中国电池杂志-中国电池网11月14日讯(武月 杨阳 成都报道)在成都召开的2014年第二届中国(成都)锂电新能源产业国际高峰论坛上,欣旺达的技术总监郑伟伟做了《汽车动力电池成组面临的挑战》的专题报告。

（欣旺达电子股份有限公司技术总监 郑伟伟演讲中）

以下是郑伟伟的演讲报告:

郑伟伟:非常感谢组委会给我这个机会,能够跟这么多领导和行业专家进行交流,也非常感谢大家抽出时间听我的介绍。前面很多领导、专家讲了很多大方向,像趋势、市场情况,我就讲讲具体的内容。我自己是工程师出身,我自己也觉得这辈子最自豪的就是工程师,我已经做了快三十年了,后面还是希望工程师能够做下去,工程师到最后就是希望“改变世界”。

说到新能源汽车,动力电池成组,表面看起来挺简单,早期很多电机厂组合起来就行了,实际使用中发生很多问题,现在我们就从一些具体方面来看。

什么是新能源汽车?新能源汽车有各种各样不同的说法,这只是我的理解,不参与争论。只要是不完全使用传统的汽油、柴油通过内燃机燃烧做功来直接推动车辆运行的汽车,都可以称之为新能源汽车,这里面把节能汽车也包含了。比较常见的像BEV纯电动汽车、PHEV插电式混合动力汽车、FCEV燃料电池汽车。还有一些新的,但我觉得也是蛮重要的,有可能在家用市场有突出表现的节能汽车,比如像混合动力汽车,我们都知道普锐斯卖得非常好。

另外还有微混动力汽车,不是说带着车跑多久,只是在发动机攻关最差的时候提供一些辅助动力。虽然只是在很窄的功放下提供动力,但是对发动机的整个排放和效率有很大作用。柴油机的效率可以操作40%,汽油机是30%,最高效率。但实际上在城市的情况,有人统计过,大概在12%至18%。

电池的充放电效率,前面有专家就提到过储存效率,其实锂离子电池如果是标准放电,储存标准是非常高的,能量效率在90%以上,很多都超过95%。在电机控制器方面的效率大概也有90%以上,在电芯那边也可以做到90%,所以综合效率可以做到80%多完全有机会。尤其是电驱动的车,再加上两极变速箱,最后它的整个驱动过程中能够达到80%的综合效率,并不是不可能的。

    新能源汽车中,我们都知道动力电池很有地位,我们看看到底是怎样的地位?电驱动是一个共识,是未来的一个趋势。这里面最贵、最重、体积最大的是新能源车的电池包,在纯电动车中,电池包占了50%的成本,不仅决定了整车的续驶里程,还决定了加速与爬坡能力,同时也决定了整车的空间与操控性能。

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电池包的种类是非常重要的,很多都疏忽了这一点。在实际中,最大功率和平均功率相差非常大情况下能释放出能量,这才是关键的。最容易出问题的还是电池包,虽然锂离子电池已经商用很多年,但是真正做成汽车动力还是十几年的时间。不管是国内还是国外,都出现了很多各种各样的问题。把这么多数量的单体可靠连接起来,经受时间、工况、环境、机械振动与冲击的综合考验,绝对不是一件容易的事儿。我是从2010年到欣旺达就没有干别的,就只是做这些研究,做了四年下来,越做发现这里面要做的事情非常多,越做下去越看到我们可以做的工作真得是太多了。

所以有些过于追求集成的,对电池成组不是特别重视的,都是为自己埋下一颗地雷。汽车动力电池成组,并非简单地将电池并联和串联,涉及到电学、力学、化学、热学、仪器仪表强弱信号检测技术、复杂环境通信技术、高可靠电力控制技术等等,确实是跨学科多领域的技术。

