计,今年上半年前一季度销售的车的能量密度基本上数量是在118Wh/Kg,也就是说今年测试的电池大概会在第二、第三、第四季度陆陆续续大家会看到销售的车的能量密度会是38Wh/Kg,会是这样的一个状态。

我们再看一下成组率,从2016年的0.63到去年的0.67,再到今年的0.74,增长率也是非常高的。我们再看一下把成组率再剖析一下,这是去年我统计了145款的数量,里面这是单体的,这是系统的,他们都有一一对应的关系。我看单体的能量密度是173Wh/Kg,到系统是116Wh/Kg,这是成组率的来由,0.67,我是这样测算的,细分一下这里面橙色的是三元的,蓝色的是磷酸铁锂的,大家可以看到蓝色明显单体能量密度是在上面一个阶层,大概在170到230之间,到系统的分布很有趣,基本重合了,这里面有这样几个讯息,首先看单体的磷酸铁锂是117,成组率的值是81.42%,最好的已经超过了85%。三元是183到115.4,跟本身的密切性相关,磷酸铁锂本身的安全性比较好,所需要附加的成组的安全性的保障措施就会少很多,还有一个原因,当然那个原因我只能简单说一下,因为其实我们统计过,去年的磷酸铁锂百分之百,基本上是大部分是用在大巴车上的,三元是用在乘用车上的。去年整个电池体系的分布,我在有一个报告上讲过,今天没有给大家展示,去年整体的市场分布是磷酸铁锂占了50%,三元占了42%-43%之间,所以这个比例大家可以看出来,本身大巴车对于Pack集成的技术要求原则上来说会低于乘用车的,所以这些综合因素会影响到它的成组率,但是根本原因还是因为本身的安全性的差异。

我今天给大家展示的数据其实是标准测试以外,报告里不体现也不关心的内容,但是还是想给大家展示一下,我们再看一下,不同体系之间的差异,方形软包和圆柱,大家都问哪个体系好,哪个有发展前途,从我们测试的样本量来说,它们的样本分布基本是差不多的,方形居多一些。它们里面的特点,软包和圆柱本身单体的能量密度相对来说比方形的做得更高一些,但是我们再看一下成组以后它这样的一个表现,成组以后的能量密度的差异,我们再看一下成组率,可以看到方形的成组率是非常高的,相对来说目前是最高的,而软包的次之,圆柱的最低,大家也知道,包括像特斯拉的电池,它虽然单体的能量密度非常高,到成组了也就是到50%,甚至一开始的时候都不到50%,但是现在相对要高一些。所以这几个体系大家的判断,因为今天时间很短,不太好展开讲,其实还有很多,包括这种热管理设计和系统集成方面的一些差异,我们有时间可以再深入地探讨它们之间的优缺点。

从能量密度再看成组的冷却方式。我就是围绕能量密度这一个事我就想展开看看后面的东西。成组的冷却方式,这个是我们只统计了90几款电池的系统参数,样本数,一看里面86款是自然冷却的,风冷和液冷只有三款和七款,这是去年下半年的状态。当然不是全部的,是挑选有代表性的。大家一看说风冷的能量密度最高,但是实际上我没有把结论写在这儿,我认为这个结论是不对的,至少是不科学的,因为它的样本数是不对等的。但实际上大家为什么选择自然冷却?很大的原因会受补贴政策的影响,在这种情况下实际上尽可能提高能量密度,所以原则上自然冷藏肯定是能量冷度是提高得最高的。实际深我们再看一下,我没做对它的冷却方法做太多的评价。我给大家看一下2016年的数据和2017年上半年的数据,再到2017年整年下半年的趋势大家可以看到,从最初的本来,我是能看到的,2015到2016年液冷的数量是呈上升的趋势的,但是从2016年底到2017年是下降的趋势,大家越来越多地选择自然冷却。在这儿我只想说一个观点,当然这是受政策的影响,但是对于整个乘用车的开发来说,我觉得大家还是要重视热管理系统的设计,在这块目前来说大家越来越重视,我也看到技术的提升。风冷设计我本身并没有太多的支持的观点为什么呢?因为大家对于电池的这种传热方式,这种风道的流体力学,整体来说我认为电池Pack的设计公司对于这方面的技术掌握还没有那么高,所以它在那块,如果用风冷做得不好的话,反而使得电池的整个的一致性和这种不平衡衰减增大,所以在这种情况下选择自然冷却也是他们的一种方式,但是我还是建议大家要重视这种冷却方式的选择和热管理的选择。

刚才全部讲的性能,但是从性能讲出来它背后的东西,下面主要看安全,电池系统的安全现在有16项测试,包括机械的、环境的和电的测试,这个是前期2016年率,后来2017年我们增加了一个修改,大家认为振动太严苛了,修改以后,从21小时三个方向的随机振动变成三个小时的正弦振动,机械安全的通过率就快速增长。我认为那个修改单我当时是同一了,也是由我提交的,但是我对那个修改单并不认同,因为正弦振动不是实际道路振动的形式,但是当时没有太多的数据支撑,也没有太多的积累,国际标准只有这个可参考,所以我们采用了这个,但是同时我们自己开展了研究,从实车的路谱采集出发,去采集到,我们用二十多辆车采集到这个数据以后,把不同路面进行数据的平行化处理和正规化处理,最终得到了这样的一个谱图,这个新的随机的谱图,这个谱图已经写进GB的标准里头,刚才我说的新的通过审查的标准里头。所以这个大家可以关注一下。也就是说现在开发的产品你们不用等那个标准出来再按照这个做了,现在开发产品就应该按照新的振动的随机的谱图去测试你们的样品。

