鉅大LARGE | 點擊量：722次 | 2022年07月04日
王芳：動力鋰電池的測試評價和標準化體系建立
當前，電動汽車已經成為全球汽車產業發展的戰略方向，動力鋰電池的進步成就了今天的電動汽車，也決定著未來電動汽車市場化的步伐。如何推動動力鋰電池和其他環節的協調配合將直接影響動力鋰電池，乃至新能源汽車的下一步發展前景。為推動產業的協同發展，六月二十七日，由青海省人民政府、工業和信息化部、科學技術部、我國電動汽車百人會主辦的"我國（青海）鋰產業和動力鋰電池國際高峰論壇"在青海省西寧市召開。
大會由青海省人民政府副秘書長郭臻先主持論壇，青海省副省長、省國資委主任王黎明為論壇致辭，我國電動汽車百人會理事長陳清泰、我國電動汽車百人會秘書長兼首席專家張永偉、我國電動汽車百人會副秘書長劉小詩、北京汽車集團有限公司總經理張夕勇、CATL新能源科技股份有限公司副董事長黃世霖、浙江電咖汽車科技有限公司董事長張海亮、北大先行科技產業有限公司總裁高原、韓國SK集團電池事業部本部長KangSanghoom等嘉賓發表了精彩的演講。
以下為我國汽車技術研究中心首席專家王芳發言實錄：
我的報告開門見山，因為我自己做測試評價也做了十幾年，中間材料的測試、電池的測試，包括整車的測試也分別做了比較多的內容，集中點還是在電池上面，所以今天也是應主辦方的要求，我的題目重要是集中于"動力鋰電池的測試評價和標準化"。
我報告的內容重要會涉及到測試評價的內容，也會涉及到現行的標準和未來的標準和評價的走向問題。首先說一下為何，其實我們做測試評價的時候考慮的出發點還是會從最終終端的用戶、終端車的要求出發，我們來看整車對性能有什么要求呢？第一會提到的續航里程，第二個加速的性能，包括加速的時間、最高加速度。第三個包括用戶使用安全，當然安全其實是第一位的，安全是根本，還有經濟性，包括能耗、排放等等這樣的一些性能，和使用的便捷性，這塊重要是充電的兼容和充電的安全這一塊。全氣候的使用條件，就是說對環境的適應性，最終就是環境友好，真正的是能夠節能環保的這樣的一個特性能不能體現出來。所以和這個相對應的，我們有關電池的測試評價來說就會關注到相對應的特性，比如說跟續航相關的能量密度，和加速性能相關的功率特性，和安全相關的當然是重點，也是今天我講的重點。經濟性方面，跟它的循環壽命、日夜壽命以及性價比都會有關系。充電的特性包括快速充電的這樣一些特性，還有寬溫度范圍內的性能，對應的高溫、高濕、高寒這樣的使用條件，最后就是它的循環利用、梯次利用和回收這樣環節的考慮。這些都是我們有關電池評價和標準化方面會要關注的幾個方面。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
第一部分，現行的標準體系。
這是目前我國跟動力鋰電池相關的國家標準和行業標準，重點標準都在這兒。里面重中之重目前相關的就是這幾個紅色框架里面電池單體到模塊、到系統的標準，這是現行的，電池要上通告、上車要測試標準。除此之外有一個熱點大家可能也注意到，最近的回收利用，它的互操作性、互換性也是大家關注的重點。另外大家要注意到現在的前兩天剛剛網上公布的GBXXXX，電池的強制性標準，沒有TLGB、電池的安全性標準，這個標準現在已經報批，我一會兒會給大家介紹一下，這個標準的抽查以后會自動替代掉4685和467.3，會成為安全強制要求標準，因為它是一個強標，GB的標準。
我們逐一看一下，其實目前相應的，我剛才說到了這幾個標準都是在產品的準入、行業的規范條件、相關方面都要求測試的標準，除了剛才說到的幾個標準以外，大家還要關注的是最后面的那兩列，就是跟補貼相關的，一個是電池的能量密度的測試，這個是比較重要的額外的測試，還有一個就是電動客車的安全條件，有關客車來說，除了一般的電池要求之外，在那個技術條件之外又新增了額外的對電池的要求。下面根據我們測試的結果想跟大家逐一地分享一些信息，為何說信息呢？我不想說做太多的主觀的評價，但是我想大家從這些信息里面應該能夠得到一些我潛在的評價內容。
