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捷威动力伊炳希:高集成度电池系统开发

2019-04-22 00:00:00


备受业内瞩目的“2019第四届中国国际锂电暨电动汽车技术发展高峰论坛”于4月17日-18日如期而至,在上海大华虹桥假日酒店隆重召开。本次大会由第一锂电网,电动出行网,中国充电桩网,锂电百人会,贺励博览集团联合主办。汇聚了800余位来自国内相关政府领导、协会领导、院校专家学者、新能源汽车、动力电池、氢燃料、固态电池、充电桩、研究机构、投资机构、行业媒体等专家领导与行业高管,人士出席。论坛同期举办:2019第四届中国国际电动汽车充换电产业大会、2019中国锂电池行业十大品牌评选活动、2019中国十大充换电品牌评选及颁奖典礼。

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捷威动力 伊炳希总工程师


伊炳希:大家下午好,非常高兴受到组委会的邀请,作这样的一个报告。题目为高集成电池系统开发,是一个成本降低提高产品竞争力的路线。报告分五个部分,第一部分就是看一下集成的现状怎么样,发展趋势会是什么样?第二部分看一下怎么样来提高集成,怎么定目标,以及开发路线。第三部分是我们公司电池系统的零部件开发。第四部分主要电池系统的优化方向,最后部分是公司的简单介绍。

先看第一个部分,集成定义,是一个孤立的事物或者元素,改变原有的分散的状态集中在一起,产生联系,构成一个有机整体的过程。从这里面可以看到,最主要的是一个零散分散的状态,要产生联系,再是整体。在各个领域里面都有很多的集成,比如说CPU是高集成的,且集成度越来越高,还有机器人,还有发动机,这些是非常典型的集成产品。在集成时围绕的是多学科和工业的技术,实现多功能,进而可靠性大大地提高了,这是集成的一个目的。

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再看一下电池系统的集成现在发展情况,看一下能量密度提升,中国新能源汽车17年的能量密度就是120—130Wh/kg及其以下,占了73%,18年是140—150Wh/kg及其以下,占了84%,19年是140—150Wh/kg及其以上,占了94%。在能量密度和比例上,都是有所提升的。19年在160Wh/kg上已经占了34%,这些不单单是电芯能量密度提升,还有系统上的其他部件的轻量化。下面简单看一下电池系统,大家可能都其他地方也看到过,整个的电池系统,由电芯,高压盒,加热热管理部件等等组成的。整个电池系统也比较复杂,涉及到电化学、电子、机械、电气系统、热物理专业等等。

看一下电池系统集成现状,国外的发展方向还是往与整车一体化,还有系统内的模组等的一些标准化。这是特斯拉典型的电池系统,红色的这一块,就是跟车上的电池包做了一些整合,这是特斯拉优势,整车易于电池系统进行整合。第二个就是宝马I3,看图中红色的这一部分,由大模组来强化电池系统,同时也增强了整车和电池系统的强度和刚度。看一下奥迪e-tron,电池包可以分成各个格,Y向框架比较细密,高度也比较高,增强了底盘的强度和刚度;从国外的发展趋势可以看到,是大模组,模组将越来越大,同时又一些车都开发出独立的电动一些平台等等这些技术。再看到国内这一块,集成技术推进方面还是比较快,但为了顺应市场快速调整要求,很多车企都是用传统车改造来搭载电池系统,但也做了很多设计,也有开发适用于电动车的平台,如奇瑞小蚂蚁等等,做了较多的突破,而且快速迭代,特别在标准化和模块化方面,这些应用还是比较成熟的。国内的发展趋势是部件多功能化,独立电动车平台化要求、与整车一体化设计等。

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下面介绍第二部分:高集成电池系统的目标和开发路线。看到这个趋势之后,这样的电池系统在做高集成的时候目标如何设定、开发流程如何等,在目标定义也是一个V型的开发过程,产品设计也遵循V型开发过程。从整个流程来看,围绕几个方面:机械结构、电气与控制和安全保护,在机械结构上,围绕电芯能量密度提升、结构轻量化、部件多功能化、与整车一体化等;在电气与控制上,功能高集成化、能量管理与热管理的集成、模块化;在安全保护上,安全感知策略化、安全在线化等,意味着集成时不能降低安全要求。

集成电池系统的目标为少零部件化、轻量化、安全可靠性和低成本化。这些目标实现后可以达到安全基础上低成本化。其中少零部件化目标围绕着标准化、模块化和多功能化展开,目前标准化公司还做的不够,着重在部件通用化、减少数量和增加特殊要求的部件通用化,如PTC加热片,公司做成一个标准化的部件,可以直接应用于不同的项目中;针对模块化,把一些小部件做了一些集成,形成了一些模块化的产品,如电池模组;还有就是多功能化,如整个高压电气系统,与BMS进行整合,线束减少,成本也降低。
集成的第二个目标轻量化,首先确定轻量化框架条件:环境,安全性,质量,加工,结构和总成本,这些轻量化设计,与主机厂的设计是一致的。动力电池系统作为整车的一部分,目前整车的轻量化设计比较快,需要密切进行匹配性设计。

