整车厂对动力电池性能有哪些要求？附开发流程和发展趋势

车厂对动力电池的开发流程

以北汽为例，基于整车的开发总体流程如下：

北汽的整车EVDP流程，每级子系统的开发验证流程要先于母系统，保证产品开发过程的可靠性。以上是基于电池系统与电芯同步开发情况下定义的开发流程。根据实际开发情况，会优先选择成熟度高的电芯产品。

上汽集团共把它分为四个阶段：预筛选-电池确认和评估-单体确认和评估-系统验证。各个阶段都有严格的测试流程和控制。

电芯类型的选择

电芯从正负极材料的角度来看目前有NCM(111，523，622，811)，LCO，LFP,LMO，LTO等。车企要从能量密度，功率特性，循环寿命和安全性的维度进行筛选。另外从电池封装形状上又可分为圆柱，软包(叠片和卷绕)，方形(叠片，卷绕，并联卷绕)。各个类型的电芯主要特点总结如下：

电池测试评价体系

三横四纵评价体系。三横:以电芯为核心的关键零部件、电池模组、电池系统三大产品维度，根据不同开发阶段开展不同的测试评价; 四纵:认可试验、标定试验、拓研试验、虚拟验证四大试验类型，验证项目近158项，其中系统热安全、电安全及机械安全33项。其中热安全又包括11子项，29分项; 电气安全包括15子项，33分项; 机械安全包括17子项，35分项;

认可实验

五步四级电芯管理办法，包括技术状态管理、工艺、材料信息建档管理。

对电芯从外特性到内部材料、工艺进行分级开发管理，实现从应用的技术可行性向产品的批量可行性进行评估管理。

标定实验

这是对整车动力性，经济性，环境适应性，耐久性，热平衡，SOC算法验证的过程。

拓研实验验证

电池全生命周期性能评价

整车高水位涉水

高湿环境下的电气安全距离研究

高空跌落试验

持续火烧试验

动力电池系统剖切试验

虚拟仿真验证

在产品开发阶段虚拟验证共计进行两类(结构、热)两级(模组级、系统级)40项仿真分析。

平衡设计动力电池

在电动汽车的设计中，要有平衡的概念。要充分了解用户需求，设计出来的产品不是为了通过标准测试，而是迎合消费者。以安全为中心，寿命、能量密度、功率密度、可靠性之间需要权衡。权衡以后，比如说能量密度和功率密度，在设计上有矛盾，而且能量密度大到一定程度，也会影响安全性的。能量密度高到一定程度也不好控制，所以追求能量密度的时候，安全性问题就会变得越来越突出。

电池设计要平衡，指标不能光看电芯，还要看系统。举个能量和功率的平衡的例子：电池的空间有限、重量有限，都知道电容量越大，要追求卷绕的面积越大越好，而且多绕两圈最好，这是追求能量密度。所以在做的时候，能量型电池不要求过很大电流，电子导电的极片做薄一点，让电极材料涂得厚一点，但是功率型电池要求把极片做厚，但是涂层要薄，离子通道要短，经过隔离膜、电解液到对面去比较快。高能量要求可用的锂电池数量多，高功率要求锂离子跑得快。功率和能量密度同时做到世界第一，是做不到的。

目前，电动客车坚持用磷酸铁锂，因为三元电池没解决热失控这个问题。而乘用车都在用三元，为了优先保证能量密度(但系统热失控也需要满足逃生时间)。所以，不同的应用需求，可以做不同要素优先级的选择。关于共性需求，目前的用户调研，基本上，成本和能量密度在纯电动里面还是放在最先的位置。

动力电池未来变化和发展趋势

1.价格降低。在看后面几年需求的变化和电池发展技术趋势，比较通俗讲，价格至少降一半，我们的目标是2020年完成。其实我们老板要求我们把2020至少降一半的情况要往前提，我们用户觉得这是一个好的事。

2.能量密度提升。能量密度将提升到现在的1.3倍到2倍，磷酸铁锂现在的行业平均水平130Wh/kg上下，但是有可能纯磷酸铁锂有机会做到150~170Wh/kg。纯的磷酸铁锂硅极材料用上去以后，有机会达到180 Wh/kg。现在国家提出更高指标是350 Wh/kg，系统能量要到260 Wh/kg，国家提的要求更高一些。

3.循环寿命提高。现在乘用车和物流车使用的三元电池大多数是1000-2000次的循环寿命，但是现在也有些做2500次的，做混合动力的也有6000、7000次的也有。同样的技术水平，功率型电芯设计到位的话，它的循环寿命会比能量型的长一些，基本上循环寿命提升到现在的2倍。磷酸铁锂可以从2000-4000次提升到10000次以上。

4.电芯、模组、电池包行业标准化。电芯、模组、电池包行业标准化是第四个趋势。

电池开发设计的流程及技术

电池系统不好做的地方，在于它的化学系统受环境影响很大。不管是电池还是电控，只要用到车上就要按照汽车核心零部件的要求来做。V模型开发非常重要的一点就是分层设计、分层验证，比如管理系统是一个小部件，把管理系统的需求加进去，设计开发出来，等到管理系统测试验证好以后，做PACK的集成设计，然后再做到整车的集成设计，是一层一层非常严谨的开发设计流程。

1.机械设计。PACK GBT31467.3的16项安全测试都要做，还有火烧跟挤压测试。对PACK来讲，降成本、减重量，保证安全性和可靠性还存在矛盾，在进行安全设计时，既要考虑成本，又要考虑安全性、能量密度。PACK减重时，要考虑机械强度、机械寿命、防腐蚀性，确保可靠性。

