王子冬：电动车用动力电池发展及面临的挑战

2015-07-14 11:17:53 零排放汽车网-专注新能源汽车,混合动力汽车,电动汽车,节能汽车等新闻资讯 网友评论 0 条

由电动汽车资源网全程操办的国内最大的新能源汽车产业技术盛会——“2015中国新能源汽车行业发展高峰论坛暨技术交流会”在东莞市松山湖凯悦酒店盛大举行。在本次会议上，国家863电动车重大专项动力电池测试中心主任王子冬研究员上台演讲，演讲主题是“电动车用动力电池发展及面临的挑战”。

王子冬：研究员，国家863电动车重大专项动力电池测试中心主任，1982年毕业于北京理工大学，至今工作于中国北方车辆研究所。2002年至今承担国家科技部“十五”863计划电动车重大专项动力蓄电池组性能检测测试基地建设的多个课题任务，其间负责起草制定汽车行业动力电池强检标准QC/T 742-2006、QC/T 743-2006、QC/T 744-2006。现任科技部“十二五”电动车重点专项责任专家，财政部、科技部、发改委、工信部四部委新能源汽车项目督查组专家。现在受国家发改委和科技部的委托，主要负责电动车用各种动力电池的测试、评价和产品认证工作。

挑战：

动力电池已成为我国电动汽车战略性新型产业发展的瓶颈技术。目前我国电池研究和生产企业众多，但总体实力不强，产业链条不完整，还面临着国外企业进入中国给我们造成的压力，在这样一个状态下，我们如何应对？

我们需要对前进中的深层次问题进行深入研究和系统思考，重点突破、稳步推进。

社会各方科研力量需共同努力，以支撑我国动力电池产业的可持续发展！创造机遇！

胜出者往往不是因为能力，而是观念！

补贴政策本身是一针对推行新能源车发展的催化剂，国家与地方政府齐上阵，让消费者购买新能源车得到双重实惠，可以有效促进新能源车的销量。但是大家要注意，任何一个产业，特别是新能源汽车产业，靠政府补贴是发展不起来的！

当然，推行新能源汽车仅靠政策扶持是远远不够的，快速发展相关配套设施建设，也尤为重要。目前，国家已经明确表示，申请示范城市或区域，必须制定新能源汽车累计推广量计划、配套设施建设等方面的计划。

国家最近又出台了购置新能源汽车可以减免购置税，鼓励大家购买新能源汽车。

2014年全世界电动车销量

2014年前10个月，据insideEV不完全统计，全球新能源乘用车共销售23.6万辆，其中美国独占41%，欧洲占33%左右，中国和日本各占12%左右，四个地区合计占据全球新能源汽车市场的98%左右。从各国新能源汽车占新车销量的占比来看，欧洲国家始终走在世界的前列。一些本国基本上没有自己的汽车工业的国家，在新能源汽车推广方面却走在了世界的前列。例如，欧洲的荷兰和挪威2013年新能源车占新车销售的比重都在5%以上，而传统汽车消费大国占比都不高，如美国今年前10个月新能源车销量仅占本国新车销量的 1.5%，而日本和德国仅占0.6%和0.4%左右。中国在2014年“史无前例”的政策刺激下，前10个月新能源销量仅占整个新车销量的大约0.2%左右。

