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张娜:力神2018年电池技术发展路径

2017-11-24 作者:茂盛 来源:中国客车网
  2017年11月23-24日,“2017中国国际新能源汽车产业论坛”在京召开,此次论坛由北京玺成管理咨询有限公司主办,论坛围绕新能源汽车整车及市场分析,整车电气化战略、电池动力技术、电机电控技术、轻量化、汽车安全等方面展开了深入的研讨。来自国家信息中心、中国汽车技术中心、北京理工大学、东风、一汽,比亚迪、中车、扬子江客车,以及多家核心零部件企业如力神、精进等公司技术负责人出席论坛并做主题发言,业内一百多名技术精英现场聆听了并参与交流讨论。中国客车网作为新能源汽车行业的重要媒体,全程参与并关注论坛研讨内容。

  力神动力公司副总经理张娜博士就力神的产品技术发展规划做了主题发言,经中国客车网独家整理,并约请本人审校,特发布如下:

  首先介绍一下我们力神公司的愿景,力神成立于1997年,20年来主要致力于锂离子电池的研发、生产还有销售,所以我们的公司整体的愿景就是技术质量国际一流,绿色能源造福人类,我们的技术开发策略一直延续着,也就是从我们的公司创立之日起,我们都是秉承着高端定位的产品的开发思路,我们在产品的开发过程中,主要是创新,通过技术革新来驱动我们整个产品的进步,另外我们遵循迭代发展的技术策略,也就是我们生产一代、储备一代、研发一代,通过我们不同代的产品,来支持公司的持续发展。

  接下来是我们整个的动力电池的产品策略,基于力神这十几二十年来锂电池的开发经验,积累了丰富的产品技术。所以我们的产品,有圆柱形电池,然后有方形硬壳电池,还有软包的铝塑膜电池。我们动力电池产品的应用领域非常广泛,包括乘用车、商用车,储能系统和启停电源。我们主打产品,在乘用车方面,有圆柱形,然后方形和软包;在商用车,启停电源和储能领域,我们主要推荐圆形和方形的产品。

  这是我们另外一条产品的开发策略,因为动力电池的市场需求量越来越大,产品的成本和一致性要求也越来越高,所以我们的设计开发,秉承着型号标准来进行,是完全遵循并倡导国家动力电池的规格尺寸标准。另外通过生产的自动化,来保证产品的一致性水平,另外还通过管理的智能化,来降低整个生产过程的管理成本。

  这是我们公司动力电池化学体系规划的情况,因为动力电池的技术进步,主要依赖于化学体系的进步。我们在商用车方面主要一直坚持高安全的磷酸铁锂技术路线。在乘用车方面,我们也是坚持高比能三元的技术路线。

  目前三元有一个广义三元的定义,因为它含有镍、钴、锰三种元素,还有不同的比例,比如我们应用比较多的523,622,还有正在开发高镍的811或者是NCA体系,我们统称为广义的三元材料,我们主要用在乘用车。其中523和622,我们用在我们的启停电源上面。我们在2023年尽快会推出我们全固态的动力电池的产品。在2025年左右计划推出新型的钠离子电池和燃料电池。刚才杨总说中车已经在用上这个燃料电池了。因为我们的路线中基于考虑到产品可持续发展,所以把燃料电池放得稍微靠后一些。

  下面我来讲一下,在这几个领域方面,我们的技术和发展路径的规划,这一页展示了我们在乘用车技术领域的发展路径。乘用车电池的话,主要是在容量、充电时间还有它的温度适用性,以及安全性几个方面来进行规划。比如现在这个红框里面是我们目前的产品,电池的能量可以达到240瓦时每公斤。如果是大概四十千瓦时的系统的话,可以驱动一辆车行使300公里。目前电池的快充能力是45分钟可以充到80%,工作温度范围是在零下20度到60度。

  我们到2022年会把单体的能量提升到350瓦时每公斤。如果电池包的重量不变的情况下,整车的续航里程就会达到440公里,同时它的快充技术也有了明显的发展,可以达到16分钟充到80%,另外在工作范围方面,也是可以实现零下40到60度,一个比较宽广的温度范围内工作。

  在安全性方面,动力电池产品最主要的就是安全,我们的安全不仅要满足我们的国家标准,还要满足我们整体的客户要求,我们在设计过程中,首先是满足这些要求,然后逐步去提高要求。