2.IP67的重要性。IP67是牵扯安全的，不仅是能不能用，还有安全性。分几个方面分析IP67的控制，先看箱体加工，要保证箱体不会被破坏;二是看压力平衡阀，能保证不同的纬度、不同的温度下，里外的气压保持平衡;三是上下盖的密封面，需要考虑是否阻燃的，密封好不好，除了材料选择、形状选择，还有固定的压缩比;第四，连接器容易漏水，主要是线束、导线跟插头的关系、插头跟插座的关系、插座跟箱体的关系。要特别注意设计的时候，连接器底座的固定方式是否需要使用盲孔，如果需要盲孔，而箱体里面设计的不是盲孔，再补加胶水也没有用，长期来看是不行的。此外，安装连接器的时候，对箱体的平面性是有要求的，当结构设计不合理，连接器底座和电箱密封也是会漏水的。

3.电池热管理设计。电池热管理设计分三大步骤。第一步是建立热模型。有模型后，单个电池专门测试发热点，建立功率和发热模型的关系;第二步是系统热设计。从机械结构的布局，热传导路径，算它的热阻回路;第三步是热管理和策略，一个目的是防止热失控，保证安全，另一个目的是为了电池的长寿命，控制一些应用功率，防止电池处于较高温度。

4.水冷+热冷热管理系统。高温区的应用有制冷系统，供冷水;高寒区的应用有加热系统，供热水。这两个之间有一个切换功能。但是，目前即便是做出这个产品，也只能说能用，仍不完善。解决方法有两个方向：低温电池和速热技术。

5.电池管理系统。BMS要具备保护和自我诊断功能。特别强调的是，管理系统能够对电池做到自动维护、延长电池寿命。电池长期维护的关键是均衡，而在整车的电池包里，电池结构分布不同，温度、并联回路过电流存在差异，会让电池功率的输出不同。所处的温度环境不一样，性能也会慢慢离散，所以均衡是需要的。

我反对均衡的时候要用多大电流来标榜，那会带来另外的安全和可靠性的问题。在均衡当中，要能够时刻检测出电池状态、单体状态，判断均衡条件比执行均衡更重要，最好能够提前判断，防微杜渐。

主动均衡和被动均衡的区别是什么?主动均衡是“劫富济贫”，电池状态好的可以去救状态差的。被动均衡是“劫富不济贫”，就是把SOC高的容量放掉，达到一致的SOC，再在外面给电池组充电补上去。这里两种方式的成本差异比较大，基本上是两倍以上的关系。

BMS软件分应用层和底层，APP跟BSW。应用层除了系统本身外，其实就是五个模块：前处理、后处理、状态估计、输入、输出。关于管理策略，电池的安全性和可用性是要兼顾的。设计的时候，其实在提高管理系统安全性的同时，也要提高用户的体验。

关于电池保护安全策略这一块，其实电池最怕的是过充、过温，也怕过放后再充电。安全保护要分级、分策略。充电安全方面，充电机的安全是很重要的问题，但目前充电机的质量、技术水平差别很大。

关于SOC算法。既要保证司机能够安全地用SOC，不能虚高虚低，又要保证用户不会觉得SOC乱变化，要有显示策略。高压保护也不说了，非常重要的是高压保护的熔断器和接触器。特别重要的一点，直流耐压不够的话，在短路的时候不能有效分断，所以耐压一定要足够。接触器在高压的时候要断开它，选择时也要考虑耐压和过电流能力，还要注意跟结构设计相关的，我在这两个电极上不要施加不当应力，破坏它的结构。

6.电池系统安全。关于电池系统安全，要从电芯材料和电芯设计的机理开始，就做到防热失控。而在系统级做到防止热扩散，这是全过程的控制。全方位安全(化学、机械、电气和功能安全)中，化学安全要求不起火、不爆炸和阻燃性能，还包括不排放有毒气体，也包括不发生热失控，这些都是在化学安全里面。机械安全包括振动和IP等级，防爆、防撞、防挤压都要考虑。第三是电气安全，就是放触电、防漏电、防绝缘失效和高压防触摸，这些都是属于电气安全的东西。还有功能安全，功能安全在这里是一个概念扩展，通俗地讲，就是当功能失效的时候不能产生安全事故。

电池安全是底层的，是车上的核心零部件，要服从于车安全，要服从于人安全。可靠性是设计制造出来的，主要讲系统设计分层分级去分析它的失效模式和影响，按照每一级去分解可靠性指标，这就是一个FMEA的概念，做DFMEA、PFMEA就是为了在设计开发阶段就识别风险，会不会带来可靠性问题，甚至带来安全问题，把影响分析导出来，从严重度、发生频率、可检测度各个方面考虑，FMEA分析是必须要做的，这也是汽车产品开发的一环。

7.电池系统寿命。电芯寿命的评估，会把它放到电池包乃至整车系统的大环境下来评估。电芯评估有一个模型，用存储寿命和循环寿命来评估用户的使用寿命，存储寿命和循环寿命的影响机理和因素是不一样的。存储寿命主要是化学因子影响，循环寿命是化学和机械的影响。在微观来看，充放电循环中，电极片会膨胀收缩，SEI界面会出现微裂纹，修复裂纹会消耗锂离子，影响寿命。

为什么功率型电池循环会相对好一些?因为功率性电芯的极片涂布压实密度比较低，膨胀量相对小，机械应力小。反之，压实密度越高膨胀越大，膨胀量相对大，机械应力大，对循环寿命影响大。所以说功率型的循环寿命会好过高能量型电芯。模型评估电池寿命的意义：比如一年时间，就能评估电池是否能存储8年10年，500次以内的循环测试数据，就能预测全生命周期能不能达到5000次、3000次循环。

最后，说下目前市场很热的东西：快充。快充电池系统必须至少满足四个条件：电芯性能、过电流、热管理和高压连接安全防护等必须满足。