以公司电池系统轻量化开发为例,目标是能量密度达到160Wh/kg,开发流程为标准制定->部件模拟仿真->目标定义->校核与优化迭代,先进行目标分解,分解到各零部件,再进行各零部件的结构设计,进而定义了零部件轻量化目标,形成电池系统结构,进行仿真分析,是否可以达到各种工况以及极限工况的强度等要求,如果没有达到标准要求,再进行零部件优化设计、仿真校核的循环迭代,最后把电池系统25个部件全部做成轻量化,达成轻量化的目标。

集成的第三个目标是安全可靠性,把安全可靠的技术做一些分解,并对零部件做一些精确的设计和可靠性的设计,公司对危险三角形做了一些分析,构建危险致因因素模型,实现系统安全核心过程,进行安全设计,分解到各个阶段和展开设计活动。

成第四个目标低成本,公司主要是开展产线的集成简化工作,所开发的部件集成化比较好,可以把原来的产线上的一些工序去除,如激光焊接等,从而降低了制造成本。

下面介绍第三部分:高集成电池系统关键零部件开发。公司的电池系统高集成上的一些工作,如模组,通过高集成设计,同样能量密度重量比竞争对手降低了约1kg,其中线束降低了几克,并集成了过流熔断功能等,该电池模组在长城欧拉R1,整个系统的能量密度是176Wh/kg(2019年第二批第一),。再看一下热管理的系统,原来的热管理系统是左边的分体式的热管理系统,为各个分立的液冷板,通过一些液冷接插件连接起来,构成液冷系统。通过高集成设计,形成一体化的液冷系统,取消了内部液冷接插头,只有统一的对外进口和出口,减少漏液风险,也减少一些安装难度。再看电压和温度采样线束,由原来的PCB+FFC的三个部件,变成为一体化设计的FFC部件,减少了物料种类,而且减轻了安装风险。

公司还在电池系统的其他部件上也进行多功能化、复合材料、少部件化等设计,如集成BMU的PHEV电池模组、以塑代钢的固定件、带液冷系统箱体、BLOCK框架减量化、铜铝复合件等。

下面介绍第四部分:高集成电池系统优化方向。1)模组方向为大模组,为接近26kWh,是用来标准模组的10倍,实现模组的安全性和可靠性,对外电气接口只有动力和监控,对外机械接口体现在两侧多个集成固定点,且两侧的高度差为固定高度,这样可实现电池系统的高集成化,如一个车辆,可能要一到两个的大模组,通过简单安装,类似于整车座舱乘员座的安装,实现与整车的一体化目标。2)围绕轻质量、低成本,高安全、高效、快速响应等设计高效的热管理系统,选择冷媒直冷和加热膜加热,设计出热管与加热膜集成的热管理系统,解决了直冷系统的巨量标定问题及加热膜的干烧问题,比传统液冷系统有以下优势:a)直冷系统结构单一,控制策略简单;b)直冷系统更低冷却温度,提高散热能力;c)直冷系统的响应速度更快,效率更高,d)制冷剂无毒不可燃,泄露无安全风险;e)加热系统更加节能;f)整车热管理系统成本更低。3)大量采用激光焊接实现模组内部的电连接及结构连接,降低设计成本,提高效率和模组成组率。4)热固性电阻点焊胶替代传统电阻点焊,实现了a)降低焊点周围的应力集中,提高结构疲劳性能;b)提高电池系统固有频率;c)胶具有高剪切强度、良好的耐老化性;d)提高整体密封性能;f)低成本、点胶工艺简洁、热固过程无需增加特殊工艺。5)导热结构胶在模组中电芯侧边、极耳与壳体、支架与壳体之间应用,实现固定和导热功能,等等。

公司的介绍,公司总部在天津,2009年成立的,股东为上海复星、江苏悦达和核心员工等。产品专注动力软包电池,涵盖从单体电池、BMS、模组和电池系统。2019年,产能达到6.5 GWh,目前有三个基地:天津、江苏盐城、浙江嘉兴。后期的产能规划,在2023年具备40 GWh产能。

下面为总结:

电池系统发展趋势为大模组化、部件多功能化、模块化、整车与电池系统高集成、满足独立电动化平台化要求等;

高集成电池系统的目标为少零部件化、轻量化、安全可靠和低成本化,且有相应的开发流程;

公司所应用的电池系统能量密度达到176Wh/kg,主要零部件实现高集成;

高集成电池系统的发展方向为大模组化、高集成热管理系统、轻量化与可靠的连接技术突破。

谢谢!
    

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