2016年11月26日—27日，百人會·清華大學新能源汽車產業高層研修班第三期四次課程在清華大學開課。目前，我國自主研發的核心零部件缺失，尚未形成技術壁壘，成為新能源汽車發展的潛在危險。掌握核心技術，提高產品性能及安全性，才能形成具有國際競爭力的品牌，支撐產業持續發展的根本保障。因此，此次課程的主題定為“電動汽車核心技術突破與創新”。

此次課程，CATL的產品開發總監胡建國為學員們帶來了精彩的內容。

動力電池已經成為電動車行業發展的瓶頸，其發展決定了電動汽車產業的發展。

新能源汽車分類包括混合動力、插電式混合動力、純電驅動等，其中電動化的程度越高，使用電池也越多，對企業而言就能賣更多電池。但是，電池越多，危險性也越大。

乘用車的電池包千差萬別的，因此，電池PACK的形狀要根據車形來。由于形狀的不規整，所以成組效率低。而商用車跟乘用車的區別很大，商用車的電池PACK形狀方方正正、規規矩矩。這與電池安裝的位置有關系。

動力電池與電動汽車的關系

1.與整車的關系。好的電池要為整車做到什么？在安全上，要做到任何情況下不起火、不爆炸、不排放有毒氣體；在性能上，無論是電壓、電量，還是充電功率都要滿足整車驅動的需要。

高能量密度有利于減重、長壽命、提高性價比。反過來說，整車也要對電池做貢獻，提供更好的安裝空間和防護空間。如果整車做不好，只依靠電池獨立保證性能非常難。

2.與使用、維護的關系。如何維保和應用，電池廠家有這個責任和義務定義好，既要方便用戶使用，又要保證用戶知道如何使用和維護。電池系統的三大技術，一是電芯技術，無論是材料，還是電池技術、工藝，它決定了電池的安全性、壽命；二是BMS，它給了電池系統智慧的大腦，指導電池不被濫用，這是管好電池、用好電池的基礎；三是成組技術，無論是從電芯到模組，還是模組到PACK。成組技術給電池包提供一個強壯的“身體”。

3.與充電的關系。動力電池系統是直流系統，它只接受直流電，交流和直流充電只是車樁界面區別，在整車跟充電樁的關系上面，是交流進整車還是直流進整車的區別。有一些商用客車還用到大功率雙槍充電，也有使用無線充電裝置的。

動力電池的類型和性能

1.電池的材料。電池的四大主材料，正極材料、負極材料（也叫陰極、陽極材料）、隔離膜和電解液。從材料層面來講，磷酸鐵鋰熱失控的觸發點是在800到1000度，三元材料大概在300多度，這是純粹講材料。但做成電池后，熱失控溫度就不能只看正極材料了。

石墨材料做的負極在高溫下，熱失控的負反應也是300多度，磷酸鐵鋰做成全電池以后也達不到800度，可能在300多度就開始會觸發熱失控。而三元做成全電池以后，雖然測試的熱失控溫度是300度左右，但其實觸發條件在130-150度之間就已經開始。

關于三元材料，光是材料本身，在溫度達到一定程度時，會觸發熱失控，產生氧氣和熱量，接下來會跟石墨的負極相互作用，各種副反應。電動客車安全技術條件出來以后，只要做的三元材料電池能夠通過熱失控檢測，或者說真正實際應用當中不出大問題，我覺得可以不用限值技術路線。

2.電池的封裝形式。電池的各種封裝形式，有圓柱形、方形、軟包等。國際上做得比較好的鋁殼電池，當初好多年前做的測試數據非常好，也測過比較貴的磷酸鐵鋰電池。不同的電池，18650特別好的優點就是成組很靈活，個頭小。軟包電池也是因為比較薄，成組也很方便。從安全性的措施角度看，方電池（結構）比較好做，我不能說方電池更安全，只是它的安全措施更容易做。

電池內部，動力電池正負極片工藝，有疊片工藝、卷繞工藝。疊片工藝就跟撲克牌一樣，卷繞工藝就跟瑞士卷一樣。18650是圓的卷繞，方電池是橢圓形的，生產效率會比較高，而且對設備的精度要求不像疊片那么苛刻，疊片做得好的是日韓，一般都做得非常好，設計工藝要求非常高。

3.電池成組。介紹一下動力電池成組的必要性。客車上為什么那么多電池串、并聯呢？因為無論是電壓還是電量，一般單個電池達不到要求。要滿足驅動的電壓要求，必須串聯，要滿足電量的要求，必須并聯。重點說一下，實際上無論是乘用車還是客車，其實都是既有串聯，又有并聯，混聯的結構。

