我国电动汽车Pack技术发展趋势

 

4.1 我国新能源汽车的发展阶段

 

我国新能源汽车的发展阶段，从2009年开始算起，到2020年，可以大致划分为4个阶段：

 

 

第一个阶段：2009年~2013年。这个阶段，是技术、产品、用户、市场的积累期，这个阶段的特点是核心技术、产品形态、用户使用习惯等基本上都是空白，到底该怎么搞，大家都不知道。但是有一点是毋庸置疑的，就是一定要发展节能与新能源汽车这个产业，这涉及我国能源安全，事关我国汽车产业能否做强，也是我国制造业转型升级的必由之路。

 

第二个阶段：2014年~2015年。经过第一个阶段的探索，核心技术有了一定的突破，产品形态呈现多种多样的局面，用户也慢慢的接受了新能源汽车这个新鲜事物，最重要的是，由于中央财政补贴和地方财政补贴的双重刺激，吸引了众多的企业和资本进入了这个产业，从而造成了2014年和2015年的井喷式发展。

 

第三个阶段：2016年~2017年（进行中）。我们把这个阶段叫做窗口期，或者摇摆期，是因为这个阶段是政策逐步让位于市场的阶段，但是由于政府对于监管的加强，以及消化前期政策所遗留的额问题需要一定的时间，客观上加剧了产业发展的波动，使得行业的发展在一年当中会出现大起大落的情况。

 

第四个阶段：2018年~2020年（预测）。我们把这个阶段称作突破期，政府建立新能源汽车产业发展的长效机制，补贴政策逐步退出，技术和产品取得重大突破，新能源汽车的市场化运作机制初步建立，从而一举奠定我国新能源汽车产业在全球的领先地位。

 

4.2 2020年的关键技术目标

 

不同的国家，对于新能源汽车的发展有各自的考虑，选择了适合自己的技术路线。我国新能源汽车产业的发展，在产业目标、市场目标、技术路线等方面都有非常明确的规划，对整个产业的发展起到了非常好的促进作用。这其中有三份比较重要的文件，对动力电池及Pack的技术路线会有很大影响，值得我们关注。

 

2012年6月28日 ，国务院下达关于印发《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》的通知。这是我国新能源汽车产业发展过程中最重要的一份纲领性文件，将节能与新能源汽车产业提高了国家战略的高度，对市场、产品、技术都做出了明确的规划。

 

2016年10月26日，受国家制造强国建设战略咨询委员会、工业和信息化部委托，中国汽车工程学会组织逾500位行业专家历时一年研究编制的《节能与新能源汽车技术路线图》正式发布，本项技术路线图描绘了我国汽车产业技术未来15年发展蓝图，对新能源汽车产业的技术路线做出了更加详细的规划。

 

2017年3月1日，工业和信息化部、发展改革委 、科技部以及财政部四部委公布了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》，以加快提升我国汽车动力电池产业发展能力和水平，推动新能源汽车产业健康可持续发展。

 

 

这三份文件中，与动力电池及Pack相关的2020年技术指标，如上图所示。要达到上述要求，未来几年在工程技术方面需要有比较大的创新。

 

4.3 技术挑战及发展趋势

 

以纯电动乘用车为例，2020年的典型技术参数如下：

 

 

450km的综合工况续航里程，已经完全可以满足运营市场的需求，达到每天只充一次电的目标，也可以满足个人用户长途驾驶的需要，接近传统燃油车的满油续航里程。车辆使用温度范围广泛，可以适应我国90%以上的国土区域。在快充状态下，可以做到15分钟充满80%的电量，大大缩短充电时间。整车的整备质量小于1.5吨，百公里能耗在15度电以下，进一步提升电动汽车的能量转换效率。

 

为了达到上述技术指标，充分满足市场对于插电式混动汽车和纯电动汽车的需求，Pack技术必须在以下几个方面取得明显的进步。

 

（一）系统集成效率的大幅度提升

 

按照电芯能量密度300Wh/kg和Pack能量密度260Wh/kg的目标来计算，Pack系统的集成效率要做到85%，而当前乘用车Pack的集成效率普遍在65%左右，这意味着集成效率需要大幅度提升，才能达成目标。

 

 

要提高Pack的集成效率，有两个可行的途径，一是优化Pack内部的结构设计，大幅度减少Pack内部的组件数量，将更多的组件和功能集成在模组和箱体上，从而减轻重量；另一个是采用轻量化的材料，如采用铝型材或复合材料代替高强度钢，采用塑胶件代替金属件等，也可以减轻重量。

 

（二）广泛的温度适应性

 

冬天可以在零下20℃，甚至零下30℃的低温下工作，夏天可以经受50℃的地面高温而不趴窝，同时还要承受3~4C的快充，这是电动汽车大范围推广的必要条件。要满足这一要求，高换热系数和快速热交换的液冷/液热系统将成为Pack的标配。

 

液冷/液热系统的设计目标是在-30~50℃环境温度和4C快充工况下，将电池单体的工作温度控制在15~45℃、电池单体间的温差控制在5℃以内。

 

 

综合运用仿真分析和测试验证等手段，达到液冷/液热系统的最优化设计，才能做到-30~50℃的使用温度范围，以及大倍率和长寿命使用。

 

液冷/液热系统的设计，必须与整车的冷却循环系统相互匹配，必须与Pack的结构设计高度集成，必须达到极高的热交换效率。

 

（三）3~4C的快充将成为标配

 

想象一下，我们开着电动汽车出门，在充电站需要花费1个小时的时间进行充电，如果碰上充电排队，可能需要花费2个小时，甚至更长的时间，没有比这更糟糕的体验了。家用慢充和充电站快充相结合，是电动汽车普及的关键因素之一，对于出租、公交、物流等领域的营运车辆来说，快充的重要性甚至要大于续航里程，因为充电的时间是无法载客或载货的，充电时间越长，意味着运营效率越低，损失越大。

 

 

比较合理的快充要求，是在15分钟内，充满80%左右的电量，这要求Pack达到3C以上的充电能力，在电芯的设计、电连接设计、热设计、安全设计、以及BMS的能量管理方面，都要做出非常大的技术突破。

 

（四）与车同寿命的Pack产品

 

因为电池包的成本很高，如果做不到与车同寿命，车辆的维护成本将非常高昂，用户显然不会愿意为这额外的成本买单。

 

以乘用车为例，如果是个人用户购买，通常需要达到8年/12万公里的寿命要求，如果用于营运，寿命可能要达到5年/40万公里。

 

 

要达到如此严格的寿命要求，除了电芯的循环寿命和日历寿命要达到目标，还需要电子、电气、机械组件也达到8年以上的使用寿命。除此之外，在电芯的成组技术、系统的热管理和能量管理、以及Pack的售后维护等方面，也都有非常高的要求。

 

（五）总结

 

Pack技术的发展，涉及到多学科、多领域的知识，需要跨学科的技术融合，需要综合性的、系统性的产品开发思维，我们不能简单的把电化学、电子、电气、机械等作为核心技术看待，还要看到Pack产品所涵盖的材料、热交换、电磁兼容等方面的技术特征。

 

要开发一个可以装车的Pack产品很容易，要量产一个寿命、稳定性、可靠性、安全性都完全符合汽车级要求的Pack产品，则需要大量的工程实践、理论计算、计算机仿真和测试验证，还需要基于足够数量的产品进行迭代设计，不断的优化和完善。

 

本书的目的，在于通过系统的工程方法和大量的工程实践，为广大读者展示Pack产品设计与制造的基本流程和关键技术，推动新能源汽车产业的技术进步。