首先第一個是大家關心得非常非常多的能量密度和成組率的問題，其實我們看一下能量密度表，這是我統計的、我檢測的，我這個檢測中心在這幾年測試的系統的能量密度的這樣一個變化，從2015年平均的90.5Wh/Kg到今年的上半年138Wh/Kg，能夠看到這樣的一個迅速上升的趨勢，尤其是從2016、2017、2018這三年的變化，大家可以看到，這是檢測的數據，但是我對車的許可證，我也對現行市面上銷售的車的能量密度也進行了統計，今年上半年前一季度銷售的車的能量密度基本上數量是在118Wh/Kg，也就是說今年測試的電池大概會在第二、第三、第四季度陸陸續續大家會看到銷售的車的能量密度會是38Wh/Kg，會是這樣的一個狀態。
我們再看一下成組率，從2016年的0.63到去年的0.67，再到今年的0.74，上升率也是非常高的。我們再看一下把成組率再剖析一下，這是去年我統計了145款的數量，里面這是單體的，這是系統的，他們都有一一對應的關系。我看單體的能量密度是173Wh/Kg，到系統是116Wh/Kg，這是成組率的來由，0.67，我是這樣測算的，細分一下這里面橙色的是三元的，藍色的是磷酸鐵鋰的，大家可以看到藍色明顯單體能量密度是在上面一個階層，大概在170到230之間，到系統的分布很有趣，基本重合了，這里面有這樣幾個訊息，首先看單體的磷酸鐵鋰是117，成組率的值是81.42%，最好的已經超過了85%。三元是183到115.4，跟本身的密切性相關，磷酸鐵鋰本身的安全性比較好，所要附加的成組的安全性的保障措施就會少很多，還有一個原因，當然那個原因我只能簡單說一下，因為其實我們統計過，去年的磷酸鐵鋰百分之百，基本上是大部分是用在大巴車上的，三元是用在乘用車上的。去年整個電池體系的分布，我在有一個報告上講過，今天沒有給大家展示，去年整體的市場分布是磷酸鐵鋰占了50%，三元占了42%-43%之間，所以這個比例大家可以看出來，本身大巴車有關Pack集成的技術要求原則上來說會低于乘用車的，所以這些綜合因素會影響到它的成組率，但是根本原因還是因為本身的安全性的差異。
我今天給大家展示的數據其實是標準測試以外，報告里不體現也不關心的內容，但是還是想給大家展示一下，我們再看一下，不同體系之間的差異，方形軟包和圓柱，大家都問哪個體系好，哪個有發展前途，從我們測試的樣本量來說，它們的樣本分布基本是差不多的，方形居多一些。它們里面的特點，軟包和圓柱本身單體的能量密度相對來說比方形的做得更高一些，但是我們再看一下成組以后它這樣的一個表現，成組以后的能量密度的差異，我們再看一下成組率，可以看到方形的成組率是非常高的，相對來說目前是最高的，而軟包的次之，圓柱的最低，大家也了解，包括像TSLA的電池，它雖然單體的能量密度非常高，到成組了也就是到50%，甚至一開始的時候都不到50%，但是現在相對要高一些。所以這幾個體系大家的判斷，因為今天時間很短，不太好展開講，其實還有很多，包括這種熱管理設計和系統集成方面的一些差異，我們有時間可以再深入地探討它們之間的優缺點。
