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)模化、標(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)出來的產(chǎn)品不是為了通過標(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,安全性問題就會(huì)變得越來越突出。
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]解決熱失控這個(gè)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(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。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(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,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,確保可靠性。
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)加膠水也沒有用,長(zhǎng)期來看是不行的。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)候要用多大電流來標(biāo)榜,那會(huì)帶來另外的安全和可靠性的問題。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)電池最怕的是過充、過溫,也怕過放后再充電。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)覺得SOC亂變化,要有顯示策略。高壓保護(hù)也不說了,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)啵阅蛪阂欢ㄒ銐颉=佑|器在高壓的時(shí)候要斷開它,選擇時(shí)也要考慮耐壓和過電流能力,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。可靠性是設(shè)計(jì)制造出來的,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)帶來可靠性問題,甚至帶來安全問題,把影響分析導(dǎo)出來,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。所以說功率型的循環(huán)壽命會(huì)好過高能量型電芯。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
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原文標(biāo)題:主機(jī)廠對(duì)動(dòng)力電池性能有哪些要求?
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