张凯庆：动力电池体系最新技术进展及其测试评价技术研究

图为重庆车辆检测研究院新能源中心电池室主任张凯庆在CBIS2018“锂想”峰会上发表主题演讲

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2018年11月8日，以“新时代·破而立：前行中的产业转折之路”为主题的“锂想”2018第三届动力电池应用国际峰会(CBIS2018)在北京兴基伯尔曼饭店开幕。重庆车辆检测研究院新能源中心电池室主任张凯庆在峰会上发表主题演讲，以下为主题演讲内容。

重庆车辆检测研究院新能源中心电池室主任张凯庆：

各位与会的专家，各位领导，大家上午好！我是国家客车质量监督检验中心张凯庆，我今天演讲的题目是“动力电池体系最新技术进展及其检测评价技术研究”。分以下三方面给大家进行分享：

第一部分，从电动汽车用动力电池技术的现状。

1，从单体和模组开始。

下面这张表可以看到，目前法规试验的测试项目和测试要求，从测试对象方面大家可能也比较熟知了，单体电池包括电池模组，目前法规对电池单体和模组最基本的要求，包括三方面：稳定性、经济性、安全性。循环方面一定要有循环稳定性；经济性就是大家现在提的比较多的能量密度高，对于整车就是续驶里程要足够长；安全性，包括热、电的安全性。

这张表格就是目前现行法规安全性的几个项目，包括过充、过放、过温、短路、海水浸泡、低气压、温度循环的项目，还有实验的要求，不起火、不爆炸。

这张表格是国家提出来要避免劣币驱逐良币之后和之前数据的对比。左边这张图就是2016年12月16日，大家都知道这个日期，就是对能量密度提出的具体指标要求，之前的数据大家可以看得出来，当时是电动汽车上有各种体系的电池，甚至包括铅酸电池也有用，大家可以看能量密度，当时磷酸铁锂最高的就是121瓦时/公斤，这个三元材料当时是一个国外品牌的他们也能做到262瓦时/公斤。但是从能量密度指标提出一个具体要求之后，大家可以看到，国内技术水平的进步，尤其是磷酸铁锂，从我们中心测试的值大家可以看出来，现在能量密度值磷酸铁锂最大值已经达到了167瓦时/公斤，三元材料也能做到285瓦时/公斤，尤其是看平均值，平均值的提高幅度还是挺大的。

大家也可以看到，2020年国家的目标，就是达到300瓦时/公斤，从2016年、2017年科技部的重大专项。这张表格，目前的动力电池汽车上用的四种主流的体系，包括磷酸铁锂、三元、锰酸锂、三元钛酸锂的安全项，大家可以看到磷酸铁锂，从近几年的技术进步和技术研究，可能对在热失控，包括过充、过放，控制的情况，已经有了一个很乐观的现状。大家可以看到，三元包括锰酸锂，几种目前比较容易造成热失控的试验项目，包括过充、短路、加热，几个实验项目的通过率还是比较低的。我跟大家分享这个表格的一个目的是，电池企业针对性的研究，包括整车企业的一些进货检验，怎么去设置试验检测项目，以及设置试验检测的频率。

这部分就是电池系统目前的现状，大家可以看到几个试验项目，包括机械安全性、环境安全性、功能安全性16个试验项目，测试对象包括电池包和电池系统。安全性方面大家可能比较熟知的包括安全、经济、稳定。第二条我写出来的是环保性，目前大家可能知道，车企，乘用车、城市客车车有车内空气质量TVOC车内可挥发有机物的检测，如果排除了所有可能的情况造成不合格的原因，大家可以去排查一下动力电池包的配件是不是甲醛含量太高、可挥发有机物太高。

这个柱状图目前就是从系统层级的机械方面安全性通过率的情况，大家可以看出来，包括从修改单之前和修改单之后，已经是机械安全性比较难通过的两个试验项目，大家可能觉得前一段说修改单修改了是不是对标准的要求放松了？大家可以看出来，实际修改是充分考虑一个整车防护，另外电池包的防护，充分考虑两种要求之后的决定。