前面有的车厂说你们有没有标准的动力电车,拿过来用一下。我们没有,所有的车用动力电池,系统都是专门定制的,要求能量功率、电压、工况环境以及尺寸重量安装与连接方式通信协议可能都不同往往要花很长时间跟客户沟通最后确定客户的需求。汽车动力电池首先要满足能量供给的需求,也就是续驶里程的需求。其次要满足功率,足够轻的质量,便于安装和维修的固定方式,满足所有运营情况的热管理系统,还要防尘、防水、防撞击、防挤压,防地上石头跳起砸伤机箱。

特斯拉走在前面,那些事故都给大家很多提醒,像装在底盘上的电池包做到什么程度才合适,其实也不一定每辆车都要加很厚的防水板。所以为了满足经济的需求,电池报必须选择最合适的电池单体、采用最合适的材料和组装方式来连接、固定,并且满足能够大批量快速生产的要求,保证产品性能一致,质量稳定。最后,不同的设计会带来不同的可靠性,这是由温度均匀性、电流一致性、电压均衡性决定的,任何一个细节考虑步骤,就会带来产品的早期衰退。中国的情况跟欧洲不同,欧洲很多都是首先在实验室做大量的实验,而中国总是早早上市,其实很多前面的示范工程效果都不是很理想。

任何电子产品的一致性、稳定性和可靠性首先是由设计保证的,其次才是由生产控制来保证。很多年前我跟人讨论过,那时候是靠检验出来的、控制出来的还是结构设计出来的?我们的观点是首先有好的设计,当然了后期工序也是必须的,但是没有前期正确的设计方法,后面再怎么都做不到。

    我们选择电池组的时候,首先根据功率特性和经济效能选择材料体系,比如空间大、放电倍率低、安全性要求高的客车,多选用磷酸铁锂和石墨组成的能量型电池。而对空间、重量、成本都非常敏感的BEV/PHEV,比如乘用车多使用三元正极与石墨负极做成的三元电池。另一些只需要很大功率却不需要多少能量的应用,比如HEV,多使用负极钛酸锂和正极三元,或者其它的高倍率锂离子电池,也有使用镍氢高功率电池的。

其次,根据热管理方案、连接技术能力、安全管理要求和经济性要求选择单体的封装形式是方形、软包还是圆柱,以及其它新型封装。一般来说,圆柱型适合气体换热系统,因为18650的单位能量的表面积非常大,而且外壳坚固便于固定,即使挤压也不易破损,但是将大量18650可靠的连接起来是一项非常有挑战性的工作。软包电池很薄,而且很软,在充放电过程中,它的体积还会发生变化,必须有很靠谱的方法把它固定住,我们跟很多软包电池厂也学习了很多,怎样让它更好地工作。动力电池靠前的企业也出现过这样的情况,早期的电池经过长期震动,极耳的连接和固定是非常关键的,经过长期震动以后,极耳没准儿就可能会开裂,甚至折断。

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方形电池似乎是非常简单的了,但也有连接片折断,碰准后短路的情况发生,如果电连接螺丝松动,或者长时间以后腐蚀了会发生什么情况?当然是出现热点,甚至引起整个电池包的燃烧!有的厂家用很厚的塑料壳将方块电池封装的很厚,这种电池我是不敢用的,你测试过电池内部的温度梯度分布吗?刚才我们看到雄韬电源采用了特殊的方法,管式电池,这是非常好的思路,它把整个厚度控制住,内部也不会有太高的温度梯度。

用18650圆柱电池成组的挑战,特斯拉是怎么做到的呢?首先为什么选18650?因为它的产量最大,而且松下是全球做18650最成熟的一家。特斯拉后来采取了一些特殊的工艺配方改变原来的18650,提高了容量和安全性。然后特斯拉使用了复杂的液冷技术。最近网上流传了一篇文章,有一根水冷管围着电池转,确实很复杂。

一个是平时保持电池温度的一致性,另外“即使单一电芯发生热失控”,这一点特别重要,我个人认为真正可靠的系统允许出错,允许各种各样的失效模式,这套系统才是真正安全。特斯拉如果内部单一电芯发生热失控,热量额能够很快被冷却液吸收,避免周围单体也发生热失控的连锁反应。我们也做过实验,燃烧之后电池没有损坏,这样的系统才是真正具有商用价值的。