從能量密度再看成組的冷卻方式。我就是圍繞能量密度這一個事我就想展開看看后面的東西。成組的冷卻方式，這個是我們只統計了90幾款電池的系統參數，樣本數，一看里面86款是自然冷卻的，風冷和液冷只有三款和七款，這是去年下半年的狀態。當然不是全部的，是選擇有代表性的。大家一看說風冷的能量密度最高，但是實際上我沒有把結論寫在這兒，我認為這個結論是不對的，至少是不科學的，因為它的樣本數是不對等的。但實際上大家為何選擇自然冷卻？很大的原因會受補貼政策的影響，在這種情況下實際上盡可能提高能量密度，所以原則上自然冷藏肯定是能量冷度是提高得最高的。實際深我們再看一下，我沒做對它的冷卻方法做太多的評價。我給大家看一下2016年的數據和2017年上半年的數據，再到2017年整年下半年的趨勢大家可以看到，從最初的本來，我是能看到的，2015到2016年液冷的數量是呈上升的趨勢的，但是從2016年底到2017年是下降的趨勢，大家越來越多地選擇自然冷卻。在這兒我只想說一個觀點，當然這是受政策的影響，但是有關整個乘用車的開發來說，我覺得大家還是要重視熱管理系統的設計，在這塊目前來說大家越來越重視，我也看到技術的提升。風冷設計我本身并沒有太多的支持的觀點為何呢？因為大家有關電池的這種傳熱方式，這種風道的流體力學，整體來說我認為電池Pack的設計公司有關這方面的技術掌握還沒有那么高，所以它在那塊，假如用風冷做得不好的話，反而使得電池的整個的一致性和這種不平衡衰減增大，所以在這種情況下選擇自然冷卻也是他們的一種方式，但是我還是建議大家要重視這種冷卻方式的選擇和熱管理的選擇。
剛才全部講的性能，但是從性能講出來它背后的東西，下面重要看安全，電池系統的安全現在有16項測試，包括機械的、環境的和電的測試，這個是前期2016年率，后來2017年我們新增了一個修改，大家認為振動太嚴苛了，修改以后，從21小時三個方向的隨機振動變成三個小時的正弦振動，機械安全的通過率就快速上升。我認為那個修改單我當時是同一了，也是由我提交的，但是我對那個修改單并不認同，因為正弦振動不是實際道路振動的形式，但是當時沒有太多的數據支撐，也沒有太多的積累，國際標準只有這個可參考，所以我們采用了這個，但是同時我們自己開展了研究，從實車的路譜采集出發，去采集到，我們用二十多輛車采集到這個數據以后，把不同路面進行數據的平行化處理和正規化處理，最終得到了這樣的一個譜圖，這個新的隨機的譜圖，這個譜圖已經寫進GB的標準里頭，剛才我說的新的通過審查的標準里頭。所以這個大家可以關注一下。也就是說現在開發的產品你們不用等那個標準出來再按照這個做了，現在開發產品就應該按照新的振動的隨機的譜圖去測試你們的樣品。
再說一下電動客車的安全條件，里面跟電池相關的是有一個有熱失控和熱擴散兩個測試，這兩個測試。我重點講一下熱失控，這個測試，我自己是從專家的角度持保留意見的，因為它是要求電池過充到120%再加上到300度，而且是最小的控制單元，也就是說假如你是三個電池并聯的話要求三個電池并聯都拿過來做測試，要求不起火、不爆炸，這個有關高比能的三元來說是非常非常大的挑戰，這也是為去年用的是磷酸鐵鋰，而且磷酸鐵鋰基本上是用在客車上的重要原因，這項測試是非常難通過的，我要告訴大家的信息，GB的標準通過審查，同期通過審查的還有兩個整車的標準，一個就是電動客車的安全條件，一個是整車的電安全，客車的安全條件里面我想告訴大家的是這項測試依然存在。
熱擴散的測試，熱擴散測試對電池系統來說我認為是有必要的，而且在全球法規上我們也把它作為提案提到了全球的法規，里面的測試規程也是由我們我國牽頭來起草的，由各國來一起討論。前期的方法是用針刺或者充電或者加熱的方式把一個電池搞著了，來看整個電池包的特性。我們實際上在做GB標準的時候，這項也寫進去了，但是在那個基礎上，因為有一些問題是什么呢？這些方法有沒有對等性？每一個方法的重現性如何？還沒有完全自己能夠佐證好。第二個問題，熱失控的條件是不是恰當也沒有得到最終的結論。