先并聯還是先串聯？這里面看無論從電氣設計，還是管理系統設計都是有差異的，成本和性能都是有差異的。像快充，應該都是先串聯后并聯，否則電流過不了很大。

成組工藝包含了很多要素，其中最重要的有三個。一是機械性能。成組方式的防護是否到位；二是電連接。電連接是否連接妥當；三是熱管理。

4.電動汽車對電池的需求。電動汽車希望有動力電池能保證足夠的續駛里程，尤其像純電動車。首要關注的兩個因素就是成本、能量密度。至于充電的方便性、功率特性、環境適應性也需要關注。環境適應性要求電池防塵、防水以及適應各種環境溫度，還要保證不起火、不爆炸、耐用性、出勤率、可靠性。

平衡設計動力電池

在電動汽車的設計中，要有平衡的概念。要充分了解用戶需求，設計出來的產品不是為了通過標準測試，而是迎合消費者。以安全為中心，壽命、能量密度、功率密度、可靠性之間需要權衡。權衡以后，比如說能量密度和功率密度，在設計上有矛盾，而且能量密度大到一定程度，也會影響安全性的。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候，安全性問題就會變得越來越突出。

電池設計要平衡，指標不能光看電芯，還要看系統。舉個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。所以在做的時候，能量型電池不要求過很大電流，電子導電的極片做薄一點，讓電極材料涂得厚一點，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，經過隔離膜、電解液到對面去比較快。高能量要求可用的鋰電池數量多，高功率要求鋰離子跑得快。功率和能量密度同時做到世界第一，是做不到的。

目前，電動客車堅持用磷酸鐵鋰，因為三元電池沒解決熱失控這個問題。而乘用車都在用三元，為了優先保證能量密度（但系統熱失控也需要滿足逃生時間）。所以，不同的應用需求，可以做不同要素優先級的選擇。關于共性需求，目前的用戶調研，基本上，成本和能量密度在純電動里面還是放在最先的位置。

動力電池未來變化和發展趨勢

1.價格降低。在看后面幾年需求的變化和電池發展技術趨勢，比較通俗講，價格至少降一半，我們的目標是2020年完成。其實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好的事。

2.能量密度提升。能量密度將提升到現在的1.3倍到2倍，磷酸鐵鋰現在的行業平均水平130Wh/kg上下，但是有可能純磷酸鐵鋰有機會做到150~170Wh/kg。純的磷酸鐵鋰硅極材料用上去以后，有機會達到180Wh/kg。現在國家提出更高指標是350Wh/kg，系統能量要到260Wh/kg，國家提的要求更高一些。

3.循環壽命提高。現在乘用車和物流車使用的三元電池大多數是1000-2000次的循環壽命，但是現在也有些做2500次的，做混合動力的也有6000、7000次的也有。同樣的技術水平，功率型電芯設計到位的話，它的循環壽命會比能量型的長一些，基本上循環壽命提升到現在的2倍。磷酸鐵鋰可以從2000-4000次提升到10000次以上。

4.電芯、模組、電池包行業標準化。電芯、模組、電池包行業標準化是第四個趨勢。

電池開發設計的流程及技術

電池系統不好做的地方，在于它的化學系統受環境影響很大。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模型開發非常重要的一點就是分層設計、分層驗證，比如管理系統是一個小部件，把管理系統的需求加進去，設計開發出來，等到管理系統測試驗證好以后，做PACK的集成設計，然后再做到整車的集成設計，是一層一層非常嚴謹的開發設計流程。

1.機械設計。PACKGBT31467.3的16項安全測試都要做，還有火燒跟擠壓測試。對PACK來講，降成本、減重量，保證安全性和可靠性還存在矛盾，在進行安全設計時，既要考慮成本，又要考慮安全性、能量密度。PACK減重時，要考慮機械強度、機械壽命、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。分幾個方面分析IP67的控制，先看箱體加工，要保證箱體不會被破壞；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、導線跟插頭的關系、插頭跟插座的關系、插座跟箱體的關系。要特別注意設計的時候，連接器底座的固定方式是否需要使用盲孔，如果需要盲孔，而箱體里面設計的不是盲孔，再補加膠水也沒有用，長期來看是不行的。此外，安裝連接器的時候，對箱體的平面性是有要求的，當結構設計不合理，連接器底座和電箱密封也是會漏水的。

3.電池熱管理設計。電池熱管理設計分三大步驟。第一步是建立熱模型。有模型后，單個電池專門測試發熱點，建立功率和發熱模型的關系；第二步是系統熱設計。從機械結構的布局，熱傳導路徑，算它的熱阻回路；第三步是熱管理和策略，一個目的是防止熱失控，保證安全，另一個目的是為了電池的長壽命，控制一些應用功率，防止電池處于較高溫度。