总结前一阶段示范运行的情况

电动公交车的运行是否能够成功，前期基础设施建设、运营成本控制和电池组的性能提高，至关重要。

需要研究新型商业模式，引领动力电池产业化发展方向，明确动力电池的具体要求。

电池组与整车的生产，都需要有一定的工业基础和经验，不是简单凑数。

在没有动力电池生产经验的新电池厂参与，加上地方保护的补贴政策，透支了对所有人对于新能源汽车的推广热情。

一、电动车发展遇到的挑战

挑战1、电动汽车遭遇充电难

北京市电力系统规定：安装充电桩需要有停车位证明，否则会损害到其他汽车消费者的利益；北京市绝大部分小区都不具备用户专用停车位。

小区物业管理部门无权为电动车用户拉电力线，小区物业如何为电动车用户提供服务？

申请办理有关充电桩的程序，一般电动车用户不清楚，不知道该找谁？

有的老旧小区涉及电力改造，该由哪个部门负责？

充电难、安装充电桩难等问题，让很多拥有或者想去拥有电动汽车的市民止步不前。

决定电动车前途的不是成本，是效率！

制约纯电动车普及的最主要瓶颈，其实不是续航里程，因为多装电池，续航里程就高了，像特斯拉那样；也不是成本，随着普及程度的提高，成本终究有办法降下来，像亨利·福特的流水线之于汽车那样；决定一项新技术最终能否得到普及的，是效率。

这里指的不仅是能量转化效率，这方面纯电动是很高的，比传统内燃机高多了。是使用效率，目前纯电动车的比较好的充电水平，也只能做到20分钟充电80%（续航大约100-120公里）；假设平均车速是60km/h，也就是说，每开2小时车就要停下来充20分钟电！实际上，即使到处都是充电桩，你也不大可能随到随充，难免要排个队，假设前面有2辆车，那么你就要等1个小时！这样的效率，是无法作为日常交通工具使用的！
    所以，如果不能解决电动车能量快速补充问题，即使充电桩普及了，纯电动车也无法完全替代传统汽车，它也只能作为一种补充，适用于短距离移动。

挑战2、电动车动力电池遭遇低温充电难

目前的电动车，特别是电动公交车、电动出租车、私人电动车等大部分使用的是锂电池。北京、青岛、长春、唐山、包头的新能源汽车示范运行工作，都不同程度遇到了冬季充电困难的问题，使得冬季电动公交车的运力下降，很难保证正常运行。

问题分为两个层面：

一是低温环境下电池性能下降，好一点的下降10-15%，差一点的下降35%，这与材料状态、电池结构、生产工艺、外壳结构、热管理系统功能有关；

二是低温充电容易产生析锂现象，发生不可逆反应，使得电池容量和能量大幅度下降。严重的锂枝晶会刺穿隔膜，使电池短路，发生安全事故。

为什么是这个比例？

一、电芯成本

就目前的电池生产技术来说进行电芯成本分析：

1、100Ah磷酸铁锂电池材料成本：

正极材料0.8kg-100元、负极材料0.4kg-25元、隔膜5m2-40元、电解液0.5kg-40元、外壳40元/套、加工费55元，合计300元，相当于：0.938元/Wh；

2、100Ah三元材料锂电池的材料成本：

正极材料0.7kg-100元、负极材料0.4kg-25元、隔膜5m2-40元、电解液0.5kg-40元、外壳40元/套、加工费55元，合计300元，相当于：0.834元/Wh ；

3、100Ah锰酸锂材料电池的材料成本：

正极材料0.95kg-88元、负极材料0.4kg-25元、隔膜5m2-40元、电解液0.5kg-40元、外壳40元/套、加工费55元，合计288元，相当于：0.78元/Wh 。