  这一页展示了我们在商用车方面的技术路径的发展情况,因为商用车主要考虑到乘客人数比较多,所以它的开发主要放在第一位的是安全性,我们在体系选择上面,选择的是相对比较安全的化学体系。 2017年的年底单体电池是在165瓦时每公斤。因为商用车也需要快速充电,而且它每天充电的次数可能会比较多。所以它的循环寿命要求也相对长一些,现有的这个技术状态水平是在3000次的循环次数。然后它的工作温度范围也是零下20度到60度。因为在商用车上也有提升续航里程的需求,这样就可以把整个商务车从城市公交,推广到城际间的使用。所以我们也在追求不断的提升比能量。

  到2020年,我们单体电池的比能量可以达到200瓦时每公斤。大家都清楚我们2018年国家有一个重点专项,要求就是商用车的电池系统的能量达到170瓦时每公斤,我们用这个技术就可以达到专项指标的要求。

  同时在快充性能方面,也是电池可以达到4倍充电,也就是12分钟可以充到整体电量的80%,满足客户的快速的使用,另外循环寿命提升到6000次,用户到2022年整体的指标还是要在往上提升,比如循环寿命到8400,然后这个电池的能量要达到240瓦时每公斤。

  然后这一页显示的是我们在启停电池技术开发上面的开发路径。因为大家都知道中国、美国还有欧洲到2020年乘用车百公里油耗有要小于5升的规划要求,所以在电动化发展的道路上,48伏的启停系统应该是一个不可或缺的补充方式。所以各大车厂也在48伏方面做了比较早的布局。我们的电池产品也是一直在持续的开发和改进。

  目前启停电池对比能量的要求不是太高,我们的产品是100瓦时每公斤,但是它要求充放电的功率,即倍率特性很高,比如说我们可以做到20C连续充电,30C脉冲充电,然后放电方面我们可以达到40C的放电能力。寿命方面也是有很高的要求,目前这个使用寿命可以达到8年,从30%到70%的SOC范围内的循环寿命,可以达到12000次,同时工作温度范围也是零下20到60,这是目前的一个水平。

  我们随着一些新的化学体系和技术的应用,到2022年的话,我们在放电性能方面,会到50C的水平,然后寿命也有显著的提升,比如使用寿命可以达到10年,循环次数可以达到7万次。同时在充放电温度范围方面也是可以达到零下40度充电,到高温70度正常使用的温度范围。

  这一页显示的是我们在储能技术方面一个发展路径。储能,是动力电池另一个重要的应用领域,储能对比能量的敏感度没有车载那么高,但是它对成本和循环寿命要求比较高,所以目前我们的技术水平是140瓦时每公斤的能量密度,可以达到80%SOC使用范围1万次的循环次数。同时的话,为了降低成本,提升技术是一个有效的方法,所以在2022年,我们也是要把电池的比能量进一步提升,提升到180瓦时每公斤,循环寿命提升到15000次。同样,因为我们基于同样的化学体系平台,我们的电池可以达到零下40度充电,一直到70度高温的使用。以上讲的是我们的技术发展路径。

  下面讲一下我们在具体的先进的技术方面的突破和应用的情况。大家都知道我们力神是国家十三五的一个重点研发项目,《高性能锂离子动力电池的开发及产业化技术攻关》的承担单位,这是我们目前这个项目的一些进展情况。我们这个项目,也就是大家简称的300瓦时每公斤的电池的项目,我们通过近两年的研究和开发,主要在高能量密度技术方面进行了突破,比如说高镍正极和硅负极的使用,使我们的电池能量密度可以达到300瓦时每公斤。另外比如说像三维多向复合快冲技术的应用,使得我们的电池,可以达到20分钟充电80%的测试的结果。另外比如我们在开发的可控自适应断电流技术,来有效保证高能量密度化学体系的电池的安全。另外通过综合的界面稳定技术,来有效提升电池的循环寿命。

  这两幅图分别展示了我们在做280瓦时每公斤电池的样品,它循环寿命现在是1C,100%DOD循环,可以达到1000次80%的剩余容量。而且目前这个研发的产品,也给国际一个高端的车厂进行了送样。另外在300瓦时体系探索的方面,我们现在的样品是达到了130次的循环,容量保持率是在96.6%,通过预测的话,可以达到750次80%。因为通过我们后续一些稳定技术的应用,我们有信心,单体300瓦电池循环寿命达到1200次。