4.水冷+熱冷熱管理系統。高溫區的應用有制冷系統，供冷水；高寒區的應用有加熱系統，供熱水。這兩個之間有一個切換功能。但是，目前即便是做出這個產品，也只能說能用，仍不完善。解決方法有兩個方向：低溫電池和速熱技術。

5.電池管理系統。BMS要具備保護和自我診斷功能。特別強調的是，管理系統能夠對電池做到自動維護、延長電池壽命。電池長期維護的關鍵是均衡，而在整車的電池包里，電池結構分布不同，溫度、并聯回路過電流存在差異，會讓電池功率的輸出不同。所處的溫度環境不一樣，性能也會慢慢離散，所以均衡是需要的。

我反對均衡的時候要用多大電流來標榜，那會帶來另外的安全和可靠性的問題。在均衡當中，要能夠時刻檢測出電池狀態、單體狀態，判斷均衡條件比執行均衡更重要，最好能夠提前判斷，防微杜漸。

主動均衡和被動均衡的區別是什么？主動均衡是“劫富濟貧”，電池狀態好的可以去救狀態差的。被動均衡是“劫富不濟貧”，就是把SOC高的容量放掉，達到一致的SOC，再在外面給電池組充電補上去。這里兩種方式的成本差異比較大，基本上是兩倍以上的關系。

BMS軟件分應用層和底層，APP跟BSW。應用層除了系統本身外，其實就是五個模塊：前處理、后處理、狀態估計、輸入、輸出。關于管理策略，電池的安全性和可用性是要兼顧的。設計的時候，其實在提高管理系統安全性的同時，也要提高用戶的體驗。

關于電池保護安全策略這一塊，其實電池最怕的是過充、過溫，也怕過放后再充電。安全保護要分級、分策略。充電安全方面，充電機的安全是很重要的問題，但目前充電機的質量、技術水平差別很大。

關于SOC算法。既要保證司機能夠安全地用SOC，不能虛高虛低，又要保證用戶不會覺得SOC亂變化，要有顯示策略。高壓保護也不說了，非常重要的是高壓保護的熔斷器和接觸器。特別重要的一點，直流耐壓不夠的話，在短路的時候不能有效分斷，所以耐壓一定要足夠。接觸器在高壓的時候要斷開它，選擇時也要考慮耐壓和過電流能力，還要注意跟結構設計相關的，我在這兩個電極上不要施加不當應力，破壞它的結構。

6.電池系統安全。關于電池系統安全，要從電芯材料和電芯設計的機理開始，就做到防熱失控。而在系統級做到防止熱擴散，這是全過程的控制。全方位安全（化學、機械、電氣和功能安全）中，化學安全要求不起火、不爆炸和阻燃性能，還包括不排放有毒氣體，也包括不發生熱失控，這些都是在化學安全里面。機械安全包括振動和IP等級，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概念擴展，通俗地講，就是當功能失效的時候不能產生安全事故。

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。可靠性是設計制造出來的，主要講系統設計分層分級去分析它的失效模式和影響，按照每一級去分解可靠性指標，這就是一個FMEA的概念，做DFMEA、PFMEA就是為了在設計開發階段就識別風險，會不會帶來可靠性問題，甚至帶來安全問題，把影響分析導出來，從嚴重度、發生頻率、可檢測度各個方面考慮，FMEA分析是必須要做的，這也是汽車產品開發的一環。

7.電池系統壽命。電芯壽命的評估，會把它放到電池包乃至整車系統的大環境下來評估。電芯評估有一個模型，用存儲壽命和循環壽命來評估用戶的使用壽命，存儲壽命和循環壽命的影響機理和因素是不一樣的。存儲壽命主要是化學因子影響，循環壽命是化學和機械的影響。在微觀來看，充放電循環中，電極片會膨脹收縮，SEI界面會出現微裂紋，修復裂紋會消耗鋰離子，影響壽命。

為什么功率型電池循環會相對好一些？因為功率性電芯的極片涂布壓實密度比較低，膨脹量相對小，機械應力小。反之，壓實密度越高膨脹越大，膨脹量相對大，機械應力大，對循環壽命影響大。所以說功率型的循環壽命會好過高能量型電芯。模型評估電池壽命的意義：比如一年時間，就能評估電池是否能存儲8年10年，500次以內的循環測試數據，就能預測全生命周期能不能達到5000次、3000次循環。

最后，說下目前市場很熱的東西：快充。快充電池系統必須至少滿足四個條件：電芯性能、過電流、熱管理和高壓連接安全防護等必須滿足。