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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。

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。



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。



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：
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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；
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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！