爱驰杨建军​：动力电池发展趋势分析

这里有关于磷酸铁锂、三元锂电池、固态电池和快充的一些看法。
本文为励展博览集团及NE时代于4月25日-26日联合主办的 "第三届AWC2019新能源汽车三电系统开发与测试技术大会" 演讲嘉宾的现场实录。

演讲人：杨建军 爱驰汽车电池高级经理

演讲主题：动力电池发展趋势分析

杨建军：各位来宾大家下午好，非常高兴有机会分享动力电池发展趋势和看法。这个话题不是新话题，因为我们除了关心过去，关心现在，还关心将来，下面我就这个趋势谈一些具体的看法，当然有很多议题可能在不同的场合已经有谈过，在这里我会给出有不同的解读。

关于电池发展趋势，国家有非常清楚的规划，可能有些地方比较激进，尤其到比能量大于350wh/kg部分。在这个发展规划中，电池比能量的提高基本上从高克容量的正极材料、负极材料着手，同时还有一些电解质的改变，带来的好处是电芯比能量一直不断地增加，但循环寿命和安全性有比较大的减少；比能量提升的好处在同样的体积下面和同样的重量条件下，电芯能量装得越来越多，因此整车续行里程就越远，从而解决了电动车里程焦虑问题。国外调查研究结果表明，续行里程焦虑临界点在大概400公里，像特斯拉的车上面装了大能量的电池，基本每个型号的车可以跑到400公里以上。对这个趋势，我不需要讲太多，我相信很多论坛的都会谈到这些，下面具体讲一下今天具体的议题。

报告主要讲四个方面，第一、在后补贴时代，磷酸铁锂、三元，谁应该成为乘用车的发展趋势？第二、模组的标准化趋势，尤其是国家推了标准模组尺寸标准，电池包标准化和平台化的大背景下，行业出现模组尺寸类型越来越少，模组向几种经典的尺寸集中，非主流尺寸的模组可能慢慢会被标准化模组代替，这对行业的发展是有帮助的。第三是快充和高倍率的趋势，尤其是电动车上，快充的真正需求是什么？最后简单讲一下固态电池的趋势，我是基于别人已有的资料讲一下自己的观点，可能没有非常详实地从头到尾地分析，只是简单的谈一下看法。如果有什么疑问，后面结束时可以相互交流。

下面进行第一个议题：
磷酸铁锂和三元商品化的两个正极材料，都存在两个指标，第一个是理论的克容量，第二是实际克容量。左边是理论的克容量，磷酸铁锂是170mAh/g,三元基本在280mAh/g, 对磷酸铁锂来讲，因为这个材料非常稳定，可以把锂的95%以上正极锂用来嵌入嵌出，目前商业化的产品已发挥到161mAh/kg，再向上会碰到理论上的天花板，而三元材料，随着正极镍含量的提高，可容量也会从155mAh/g提升到196mAh/g。由于克容量的提升，三元电芯的比能量可以从205wh/kg提升到255wh/kg, 三元模组的比能量可以从185wh/kg提升到230wh/kg，而磷酸铁锂电芯和模组比能量只能保持160wh/kg和144wh/kg。

对于磷酸铁锂和三元电芯，我们从电芯极限成本、比能量、循环寿命、比功率和安全五个纬度作了比对，三元材料的比能量非常高，磷酸铁锂寿命长、安全性好、有一定的价格优势，对比功率而言，这两种材料都不会有太大挑战，尤其电池包的电量增大之后。

再分析一下车的需求，车一般分为小、中和大，对应不同的车有不同的续行里程需求，不同续行里程需求代表不同电池包电量；对于小车一般要求电量比较低，在100~200km的续行里程，甚至到300km续行里程；对中级车，续行里程需求在300~400km，这会是电动车的主流续行里程。对大车而言，比如特斯拉Model S，一般车比较大，装的电池电量大、重量大，车的重量也会增加很多。

