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动力电池测试

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动力电池测试

作者:
王芳 马天翼
来源:
节能与新能源汽车年鉴
日期:
2020/07/13 09:58
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中国新能源汽车市场在近年来得到了快速发展,也带动了动力电池产业的发展和技术革新。2018年我国动力电池出货量达到了65GWh,比上年同期增长了46%。

 

我国对于电动汽车下一步的发展政策是激励续航里程和能量密度的提升,并特别强调企业注重安全性、一致性,不仅要求电动汽车技术指标先进,同时也要求质量可靠、安全有保障。作为电动汽车的动力源和核心部件,动力电池的性能和安全性对电动汽车的整车安全、生产成本、续驶里程和用户体验都具有直接的影响。另一方面,如何评价动力电池的性能和安全性也受到行业的广泛关注。在动力电池测试和评价领域,我国已经构建了相对完善的标准体系,覆盖了动力电池单体、模块、系统等层级。

 

一、新能源汽车和动力电池产业发展情况

 

目前中国的节能与新能源汽车已形成了较为完善的研发和产业体系,2018年新能源汽车销量达到125.6万辆,占全球市场保有量50%以上。预计到2020年,新能源汽车年产销将达到200万辆。2018年新能源汽车的发展真正做到了“质”“量”兼顾。

 

与2017年相比,各级别纯电动乘用车的工况续航里程全面提升:两座车型电池能量密度进步显著,其续航里程从2017年的不足200km普遍发展到300km以上;随着消费者购买能力的提升,满足不同需求的各类新能源车型层出不穷,以SUV车型为例,最高续航里程能够达到460km。在动力电池方面,根据工信部车型数据统计:2017年车用动力电池装车量达到36.7 GWh, 2018年达到56.89GWh,增长了55%。

 

在各企业的市场占比上,2018年宁德时代动力电池配套量以234.4亿瓦时高居榜首,第二名惠州比亚迪动力电池配套量为114.3亿瓦时,第三到五名分别为国轩高科、力神和孚能,配套量分别为30.7亿瓦时、20.5亿瓦时和19.1亿瓦时。


图1 我国电动汽车销量和动力电池装车辆

 

二、典型动力电池测试情况

 

根据中汽中心2018年对110余款动力电池系统及其单体能量密度的统计数据,磷酸铁锂电池单体平均能量密度为163Wh/kg,比去年提高了13%;电池系统平均能量密度为137.5Wh/kg,比去年提高了17%;磷酸铁锂电池的的平均集成/转化率为84.1%,比2017年提高了2.7%。三元电池单体平均能量密度为208.6Wh/kg,比去年提高了13%;三元电池系统平均能量密度为143.7Wh/kg,比去年提高了21%;三元电池的的平均集成/转化率为68.9%,比2017年提高了5.8%。

 

从数据中可以看到,三元电池2018年得到了更快速的发展,单体、系统的能量密度以及成组率都有了显著提高。另一方面,随着电池系统能量密度的提高,液冷方式在电池系统的比例中明显提升,从2017年的8款(占比5.5%)提升到36款(占比23.5%)。市场上以自然冷却为散热方式动力电池比例虽然有所下降,但仍占70%以上。

 

三、典型动力电池测试标准体系的发展情况

 

针对动力电池领域,中国已经构建了比较完善的测试标准体系,主要包括电性能、安全性、循环寿命、互换性、系统附件、回收利用等六大类标准,覆盖了动力电池单体、模块、系统等产品层级。目前已经发布的标准汇总如下表所示:

 

表1 动力电池测试标准汇总

 

在动力电池新国标方面,为进一步加强安全技术支撑体系,建立安全标准规范体系,强化远程运行的监控体系,健全安全责任体系,2016年,国标委下达动力电池安全性强制标准的制定计划,以GB/T 31485-2015《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》和GB/T 31467.3-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统  第3部分  安全性要求和测试方法》为基础,启动“电动汽车用动力蓄电池安全要求”的制定工作,并于2018年6月通过标准审查会,形成报批稿。

 

该标准对原有标准测试项目进行了一定的删减和修改,删除了电池模组安全性、单体针刺、单体低气压、单体跌落、单体海水浸泡以及电池包电子装置振动、跌落和翻转等测试项目。并对电池单体过充电、电池单体挤压及电池包或系统振动、机械冲击、模拟碰撞、挤压、浸水安全、湿热循环、温度冲击、外部火烧、盐雾、高海拔、过温保护、短路保护、过充电保护、过放电保护等项目进行修改,增加电池包或系统热扩散和过流保护等项目。

 

为进一步完善电池管理系统的功能性需求和安全性需求,电动汽车电池管理系统国家推荐性标准制定计划于2016年下达,目前已形成征求意见稿,该标准规定了电动汽车用电池管理系统的状态参数、SOC估算精度、故障诊断、绝缘性能、电气适应性、环境适应性及电磁兼容性能等相关试验方法和试验要求。

