重慶車輛檢測研究院新能源中心張凱慶：動力電池體系最新技術進展及其測試評價技術研究
圖為重慶車輛檢測研究院新能源中心電池室主任張凱慶在CBIS2018“鋰想”峰會上發表主題演講
戳此進入峰會官方專題，了解更多會議信息：“鋰想”2018第三屆動力電池應用國際峰會(CBIS2018)
2018年11月8日，以“新時代·破而立：前行中的產業轉折之路”為主題的“鋰想”2018第三屆動力電池應用國際峰會(CBIS2018)在北京興基伯爾曼飯店開幕。重慶車輛檢測研究院新能源中心電池室主任張凱慶在峰會上發表主題演講，以下為主題演講內容。
重慶車輛檢測研究院新能源中心電池室主任張凱慶：
各位與會的專家，各位領導，大家上午好！我是國家客車質量監督檢驗中心張凱慶，我今天演講的題目是“動力電池體系最新技術進展及其檢測評價技術研究”。分以下三方面給大家進行分享：
第一部分，從電動汽車用動力電池技術的現狀。
1，從單體和模組開始。
下面這張表可以看到，目前法規試驗的測試項目和測試要求，從測試對象方面大家可能也比較熟知了，單體電池包括電池模組，目前法規對電池單體和模組最基本的要求，包括三方面：穩定性、經濟性、安全性。循環方面一定要有循環穩定性；經濟性就是大家現在提的比較多的能量密度高，對于整車就是續駛里程要足夠長；安全性，包括熱、電的安全性。
這張表格就是目前現行法規安全性的幾個項目，包括過充、過放、過溫、短路、海水浸泡、低氣壓、溫度循環的項目，還有實驗的要求，不起火、不爆炸。
這張表格是國家提出來要避免劣幣驅逐良幣之后和之前數據的對比。左邊這張圖就是2016年12月16日，大家都知道這個日期，就是對能量密度提出的具體指標要求，之前的數據大家可以看得出來，當時是電動汽車上有各種體系的電池，甚至包括鉛酸電池也有用，大家可以看能量密度，當時磷酸鐵鋰最高的就是121瓦時/公斤，這個三元材料當時是一個國外品牌的他們也能做到262瓦時/公斤。但是從能量密度指標提出一個具體要求之后，大家可以看到，國內技術水平的進步，尤其是磷酸鐵鋰，從我們中心測試的值大家可以看出來，現在能量密度值磷酸鐵鋰最大值已經達到了167瓦時/公斤，三元材料也能做到285瓦時/公斤，尤其是看平均值，平均值的提高幅度還是挺大的。
大家也可以看到，2020年國家的目標，就是達到300瓦時/公斤，從2016年、2017年科技部的重大專項。這張表格，目前的動力電池汽車上用的四種主流的體系，包括磷酸鐵鋰、三元、錳酸鋰、三元鈦酸鋰的安全項，大家可以看到磷酸鐵鋰，從近幾年的技術進步和技術研究，可能對在熱失控，包括過充、過放，控制的情況，已經有了一個很樂觀的現狀。大家可以看到，三元包括錳酸鋰，幾種目前比較容易造成熱失控的試驗項目，包括過充、短路、加熱，幾個實驗項目的通過率還是比較低的。我跟大家分享這個表格的一個目的是，電池企業針對性的研究，包括整車企業的一些進貨檢驗，怎么去設置試驗檢測項目，以及設置試驗檢測的頻率。
這部分就是電池系統目前的現狀，大家可以看到幾個試驗項目，包括機械安全性、環境安全性、功能安全性16個試驗項目，測試對象包括電池包和電池系統。安全性方面大家可能比較熟知的包括安全、經濟、穩定。第二條我寫出來的是環保性，目前大家可能知道，車企，乘用車、城市客車車有車內空氣質量TVOC車內可揮發有機物的檢測，如果排除了所有可能的情況造成不合格的原因，大家可以去排查一下動力電池包的配件是不是甲醛含量太高、可揮發有機物太高。