这个就是环境包括电化学功能安全性的通过率，大家可以看到，从高海拔、海水环境，都有一定的不通过的情况，大家可以在电池包的设计上充分考虑这几个试验项目，包括加热过程中、海水、盐雾过程中可能出现高温高湿，对电池包有一定的危害。短路保护方面，大家可能觉得短路保护是一个继电器和熔断器的双重保护的状态，是很难有不通过的，但是大家可能下面的试验验证不够充分，不是很了解包括电池包整体的内阻，可能熔断器的选型上也有可能出现导致短路的情况。短路电流包括短路时候发热量不足以把熔断器烧断，有可能导致继电器的爆炸，甚至继电器粘连电池包的爆炸。

这组数据就是在电池系统层级的，左边这张图就是在上一轮补贴，大家也都知道，物流车95瓦时/公斤、电动客车115瓦时/公斤，上一个补贴年度的测试数据，当时磷酸铁锂126瓦时/公斤，三元材料系统是138瓦时/公斤。不知道大家有没有对之前的一个系统能量密度数值有一定的印象，大概测试数值就是这样一个状态。

右边这张图就是现行的这轮补贴，我们中心测试的包括铁锂系统、三元系统的最大值，包括昨天杨院士也说了，目前磷酸铁锂系统的能量密度能达到151瓦时/公斤，但是我们中心测值能达到149瓦时/公斤，三元材料能达到174瓦时/公斤，从平均值方面提高幅度大家可以看到有30%之多，两年时间。

这部分是热失控，一般对热失控的测试对象，包括BMS管理的最小控制单位。从扩展方面，试验方法、试验对象是可以选择的，包括测试对象，整车企业我可以拿一辆整车去做热失控，燃料电池企业也可以选择电池系统热失控，也可以选择电池系统的子系统完成热失控过程。触发包括加热、针刺等三种方式。

咱们在场可能有很多做电池包括电池系统的研究和设计的一些专家。可能考虑电池和电池系统极端滥用的情况，首先是强降雨之后整车涉水的极端情况，通过网络的报道也能看出来当城市强降暴雨之后有一些涉水行驶的情况，也发生过因为涉水行驶导致电动客车、电动汽车电池包的鼓胀。还有整车进水，主要是夏天的时候城市内涝，包括城市管网的排水系统，甚至导致汽车、电动汽车、电动客车在暴雨里有一个12小时、24小时的长时间浸泡，包括上年的时候江苏有一起网络报道的事件，泡了24小时直接烧成铁壳了。

热失控应该考虑另一个极端情况，就是追尾和侧碰，江苏上半年一个宝马车直接闯红灯撞上来了，这就是极端情况，也会导致电池包的热失控。

这部分是充电安全，但是充电安全是系统的概念，因为系统安全不单涉及到电池和BMS，还涉及到充电桩以及充电桩的控制策略。这个是高温搁置，一般会导致内部短路，还有就是长时间的暴晒，电池包包括电池系统可能因为隔热、绝热防护不够而导致一些电池安全的发生。另外就是最极端的情况，包括追尾、碰撞导致大量的变形，导致短路挤压，导致热失控。

这是我们行业的现状，磷酸铁锂包括磷酸铁锂扩散方面，从标准的检测的角度大家可以看到它的安全性相对来说还是比乐观的，锰酸锂、钛酸锂，大家充分考虑电池包物理部分的防护，另外就是BMS可靠性、循环稳定性的防护，大家可以看到三元材料，目前三元材料体系的电池包、电池系统一直没有应用到客车上的原因，就是因为包括从单体热失控以及系统三种处罚方式，目前都是没有通过率的，从我们中心的测试数据来看。