  下面我给大家介绍一下,我们在这几个不同的应用领域,我们主要产品的情况。首先是乘用车的方形产品。我们目前方形的产品,主要是有两个规格的尺寸,一个是VDA的2714897的产品,绿色的代表我们目前正在量产的一个产品,电池的容量51安时,重量比能量可以达到200瓦时每公斤。我们这一款电池具有高能量密度,而且具有低温充电的功能,另外还有快冲的特性。我们在模组方面,可以做到170瓦时每公斤,模组方面,主要采用了先进的焊接技术,保证产品的质量。另外值得一提的就是我们在模组设计中,选择了隔热阻热技术的应用,来有效防止电池的热失控。所以我们量产的系统,即乘用车方形可以达到140瓦时每公斤,而且我们整体的系统的设计,追求满足ISO26262功能安全的要求。我们在2018年年初,推出53安时的产品,它的单体比能量是210瓦时每公斤,这样整个系统的话,就可以达到145瓦时每公斤。

  在未来2019年到2020年,我们的能量要提升到240瓦时每公斤,另外我们还推出一个新型的电池尺寸,来满足不同客户的要求。

  这一页展示的是我们在商用车用的方形的典型产品的情况。因为现在商用车的产品,也是因为国家补贴的影响,它的更新换代比较快,这也考验我们整个研发技术的积累能力和市场变化的应对能力,所以今年年底,我们就会推出我们的前面两个产品,比如说200安时的电池,它的单体比能量是165瓦时每公斤,这样的话,我们商用车的系统,就可以达到140瓦时每公斤的能量密度指标。我们整体商用车电池技术的特点就是,电池能量密度高,但是也可以高倍率充放电,比如说1C的连续充放电的循环寿命,我们测试的数据可以达到4000次。因为我们这个电池具有高能量密度,然后高安全性,另外我们电池结构设计中有独特的散热技术,也是同样通过技术指标的提升,来降低成本,满足客户的要求。

  另外还有一款272安时的电池,也是165瓦时每公斤,它来满足不同配电量的要求。右边蓝色的310安时的电池,是我们明年下半年即将推出的产品,以应对能量的进一步提升,也就是我们系统比能量可以达到150瓦时每公斤。同样的话,再远期一些,就在2019年,2020年左右,我们会推出200瓦时每公斤的商用车典型产品,355安时。

  这一页展示了我们另外一款圆形的电池产品,因为我们今年在苏州,我们的圆形工厂建成,而且目前已经投入生产,具有非常先进的全自动的生产线。典型的产品就是绿色的4.0安时电池,它的模组的比能量是190瓦时每公斤,系统可以达到145到150瓦时每公斤。整个我们圆形的电池的技术特点是同时具备高安全、长寿命,另外还有低温充电的功能,在我们模组和系统设计方面,也和我们的合作伙伴有一些独特的技术,比如插拔式软连接,可以达到应用的释放,达到更可靠的连接,另外还有自熔断镍网的安全保护。在整体系统设计方面,有加热,智能一体化的设计,使我们的电池可以达到1C连续充放电使用,另外还有多种热管比的选项也可以选配。

  所以通过这些技术的话,我们2018年可以推出我们5.0的产品,它的单体比能量是260瓦时每公斤,整个系统可以达到178到185瓦时每公斤。在2020年左右,我们会推出圆形300瓦时每公斤的产品来满足进一步客户的需求。

  第四款是我今天想给大家介绍的,是在乘用车软包电池方面的一个开发进展。因为更高的比能量,甚至以后更新的化学体系,我们觉得软包电池有它先天的优势,所以我们也没有放弃这条研发路线。我们现在储备的产品是75安时,就是刚才展示的这个280瓦时每公斤的产品,它可以进行2C连续充放电,而且模组也选择了一种简洁的框架式的设计,来提高模组的比能量,模组是230瓦时每公斤。同时在2019年,又推出300瓦时每公斤的产品,单体容量是80安时。

  综合以上,我们2018年会向客户推出我们技术质量和成本最具优势的产品,包括圆形、方形、软包,可以应用到商用车、乘运车、物流车,全系列的整车产品方面。系统的比能量都大于140瓦时每公斤。

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