另外一個就是這種方法加熱也好，過充也好，你是要給電池附加進去熱量的，這個熱量其實是破壞了電池本身的狀態，所以這個方法是否合理也是我們要研究的，還有一個就是最終的判據，到底多少分鐘算通過也是要求你跟這種消防的逃生時間是相關的，因為電動汽車安全是人員安全，就要求人逃生之前能夠不起火、不爆炸就可以，所以這些都是我們研究的內容，研究到目前為止，我們認為加熱、針刺還是可以作為一個方法的，但是過充給去掉了，因為現在好多電池設計里面裝了防過充的設計，一過充就斷掉了，我們根本無法做這個實驗，熱失控的判據也做了調整，這是目前寫進GB標準的這樣一個提案，是這樣的。加了一個其他方式，這個是開口的，這個也就是說電池廠可以供應一個新的我們認為合理的方式來做，這個也是因為現在進入了第二階段，今年三月份剛開了第二階段的第一次會議，我們在未來的三年里這個是重要的工作，還會在未來三年內把這個法規寫完，所以說現在給了一個開口的其他方式，也是希望全行業能夠參和進來積累數據，能夠把這個法規測試寫得合理化。
第二部分，綜合測評評價。
剛才講的都是法規的測試，但是實際上有關電池的評價來說我是這么理解的，因為電池是電化學的載體，它是一個動態變化的，我們可以看到綠色可以認為它的可用的領域，而黃色的是可控的，而外面是失控的狀態，我們希望無論是性能也好，安全也好，我們要考核的就是它在可用領域的這樣一些可用的評價，實際的不同的狀態下是怎么樣的一個狀態，包括當處于失控邊界的時候怎么認為它是可控的這樣一個可控評價，包括失控以后怎么進行消防救援的評價，這是未來一段時間么在評價方面、標準化方面還會繼續做的工作。可用方面評價，先看性能性，包括可用評價、倍率特性、能量密度。有關一致性我想多說兩句，這里提到了出廠一致性，在測試的角度我是拿到出廠的電池，而從電池的集成和使用來說也要了解一致性，因為這是靜態的一致性，我們了解了這個以后，我們才能在電池后期使用的時候能夠把控好它的動態一致性，所以這個也是非常重要的。但是實際上想多說的是今天早上跟那些朋友們聊天也說到，其實在生產過程當中控制的重要性，也是現在大家很多人在問我們國內的公司和國際公司的一些差距，或者是國內的有一些公司之間的差距，我覺得最最要重視的就是SPC，就是過程控制，這個是非常重要的。當然，今天時間關系沒有給大家展示我們做一致性評價的案例。
然后是安全性和老化特性，這是在可用的范圍內要做的事。我重點會提到安全性，其實安全性這塊可用的評價我們相當于把它作為系統工程，從材料、到電池，到系統，材料本身的熱特性是要全面掌握的。在這個基礎上要了解電池的安全的等級，肯定是有等級的，安全是相對的，不安全是絕對的，我們只是要把不安全的可能性無限趨近于零，這是我們要做的。在這個基礎上附加BMS的熱管理和均衡以及功能安全，最終我們能夠得到一個在很好的范圍內可用的電池系統。這是我們想要做的一件事。
這里面重點的想提一下，希望大家能夠對這方面非常重視的，就是動力鋰電池的熱管理系統，在這里我們也幫公司做了很多事，其中電視的熱特性的評價，因為您要想做好一塊電池的熱管理，首先你要了解電池的熱特性，它隨著不同SOC準備下，不同的倍率特性，不同的溫度下，它的產熱功率是什么、特性是什么，發熱量是多少，其實這些都是有邊界的，我們測試找到了很好的邊界的暴露圖，也在一些SCI的期刊上發了一些文章。另外就是在了解它的基本特性以后，你要了解熱失控的邊界點是什么，這是你要控制的這樣一個邊界點。另外一個也要了解，它傳遞到另外一個電池，它臨近電池的這樣一個傳播路徑是什么，這是我們要做的。
另外可控，剛才是可用，可控的評價是剛才我提到的全球法規，我們正在做的熱失控的測試，后面我們還會在這幾個方面去不同的觸發方式、熱失控的條件的摸索以及最終的安全的判定條件，什么樣子是通過，我們也跟消防部門聯合在做相應的測試，這是前期跟消防演習做的一些內容，后面還會接著做。