 

在国际标准方面,基于国内动力电池领域标准的工作,中国目前正积极参与国际标准规范的起草工作,包括电动汽车安全全球法规 (EVS-GTR)以及ISO TC22-SC37-WG3等。在电动汽车安全全球法规(EVS-GTR)方面,中国积极牵头参与电动汽车安全全球法规 (EVS-GTR),在一阶段,中国专家作为小组负责人,负责并主导TF1,TF5,TF8等工作组工作。在电动车遇水后的触电防护、电池热失控及热扩散、商用车安全要求等方面做了大量工作,并取得显著成果,正式发布UN GTR 20。

 

在第二阶段,中国将继续深度参与新能源汽车全球法规制定工作,在电动汽车动力电池热扩散、浸水安全、振动安全、有毒气体防护等领域发挥更加积极的作用。后续工作重点将是结合在EVS-GTR的工作基础,积极输出企业设计文件内容规范、热失控触发方法与判定条件等提案。

 

四、动力电池发展和测试评价体系建立的技术难点

 

1、动力电池新材料新体系的技术发展和测评方法

为了进一步降低电动汽车的生产成本,提高电动汽车的舒适性和安全性,动力电池需要突破当前的材料体系,进一步提高电池的能量密度,开发下一代新体系动力电池。在新材料体系的技术路线上,目前正在研发的是以高镍三元材料或富锂锰基材料为正极,锡基/硅基等合金类复合材料为负极的电池体系。

当前CATL/力神/国轩三个承担新能源汽车专项的项目团队采用高镍三元正极和Si/C负极,研制出比能量达到300Wh/kg的软包装锂离子电池,其中部分项目单位样品技术性能指标已接近应用要求。

 

在新体系电池的测试评价方面,当前动力电池的测试评价方法最小测试单元是电池单体。采用的测试方法均是对电池样品进行电信号、机械信号和环境信号的激励,通过测试样品的响应情况,判断其是否达到指标要求。为了探究动力电池性能和安全性能演变的关键因素,需要将动力电池测试评价方法拓展到电极和材料层级,发展一系列多层级的无损分析和失效分析方法。

随着锂离子电池基础理论的材料体系技术的突破,固态电池、锂硫电池、锂-空气电池都有可能实现具备产业化的前景。在测评技术方面需要提前布局,开展这类新体系电池的测试方法研究,尤其是以锂金属作为电极的动力电池的测试方法,建立相应的评价体系。

 

2、基于整车应用的动力电池测试评价技术

电动汽车广义上的测试评价应涉及研发、生产、运输、存储、使用、维修、报废等整个生命周期。作为电动汽车的关键部件,动力电池的测评技术应进一步与电动汽车的测评联系起来,基于整车工况、充电系统、车桩兼容、电能质量等电动汽车使用中的关键问题,开展围绕动力电池性能、安全性和可靠性的测试评价技术,形成更为全面、更为准确的测试评价技术体系。

 

五、2018年国家重点研发计划“动力电池测试与评价技术”

 

2018年由中汽中心牵头承担国家重点研发计划“新能源汽车”专项项目“动力电池测试与评价技术”,项目研究周期3年。研究内容为针对新能源汽车大规模应用对动力电池高水平测试评价的迫切需求,从动力电池复杂构效关系评价、动力电池性能演化模拟仿真与评价、动力电池管理系统精准评价、动力电池系统性能量化评价、动力电池数据库开发与应用5项关键技术开展研究,解决材料-电池-性能多尺度闭环构效关系获取与关联、全生命周期多维度性能演化规律研究与预测、系统集成应用多工况综合性能参数表征与量化3大科学问题。

 

重点建设动力电池材料、动力电池单体、动力电池BMS、动力电池系统4项测试评价标准化平台;建设动力电池材料、动力电池单体、动力电池BMS、动力电池系统4大产品数据库;形成相关测试评价标准。最终构建多尺度、多维度、多工况的动力电池测评体系,建成具有国际先进水平的综合测评平台,建立基于标准化测试方法和量化指标的产品数据库并实现应用。

 

项目的研究成果将加速先进检测技术与动力电池研发应用的融合,保障我国新能源汽车科学发展的全球领先地位,增强其应对国际激烈竞争的能力,促进我国动力电池产业健康快速发展。

 

总结:2018年,在国家政策和科技计划的支持下,动力电池测试行业得到了持续发展,测试评价技术也在深度和广度上都有了大幅度提升。在新能源汽车大规模应用的前景下,动力电池测试会基于新能源汽车全产业链的需求,集中力量突破行业所面对的关键问题和共性需求,构建更为完善的测试评价体系,推动新能源汽车产业技术升级。

 

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