这是第一部分的小结，目前单体层级能量密度能够达到167瓦时/公斤，三元284瓦时/公斤，系统层级目前能量密度是磷酸铁锂149瓦时/公斤，三元体系174瓦时/公斤。在行业快速发展的同时，各种问题已然存在，尤其是前一段时间接二连三有电动汽车起火、燃烧的情况。基础研究包括测试验证，应该放在最重要的环节。另外，从动力电池单体到系统、到整车是一个闭环联动的状态。电池企业应该了解整车企业的要求，整车企业也应该允许供应商参与到整个正向开发的过程中的。

第二部分，动力电池体系的技术趋势。

我把所用到的动力电池的体系都列举了一下，包括最早的铅酸、镍氢、锌空气、锂离子电池、铅酸电池，通过这个发展大家就有比较明确的应用方向，包括对动力电池体系有一个重量比能量、体积比能量、倍率快充、温度适应性这块，从优点多、缺点少的角度，大家可能知道脱颖而出的就是超级电容器和锂离子电池，超级电容主要用于弱混合和后续的启停这种体系，锂离子电池是目前研究的一个热点。

这部分分享锂离子电池不同时期的情况，最早2008年之前，这个数值大概就是以前动力电池正极材料，一般用钴酸锂，还有层状的镍酸锂和层状的锰酸锂，这个时期的动力电池正极材料的缺点，包括成本高、热稳定性差。这部分还是目前主流的部分，包括尖晶石状的铁酸锂、锰酸锂，这部分实践持续的最长，这个时期的材料能量密度的要求已经逐渐满足不了市场的需求，尖晶石锰酸锂也存在热稳定性的问题。

这个阶段就是目前走的相对靠前的一些企业所采用的方式，包括多阴极体系，昨天当升的陈总都介绍了。现在通过多阴极、622包括富锂材料，通过多阴极的方式，逐步提高公司无法兼容安全性和能量密度高的情况。最后一个情况就是目前比较主流的，走的相对靠前的产业化研究前沿的阶段，目前采用的就是811以及镍锰两元正极材料，就是大家所说的镍钴铝。

负极材料包括硬碳、软碳，天然的、人工的，碳材料应用范围是最广的，但是已经成为提高动力电池能量密度的一个短板。硅基昨天专家也都介绍了，包括一些鼓胀、一些脱落都有可能发生。目前大家可能比较集中做的就是硅炭的多阳极的体系，就是硅炭产业目前是研究的热点，包括非金属的氧化物的状态。

这部分有一个小结，目前咱们行业可能过多的把研究方向定到正极材料了，但是实际上动力电池是一个体系，因为电解液包括负极甚至壳体都是提高性能的方向，去优化正极，包括硅炭材料，包括非金属氧化物在负极材料的应用，都可以有效提高负极的比能量。热点话题就是全固态锂离子电池，也是同时优化正负极以及全产业链的系统工程，从中长期，也是动力电池整个产品体系上的一个变化。

最后一部分，我们从动力电池的测试评价体系做的一些工作，包括出厂、倍率安全、研究水平、循环性能以及其他方面的研究，从右边这块可以看出来一些目前企业设置的试验项目，包括国家法规设置的试验项目。

安全水平待会儿展开说一下，其他部分也有一个测试评价，从热失控方面一般采用的方式交流阻抗、绝热、凉热、升温等还有常规的部分，这部分把安全等级和安全标准的分类，从防火、防水、机械安全做了6—7个方面的研究，首先法规的层级符合不符合，我们往前走了一步，是不是符合C—NCAP的要求，目前这是整车企业准入审查的具体要求，整个产业链、整个体系的研究，包括人员能力，包括设备能力，以及体系文件，体系文件的执行能力，人员需要有能够支撑从进货到最后销售售后的人员，人员的能力要充分的适宜，做研发的、做产业化的。包括设备能力，包括精度、体系文件的执行能力，这是一个完整的产业链。

这个就是今天我给大家分享的一个主要内容。谢谢大家！

（根据嘉宾现场演讲整理，未经本人审阅）