這個柱狀圖目前就是從系統層級的機械方面安全性通過率的情況，大家可以看出來，包括從修改單之前和修改單之后，已經是機械安全性比較難通過的兩個試驗項目，大家可能覺得前一段說修改單修改了是不是對標準的要求放松了？大家可以看出來，實際修改是充分考慮一個整車防護，另外電池包的防護，充分考慮兩種要求之后的決定。
這個就是環境包括電化學功能安全性的通過率，大家可以看到，從高海拔、海水環境，都有一定的不通過的情況，大家可以在電池包的設計上充分考慮這幾個試驗項目，包括加熱過程中、海水、鹽霧過程中可能出現高溫高濕，對電池包有一定的危害。短路保護方面，大家可能覺得短路保護是一個繼電器和熔斷器的雙重保護的狀態，是很難有不通過的，但是大家可能下面的試驗驗證不夠充分，不是很了解包括電池包整體的內阻，可能熔斷器的選型上也有可能出現導致短路的情況。短路電流包括短路時候發熱量不足以把熔斷器燒斷，有可能導致繼電器的爆炸，甚至繼電器粘連電池包的爆炸。
這組數據就是在電池系統層級的，左邊這張圖就是在上一輪補貼，大家也都知道，物流車95瓦時/公斤、電動客車115瓦時/公斤，上一個補貼年度的測試數據，當時磷酸鐵鋰126瓦時/公斤，三元材料系統是138瓦時/公斤。不知道大家有沒有對之前的一個系統能量密度數值有一定的印象，大概測試數值就是這樣一個狀態。
右邊這張圖就是現行的這輪補貼，我們中心測試的包括鐵鋰系統、三元系統的最大值，包括昨天楊院士也說了，目前磷酸鐵鋰系統的能量密度能達到151瓦時/公斤，但是我們中心測值能達到149瓦時/公斤，三元材料能達到174瓦時/公斤，從平均值方面提高幅度大家可以看到有30%之多，兩年時間。
這部分是熱失控，一般對熱失控的測試對象，包括BMS管理的最小控制單位。從擴展方面，試驗方法、試驗對象是可以選擇的，包括測試對象，整車企業我可以拿一輛整車去做熱失控，燃料電池企業也可以選擇電池系統熱失控，也可以選擇電池系統的子系統完成熱失控過程。觸發包括加熱、針刺等三種方式。
咱們在場可能有很多做電池包括電池系統的研究和設計的一些專家。可能考慮電池和電池系統極端濫用的情況，首先是強降雨之后整車涉水的極端情況，通過網絡的報道也能看出來當城市強降暴雨之后有一些涉水行駛的情況，也發生過因為涉水行駛導致電動客車、電動汽車電池包的鼓脹。還有整車進水，主要是夏天的時候城市內澇，包括城市管網的排水系統，甚至導致汽車、電動汽車、電動客車在暴雨里有一個12小時、24小時的長時間浸泡，包括上年的時候江蘇有一起網絡報道的事件，泡了24小時直接燒成鐵殼了。
熱失控應該考慮另一個極端情況，就是追尾和側碰，江蘇上半年一個寶馬車直接闖紅燈撞上來了，這就是極端情況，也會導致電池包的熱失控。
這部分是充電安全，但是充電安全是系統的概念，因為系統安全不單涉及到電池和BMS，還涉及到充電樁以及充電樁的控制策略。這個是高溫擱置，一般會導致內部短路，還有就是長時間的暴曬，電池包包括電池系統可能因為隔熱、絕熱防護不夠而導致一些電池安全的發生。另外就是最極端的情況，包括追尾、碰撞導致大量的變形，導致短路擠壓，導致熱失控。
這是我們行業的現狀，磷酸鐵鋰包括磷酸鐵鋰擴散方面，從標準的檢測的角度大家可以看到它的安全性相對來說還是比樂觀的，錳酸鋰、鈦酸鋰，大家充分考慮電池包物理部分的防護，另外就是BMS可靠性、循環穩定性的防護，大家可以看到三元材料，目前三元材料體系的電池包、電池系統一直沒有應用到客車上的原因，就是因為包括從單體熱失控以及系統三種處罰方式，目前都是沒有通過率的，從我們中心的測試數據來看。