电芯其它成本内涵：

设计费、测试费、模具费、开发费；

材料利用率、原材料采购成本、产品合格率；

设备折旧费、财务费用、销售费用、管理费、人员培训费；

税费、职工福利、保险费、企业利润。

目前由于批量小，各种费用摊销后电芯成本就变成2元/Wh以上了

电池组的成本

技术开发费用：

电池组有冬季充电加温系统，有夏天工作时要散热的系统，有使用中抗振动结构，有下雨天防水结构，有事故中防冲击结构，有连接的可靠性设计，有BMS可靠性设计；

系统增加的部件费用；

电池组有安装方便性考虑，有维修检查的方便性结构；

性能测试费、可靠性考核费；

设备折旧费、人员培训费、产品的运输费；

财务费用、销售费用、管理费、税费、福利费、保险费、企业利润。

企业的隐形成本。

加起来电池组的成本就变成3元/Wh以上了。

挑战4、安全性

动力电池的安全对于电动汽车产业的发展至关重要。近年来，随着各种节能与新能源汽车试点和实际运营数量的增多，安全事故时有发生，事故的分布从纵向看：

在加工、制造、化成搁置、运输、测试、使用、充电维护、回收各个环节上，都出现过问题。

从横向看：国内外在手机、电脑、电动自行车、电动摩托车、电动轿车、电动公交车、混合动力车等领域应用过程中，也都出现过问题。

目前动力电池出现问题多数是在充电时发生，低温充电增加了出现问题的概率。

如何提高动力电池的可靠性与安全性成为当前业界关注的焦点。

挑战5、长寿命使用 所谓的电池一致性、可靠性

1）生产过程中对电池一致性的控制能力，这可以通过自动化生产设备和“正确的生产工艺”得以控制（寻找到能够控制产品质量的工艺方法这点很重要）。另外电池的结构设计要符合大规模机械化生产设备的要求。

2）使用过程中对电池一致性的控制能力也很重要。

　a。合理的电池结构减少低温环境下的电池自身温度不平衡；

　b。采用尽可能减小电池接触电阻的连接方式，提高电池组的功率性能，同时减少电池的局部温升；

　c。注重每一个电池表面的冷却效果，选择科学、合理的通风结构，使整个电池组的温度场得以均匀，以保证电池组在低温环境中使用过程中的环境一致性。

影响动力电池系统的安全性和可靠性的相关因素

挑战6、电动车开发、使用、推广的商业模式？

自行车      电动自行车，没有太在意价格问题；

固定电话      移动电话，更没有在意价格问题；

汽车      电动车,大家都在问成本问题。为什么？

问题的关键是：

电动汽车没有像电动自行车、移动电话那样为你的用户提供出超值享受！或者为用户解决了难题！也就是没有体现出用户的附加值！用户最关心使用电动车需要有什么功能？电动自行车和移动电话有政府补贴吗？

动力电池应具备的基本条件

新能源汽车动力电池系统特点

新能源汽车动力电池系统开发涉及材料、化学、机械、热力学、传热学、流体力学、电学、系统与控制多个学科，其关键技术包括电池组配技术、热管理技术、电能管理技术和安全管理技术等。车用动力电池系统技术己成为电动汽车走向普及的瓶颈，需要从材料开发、电池设计、生产制造、系统集成、商业模式等多方面进行探索和突破。

电动汽车动力电池组技术难点

动力电池测试评价体系的建立；

使用的动力电池分选和一致性控制；

动力电池充电的安全机理分析；

动力电池模块热、电结构设计和验证；

动力电池长寿命使用成组技术研究；

动力电池模块化和规格化研究。

梳理社会上对电动车行业动力电池理解的误区：

1）电池能量密度高就走的远

实际上电动车能够走多远与携带的总能量有关，与电池能量密度关系有限；

2）三元材料比磷酸铁锂好

实际上这个比较不公平，存在不可比的因素，磷酸铁锂可以做大容量，三元材料只能做小容量。

磷酸铁锂寿命、高温特性和安全性比三元材料好，能量密度和低温性能不如三元材料好。

至于磷酸铁锂和三元材料谁能够用在哪个电动车上？要看那个电动车的使用要求而定。

3）电动车需要的动力电池谁都会做

会做电池，不代表会做出好电池；会做消费类电子产品用电池，不代表会做电动车用动力电池。电动车用动力电池是所有二次电池中使用要求最高的，也是最难做的。

4）用单体电池的性能代替电池组性能

电池组与单体电池的性能存在差异，有电芯不等于有电池组，由于集成技术水平的差异，电池成组后会造成性能下降，下降程度在10-40%。；

5）要求动力电池生产企业将电池的一致性做到很好

实际上动力电池生产环节的一致性可以控制在电压差20-30mV、容量差1-2%；而动力电池组合技术低，会造成电池组的不一致性，电压差会增加到80-200mV、容量差8-15%。单体电池的不一致性的影响度只占电池组内电池不一致性的20%，不是主要矛盾。所以说动力电池成组技术很关键。