再说一下电动客车的安全条件,里面跟电池相关的是有一个有热失控和热扩散两个测试,这两个测试。我重点讲一下热失控,这个测试,我自己是从专家的角度持保留意见的,因为它是要求电池过充到120%再加上到300度,而且是最小的控制单元,也就是说如果你是三个电池并联的话要求三个电池并联都拿过来做测试,要求不起火、不爆炸,这个对于高比能的三元来说是非常非常大的挑战,这也是为去年用的是磷酸铁锂,而且磷酸铁锂基本上是用在客车上的重要原因,这项测试是非常难通过的,我要告诉大家的信息,GB的标准通过审查,同期通过审查的还有两个整车的标准,一个就是电动客车的安全条件,一个是整车的电安全,客车的安全条件里面我想告诉大家的是这项测试依然存在。

热扩散的测试,热扩散测试对电池系统来说我认为是有必要的,而且在全球法规上我们也把它作为提案提到了全球的法规,里面的测试规程也是由我们中国牵头来起草的,由各国来一起讨论。前期的方法是用针刺或者充电或者加热的方式把一个电池搞着了,来看整个电池包的特性。我们实际上在做GB标准的时候,这项也写进去了,但是在那个基础上,因为有一些问题是什么呢?这些方法有没有对等性?每一个方法的重现性如何?还没有完全自己能够佐证好。第二个问题,热失控的条件是不是恰当也没有得到最终的结论。另外一个就是这种方法加热也好,过充也好,你是要给电池附加进去热量的,这个热量其实是破坏了电池本身的状态,所以这个方法是否合理也是我们要研究的,还有一个就是最终的判据,到底多少分钟算通过也是要求你跟这种消防的逃生时间是相关的,因为电动汽车安全是人员安全,就要求人逃生之前能够不起火、不爆炸就可以,所以这些都是我们研究的内容,研究到目前为止,我们认为加热、针刺还是可以作为一个方法的,但是过充给去掉了,因为现在好多电池设计里面装了防过充的设计,一过充就断掉了,我们根本无法做这个实验,热失控的判据也做了调整,这是目前写进GB标准的这样一个提案,是这样的。加了一个其他方式,这个是开口的,这个也就是说电池厂可以提供一个新的我们认为合理的方式来做,这个也是因为现在进入了第二阶段,今年3月份刚开了第二阶段的第一次会议,我们在未来的三年里这个是重要的工作,还会在未来三年内把这个法规写完,所以说现在给了一个开口的其他方式,也是希望全行业能够参与进来积累数据,能够把这个法规测试写得合理化。

第二部分,综合测评评价。

刚才讲的都是法规的测试,但是实际上对于电池的评价来说我是这么理解的,因为电池是电化学的载体,它是一个动态变化的,我们可以看到绿色可以认为它的可用的领域,而黄色的是可控的,而外面是失控的状态,我们希望无论是性能也好,安全也好,我们要考核的就是它在可用领域的这样一些可用的评价,实际的不同的状态下是怎么样的一个状态,包括当处于失控边界的时候怎么认为它是可控的这样一个可控评价,包括失控以后怎么进行消防救援的评价,这是未来一段时间么在评价方面、标准化方面还会继续做的工作。可用方面评价,先看性能性,包括可用评价、倍率特性、能量密度。关于一致性我想多说两句,这里提到了出厂一致性,在测试的角度我是拿到出厂的电池,而从电池的集成和使用来说也需要知道一致性,因为这是静态的一致性,我们知道了这个以后,我们才能在电池后期使用的时候能够把控好它的动态一致性,所以这个也是非常重要的。但是实际上想多说的是今天早上跟那些朋友们聊天也说到,其实在生产过程当中控制的重要性,也是现在大家很多人在问我们国内的企业和国际企业的一些差距,或者是国内的有一些企业之间的差距,我觉得最最要重视的就是SPC,就是过程控制,这个是非常重要的。当然,今天时间关系没有给大家展示我们做一致性评价的案例。

然后是安全性和老化特性,这是在可用的范围内需要做的事。我重点会提到安全性,其实安全性这块可用的评价我们相当于把它作为系统工程,从材料、到电池,到系统,材料本身的热特性是需要全面掌握的。在这个基础上要了解电池的安全的等级,肯定是有等级的,安全是相对的,不安全是绝对的,我们只是要把不安全的可能性无限趋近于零,这是我们要做的。在这个基础上附加BMS的热管理和均衡以及功能安全,最终我们能够得到一个在很好的范围内可用的电池系统。这是我们想要做的一件事。