這是第一部分的小結，目前單體層級能量密度能夠達到167瓦時/公斤，三元284瓦時/公斤，系統層級目前能量密度是磷酸鐵鋰149瓦時/公斤，三元體系174瓦時/公斤。在行業快速發展的同時，各種問題已然存在，尤其是前一段時間接二連三有電動汽車起火、燃燒的情況。基礎研究包括測試驗證，應該放在最重要的環節。另外，從動力電池單體到系統、到整車是一個閉環聯動的狀態。電池企業應該了解整車企業的要求，整車企業也應該允許供應商參與到整個正向開發的過程中的。
第二部分，動力電池體系的技術趨勢。
我把所用到的動力電池的體系都列舉了一下，包括最早的鉛酸、鎳氫、鋅空氣、鋰離子電池、鉛酸電池，通過這個發展大家就有比較明確的應用方向，包括對動力電池體系有一個重量比能量、體積比能量、倍率快充、溫度適應性這塊，從優點多、缺點少的角度，大家可能知道脫穎而出的就是超級電容器和鋰離子電池，超級電容主要用于弱混合和后續的啟停這種體系，鋰離子電池是目前研究的一個熱點。
這部分分享鋰離子電池不同時期的情況，最早2008年之前，這個數值大概就是以前動力電池正極材料，一般用鈷酸鋰，還有層狀的鎳酸鋰和層狀的錳酸鋰，這個時期的動力電池正極材料的缺點，包括成本高、熱穩定性差。這部分還是目前主流的部分，包括尖晶石狀的鐵酸鋰、錳酸鋰，這部分實踐持續的最長，這個時期的材料能量密度的要求已經逐漸滿足不了市場的需求，尖晶石錳酸鋰也存在熱穩定性的問題。
這個階段就是目前走的相對靠前的一些企業所采用的方式，包括多陰極體系，昨天當升的陳總都介紹了。現在通過多陰極、622包括富鋰材料，通過多陰極的方式，逐步提高公司無法兼容安全性和能量密度高的情況。最后一個情況就是目前比較主流的，走的相對靠前的產業化研究前沿的階段，目前采用的就是811以及鎳錳兩元正極材料，就是大家所說的鎳鈷鋁。
負極材料包括硬碳、軟碳，天然的、人工的，碳材料應用范圍是最廣的，但是已經成為提高動力電池能量密度的一個短板。硅基昨天專家也都介紹了，包括一些鼓脹、一些脫落都有可能發生。目前大家可能比較集中做的就是硅炭的多陽極的體系，就是硅炭產業目前是研究的熱點，包括非金屬的氧化物的狀態。
這部分有一個小結，目前咱們行業可能過多的把研究方向定到正極材料了，但是實際上動力電池是一個體系，因為電解液包括負極甚至殼體都是提高性能的方向，去優化正極，包括硅炭材料，包括非金屬氧化物在負極材料的應用，都可以有效提高負極的比能量。熱點話題就是全固態鋰離子電池，也是同時優化正負極以及全產業鏈的系統工程，從中長期，也是動力電池整個產品體系上的一個變化。
最后一部分，我們從動力電池的測試評價體系做的一些工作，包括出廠、倍率安全、研究水平、循環性能以及其他方面的研究，從右邊這塊可以看出來一些目前企業設置的試驗項目，包括國家法規設置的試驗項目。
安全水平待會兒展開說一下，其他部分也有一個測試評價，從熱失控方面一般采用的方式交流阻抗、絕熱、涼熱、升溫等還有常規的部分，這部分把安全等級和安全標準的分類，從防火、防水、機械安全做了6—7個方面的研究，首先法規的層級符合不符合，我們往前走了一步，是不是符合C—NCAP的要求，目前這是整車企業準入審查的具體要求，整個產業鏈、整個體系的研究，包括人員能力，包括設備能力，以及體系文件，體系文件的執行能力，人員需要有能夠支撐從進貨到最后銷售售后的人員，人員的能力要充分的適宜，做研發的、做產業化的。包括設備能力，包括精度、體系文件的執行能力，這是一個完整的產業鏈。
這個就是今天我給大家分享的一個主要內容。謝謝大家！
（根據嘉賓現場演講整理，未經本人審閱）
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