最后一個評價就是致災危害評價，因為電池本身的這種不同體系電池燃燒的差異以及撲滅的困難性，所以有關后期的評價也顯得越來越重要，我們現在正在很快消防部門做這樣的一些事，有關電池的這種致災里面的火災的等級要進行評估，然后去給消防救援一個明確的指示。第二個要對它的過程中產煙和產毒氣在空間里的一些擴散，時間上的不同的擴散的這樣的一些等級也要進行評估。
第三部分，標準近期的動向。
剛才提到了一個是GB的標準，這個月已經通過審查了，而且已經提交，馬上把這個報批稿提交到相關部委，部委就會提給WTO，因為是GB標準，要通過WTO的，大概明年，我初步估計可能會在明年上半年能最終公布，大概是這樣的狀態。管理系統的標準現在正在做，我也希望大家能夠重視，前一階段因為重點做GB標準，把這個稍微擱置了一下，現在它被提上日程，有關電池SOX的估算評價會是一個重點，還有故障診斷的功能也會是重點。另外在做的標準是混合電源的技術，包括兩種不同的儲能裝置的評價也在做，已經立項。還有一個重點的標準希望大家要重視的就是功能安全，我提到了電池管理系統，除了一個熱管理系統很重要以外，還有一個很重要的就是功能安全，不是功能，是功能安全。所以一定要實現功能安全，這個標準也已經立項，大家看到電池管理系統的功能安全要求和實驗方法，這個也正在起草，我們有專門的功能安全的工作組在做這個事，基于26262體系來做的，所以大家要關注一下。規格尺寸不講了，前一段剛剛宣貫完，和編碼制度，這兩個跟回收利用有關的，我們剛剛宣貫完，希望大家能重視一下，因為這是這個階段正在用的標準，還有EVS-GTR的標準，熱擴散之外，我們也把振動我國的提案提到國際上，也會是未來三年的工作重點，我們還提了兩個，一個是海水浸泡，還有就是毒氣分析，這是第二階段未來全球內全球法規關注的重點，里面絕大部分是由中方主導的，也希望我們全行業能夠多參和，支持法規的工作，也是體現我們在全球上的話語權。今年九月份我們會開第二階段的第二次會議，應該是在瑞典。
我們剛才把近期的標準都給大家介紹了，未來一段時間，包括換電、包括梯次利用是我們的重點，還固態電池以及電池模塊的規格尺寸的這樣一些標準。我們在這個國家標準的基礎上，因為大家了解現在國家標準的速度節奏會比較慢，而現在的團體標準比較活躍，我現在牽頭也在做一些團體標準，這幾個標準是這周后天我要開會立項的這些標準，包括熱管理的標準、模塊的規格尺寸以及日歷壽命的測試方法，以及跟回收相關的拆解分析方法，這是這一階段我們做的電池標準，等到成熟到一定階段的時候就會往國家標準推。
總結，其實也算是一個展望，因為今年我申請了一個國家的項目叫動力鋰電池測試和評價，也得到了支持，給了四千多萬的國家經費，我在這里面，我是這樣思考的，我認為目前從電池的材料到系統的評價里面還存在著這樣的一些問題，從材料的評價大家了解，對電池的評價、性能評價也了解，但是從材料到電池以及整個過程當中的反應機制是不明確的，而這個就叫黑箱子測試，我們希望能夠打破這種微觀的模糊性去做一些工作。第二個就是電池的全生命周期存在的演化的復雜性，第三個是在實際的使用過程中，各種不的工況實際的使用存在的實際的工況的多變性。我針對這些方面我們要開展相關的研究的評價，最終希望能夠建立從材料到電池、到BMS、到系統，甚至到整車以及回收的梯次利用的這樣一個閉環的評價的體系。這個是在未來三年我要帶著我們團隊，我們全行業的優秀的力量一起來做的事，也希望大家能夠一起參和。因為我這個是一個共性的平臺的項目，從開始就給會大家相當于是一種公開的態度，也希望大家多參和進來，所以我覺得這個話題還未完待續，謝謝大家。
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