6）电动车放电的容量与能量是什么关系不清楚

放电的容量与能量不一样，电动车行驶需要消耗能量，特别是低温放电可以放出80%的容量，实际可用放出的能量可能不到60%了。因为电动车行驶所消耗的能量中还包括了电池组电压的变化量，而放电容量的测试是不包含电池组电压变化量的。

7）用全部电芯价格来衡量电池组的价格 

电芯的价格不等于电池组价格，电池组的价格还要包含：管理系统、箱体、热管理、各种保护执行机构、支架、吊钩等部件。不同的设计要求，这些部件也会有所不同；

二、国内外动力电池对标测试

一）国内外动力电池对标测试

主要技术指标及完成情况：

国内外典型动力电池样品

能量型电池能量密度比较结果

低温性能

高温性能

荷电保持时的容量保持率比较结果---相对初始容量

500次循环后单体的容量保持率比较结果

国内外电池一致性对比

国内80Ah磷酸铁锂电池模块C/3放电时单体电压曲线

 SK20Ah三元电池模块C/3放电时单体电压曲线

? 根据统计的新能源汽车用动力电池的强制性检测来看国内以磷酸铁锂材料锂电池为主，存在的主要问题是电池一致性较差，能量密度较低。

? 而国外送检的新能源汽车用动力电池以三元材料为主，能量密度高，电池一致性好。

? 国外三元材料锂电池安全性有较大进展，可通过针刺和挤压等安全性试验。除了材料本身安全性提高之外，在电池容量大小设计、连接结构设计上也采用提高安全性的方式，高安全性的三元材料将是锂离子电池今后几年的发展趋势；

在现有的新能源汽车动力电池中，锂离子电池生产成本相对较低，重复充电非常方便，相比其他可携带能源具有更高的成本优势。因此，这类电池成为了目前最受欢迎的动力源。

三、电动车用电池组设计难点分析

电动车动力系统开发遇到的挑战

产品的挑战：电动车在使用中要考虑的因素

1、道路条件：水泥路、柏油路、泥泞路、沙土路、涉水路、冰雪路、上下长坡路、石子路、扭曲路、搓板路。

2、气候条件：春、夏、秋、冬交替，短时间里的温度变化率，雨水、冰雪、风沙、霜冻、高温、湿热。

3、运行工况：需要的功率、能量，载荷的大小、速度的快慢、夏天堵车、冬天堵车、能够行走的距离。

4、车辆使用的时间：每天都用、用得多和用得少、间隔使用、等待维修期间电池性能下降、随着使用时间的延长性能逐渐下降。

5、功率和能量的下降：满电态和低电态不同、冬天和夏天的不同、新的和旧的不同。

6、可以接受的价格：有传统燃油车的对比、有第一次购买时的价高（不包括租赁电池）、是否存在一定安全性问题、行驶距离降低的影响、补充能量的时间长短和及时性问题、可靠性和稳定性问题。

7、使用过程中的成本：维修成本的不确定性（应该比传统燃油车低，实际高）、更换零部件的及时性、换第二套电池的不确定性。

动力电池组面临的挑战

指标：能量密度 功率密度 一致性 安全 寿命 可靠性 

应用中观念不同的例子有很多，如：电动车和储能用动力电池的寿命和功率特性

寿命要求：在电动车和储能领域，对电池组的寿命要求，不是100%DOD循环2000次，而是在全寿命周期中能够提供的总能量（kWh），因为这意味着电动车能够行驶的总里程，以及在储能应用中能够使用的时间长短，15年？还是20年？一般为了达到要求，电池组的工作区间在20-90%，国外就是这样做的。

功率要求：不是电池可以以多少C放电（放电的倍率），而是以一个需要的工作电流（A），在不低于电动机工作电压下限的情况下，可以工作多少时间？（如20s、30s、60s），电池组的能力与电池组的容量状态、温度、已使用时间的长短有关。

电池企业需要提供针对使用要求的电池可用能量，而不是现在企业提供的参数。

国外企业对电池组的评价研究