这里面重点的想提一下,希望大家能够对这方面非常重视的,就是动力电池的热管理系统,在这里我们也帮企业做了很多事,其中电视的热特性的评价,因为您要想做好一块电池的热管理,首先你要了解电池的热特性,它随着不同SOC准备下,不同的倍率特性,不同的温度下,它的产热功率是什么、特性是什么,发热量是多少,其实这些都是有边界的,我们测试找到了很好的边界的暴露图,也在一些SCI的期刊上发了一些文章。另外就是在了解它的基本特性以后,你要了解热失控的边界点是什么,这是你要控制的这样一个边界点。另外一个也要知道,它传递到另外一个电池,它临近电池的这样一个传播路径是什么,这是我们需要做的。

另外可控,刚才是可用,可控的评价是刚才我提到的全球法规,我们正在做的热失控的测试,后面我们还会在这几个方面去不同的触发方式、热失控的条件的摸索以及最终的安全的判定条件,什么样子是通过,我们也跟消防部门联合在做相应的测试,这是前期跟消防演习做的一些内容,后面还会接着做。

最后一个评价就是致灾危害评价,因为电池本身的这种不同体系电池燃烧的差异以及扑灭的困难性,所以对于后期的评价也显得越来越重要,我们现在正在很快消防部门做这样的一些事,对于电池的这种致灾里面的火灾的等级要进行评估,然后去给消防救援一个明确的指示。第二个要对它的过程中产烟和产毒气在空间里的一些扩散,时间上的不同的扩散的这样的一些等级也要进行评估。

第三部分,标准近期的动向。

刚才提到了一个是GB的标准,这个月已经通过审查了,而且已经提交,马上把这个报批稿提交到相关部委,部委就会提给WTO,因为是GB标准,要通过WTO的,大概明年,我初步估计可能会在明年上半年能最终发布,大概是这样的状态。管理系统的标准现在正在做,我也希望大家能够重视,前一阶段因为重点做GB标准,把这个稍微搁置了一下,现在它被提上日程,对于电池SOX的估算评价会是一个重点,还有故障诊断的功能也会是重点。另外在做的标准是混合电源的技术,包括两种不同的储能装置的评价也在做,已经立项。还有一个重点的标准希望大家要重视的就是功能安全,我提到了电池管理系统,除了一个热管理系统很重要以外,还有一个很重要的就是功能安全,不是功能,是功能安全。所以一定要实现功能安全,这个标准也已经立项,大家看到电池管理系统的功能安全要求和实验方法,这个也正在起草,我们有专门的功能安全的工作组在做这个事,基于26262体系来做的,所以大家要关注一下。规格尺寸不讲了,前一段刚刚宣贯完,和编码制度,这两个跟回收利用有关的,我们刚刚宣贯完,希望大家能重视一下,因为这是这个阶段正在用的标准,还有EVS-GTR的标准,热扩散之外,我们也把振动中国的提案提到国际上,也会是未来三年的工作重点,我们还提了两个,一个是海水浸泡,还有就是毒气分析,这是第二阶段未来全球内全球法规关注的重点,里面绝大部分是由中方主导的,也希望我们全行业能够多参与,支持法规的工作,也是体现我们在全球上的话语权。今年9月份我们会开第二阶段的第二次会议,应该是在瑞典。

我们刚才把近期的标准都给大家介绍了,未来一段时间,包括换电、包括梯次利用是我们的重点,还固态电池以及电池模块的规格尺寸的这样一些标准。我们在这个国家标准的基础上,因为大家知道现在国家标准的速度节奏会比较慢,而现在的团体标准比较活跃,我现在牵头也在做一些团体标准,这几个标准是这周后天我要开会立项的这些标准,包括热管理的标准、模块的规格尺寸以及日历寿命的测试方法,以及跟回收相关的拆解分析方案,这是这一阶段我们做的电池标准,等到成熟到一定阶段的时候就会往国家标准推。

总结,其实也算是一个展望,因为今年我申请了一个国家的项目叫动力电池测试与评价,也得到了支持,给了四千多万的国家经费,我在这里面,我是这样思考的,我认为目前从电池的材料到系统的评价里面还存在着这样的一些问题,从材料的评价大家知道,对电池的评价、性能评价也知道,但是从材料到电池以及整个过程当中的反应机制是不明确的,而这个就叫黑箱子测试,我们希望能够打破这种微观的模糊性去做一些工作。第二个就是电池的全生命周期存在的演化的复杂性,第三个是在实际的使用过程中,各种不的工况实际的使用存在的实际的工况的多变性。我针对这些方面我们要开展相关的研究的评价,最终希望能够建立从材料到电池、到BMS、到系统,甚至到整车以及回收的梯次利用的这样一个闭环的评价的体系。这个是在未来三年我要带着我们团队,我们全行业的顶尖的力量一起来做的事,也希望大家能够一起参与。因为我这个是一个共性的平台的项目,从开始就给会大家相当于是一种公开的态度,也希望大家多参与进来,所以我觉得这个话题还未完待续,谢谢大家。

关键字:动力电池

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