在这里面,特斯拉还采用了细细的金属丝连接18650的正负极,是为了在单一18650内部短路时能够熔断,避免周围并联的电池对它放电。金属丝软连接还有个好处是减少焊点的机械应力,避免长期震动后焊点脱落。最后我们也看到特斯拉的电池包里面用了防火墙分隔开,即使下面被刺穿,电池包有一个分隔,燃烧会变慢,使乘客有足够的时间逃生。这一点很重要,我们没有办法保证电池不燃烧,但是燃烧的话一定给乘客提供足够的逃生时间。在今年初3月份,特斯拉又出现了一次强烈装机,发生了燃烧,还没有定性到底是什么原因。

后来发现18650三元材料有很大好处,把这个作为重要的发展方向,开发了很多技术。特斯拉RoadStar用的是标准电池模块的串联,但MoleLS改用了整块电池包。因为ModeIS是全新设计的量产车,而RoadStar是实验车,作为量产车要采取整体设计的方案,可以最大限度地改善能量密度、经济性,并且大大提高整车的刚性,改善操控体验。

国内很少全新设计的电动车,多数也没有大批量生产的奢望,所以只能使用通用的模块。这是我们2012年设计的一个模块,五个模块串联起来,采用了比较特别的技术。每个模块和另外一个模块之间紧密结合,连接面特别大,而且电流是直接过来,不是其中一个点过去。以后有机会的话欢迎大家到欣旺达参观指导,我们会详细把这些跟大家分享。

18650标准电池模块如何保证安全性、一致性、可靠性、稳定性?实际上18650标准电池模块是最成熟的一款产品,内部有任何原因导致热失控,首先会导致隔膜闭孔,阻断电流。如果隔膜已经短路、内部温度继续升高使电解液分解,内压必然升高,使得CID动作,从正极切断总电流并将内压释放,气体喷出单体。只要出现热失控的单体泄压阀能正常动作,就不可能发生单体爆炸。日韩生产的18650失效概率大约在PPM数量级,泄压阀失效的概率也很低,组合在一起的机会就更小了。

任何锂离子电池都有燃烧的机会,但是因为尺寸小,如果配合适当的蛤蜊措施,单一18650燃烧是可以避免传递到周围单体的。任何单体生产设备都会有波动,导致产品性能指标随之发生波动。不管是大单体,还是小单体,都会造成初始一致性偏差。可靠性来源于原材料的质量、设计的合理性以及对加工过程的控制。特别强调的是模块内电流的均匀性和温度的一致性,对整体模块有很大影响。

    动力电池的制造,抛弃北欧模式,转为亚洲模式。这句话看起来有点夸张,但是么聚集了大量实力派汽车企业,他们对汽车的理解全球领先。那能不能把复杂的汽车工艺搬到流水线上,用亚洲积累的电子产品优势,一直做到模块、模组,在现场组装起来,就会非常简单,提高工程效率。

软包电池也有很多问题,实际做的时候都要考虑。说到焊接,最典型的电子行业都用的锡焊,锡焊时必须通过热传导,有可能把高温传递电池内部,所以不建议锡焊。电阻焊就是通常所说的“碰焊”,超声焊也是比较新的材料,据说可以将100层的铜箔或铝箔焊接成一片厚材。激光焊有两种不同的焊接模式,焊接效果是不一样的。说到BMS,多数BMS是巡检的,在动态变化情况下,测出来的电压往往是不同时间不同电流下,差距非常大。热管理,管还是不管,拿什么去管?很多企业认为功率不大,不用管。但是真正做了实验才知道,特别是连续用的出租车,要特别小心。高压部件,不可忽视的安全隐患,也是新能源汽车安全事故主要来源。

新能源汽车动力电池系统成组是一个系统工程,我们需要把电池连接起来,需要把电池固定应对各种情况,要应对不同的环境、不同的气候温度和载重、路面坡度,要准确检测每一串电池的电压和箱内温度,要准确测量总电压、总电流。