目前电池包的平台化和标准化趋势愈加明显，模组标准化必须适应这一趋势。这一趋势会限制异形模组发展，因为异形模组结构和加工复杂，成本增加，没有竞争优势。基于标准三元模组开发的平台化电池包，可以在长度方向上拉伸或缩短，这样做可以减少模具、工装的费用，压缩开发周期的和验证周期，减少验证费用。基于这样的平台，三元电池包电量可以从18kwh做到72/84kwh。如果使用更宽的平台化的电池包，电量最大可以做到100kwh。对于磷酸铁锂电池来讲，如果用6个*4排VDA模组的电池包平台，电池包电量能做到18~42kwh左右；如果选用更宽更大的电池包，电池能做到50~61kwh。在外形上三元和磷酸铁锂的电池包实现了共平台，但由于三元锂离子电池和磷酸铁锂电池电压平台的差异，相比三元标准化模组4串结构，磷酸铁锂标准化模组比较适合用5串结构，因此电池串联数会从96串变为110串。由于电芯串数的改变，从板放在模组中会妨碍电池平台化开发，使用分布式BMS会是一比较好的解决方案。但磷酸铁锂和三元的OCV特性不同，BMS应用层的算法应该作适应性的变更，如此才能保证相应的性能精度。

基于磷酸铁锂和三元都能做到的电量---36度电电池包进行比较经典的对比：不同材料体系电池包的重量不同。电池包重量会影响到整车的经济性，在同样的NEDC考察工况下，磷酸铁锂每百公里会多消耗约0.5度电，如果用快充按每度电2RMB来计算，每百公里使用成本会增加约1元，如果整个生命周期按30万公里，在使用成本上磷酸铁锂会增加2700多元钱。目前磷酸铁锂和三元811的单价差作为横轴，每瓦时差别如果是只差5分钱的话，磷酸铁锂价格没有成本优势，会比811三元多约650元；如果单价差1毛钱，磷酸铁锂物料价格就会少1150元。平衡点在0.05元到0.1元之间。如果加上综合使用成本，磷酸铁锂和三元的平衡点在0.1元到0.15元之间，再考虑到磷酸铁锂优异的循环性能，用在B端车比较划算。

基于上面的分析，我们可以得到一些结论。磷酸铁锂因为比能量限制，磷酸铁锂比较适合用在小车和中级上，电量能做到18~42kwh，尤比较适合用在B级以下的车型。另外根据不同应用场景决定，到底用磷酸铁锂还是用三元，还需要具体问题具体分析。

第二个话题，模组标准化。关于模组的法规，两年前国家发布了推荐性的标准化尺寸电芯和模组标准，给出了推荐性的尺寸。在没有发布这些标准尺寸之前，行业内模组的尺寸各种各样，形状也不同,无论圆柱形电芯、软包装电芯还是方壳电芯。为什么当时会有不同形状的模组出来？有一定历史原因，原来的电动车都是基于传统的乘用车做改装而成，为了适应整车车身需求，把电池做得千奇百怪的。随着整车底盘做标准化，国家适时地推出标准化模组，影响力比较大的是VDA模组。圆柱形，方壳还有软包装，都有VDA形状，但是这三种模组能完全替代吗？不见得。圆柱形VDA模组很难做热管理，软包装和方壳VDA模组是否能通用，可能也要根据具体情况去分析，后面会用一个实例分析软包装和方壳VDA模组为什么无法通用。其次谈一下VDA模组的三个长度355、390和590，这三个尺寸是充分研究了车上的尺寸需求后得出来的。但考虑到模组加工难度，355尺寸比较短，所以比较容易实现了。现在比较多的厂家能提供这种模组，目前是主流。390模组，目前能够提供得还是比较少。590更少，所以在相当长一段时间内，355模组还是主流，其他发展起来之后，355模组也不会淘汰。

电池包要做到平台化、标准化，可能要考虑用标准模组来做。如果是XP4S的模组，软包装模组两个铜排一侧比较便利，为了把端子做到两端，必须增加跨界铜排，这对于软包装来讲很尴尬，使本来具有比能量优势的软包装模组变的不明项，同时会增加体积和成本，另外，会对电池包的法规验证和滥用测试通过性带来挑战。是否有解决方案呢？个人看法，可以把软包装模组做成VDA的某个倍数，用奇数串联的方法，这样就可以去掉24个铜排，这种潜在的解决方案一旦形成共识，标准化量产之后，成本肯定会降低，更能够满足用户的需求。

基于这个可以得出，VDA尺寸是模组标准化的趋势，尤其355模组在很长一段时间内会占据大量市场份额。软包装考虑和硬壳模组VDA在包级兼容，柔性大模组是个很好的方向。

下面再讲一下快充和高倍率趋势。很多都看过充电5分钟通话2小时这个手机广告，对于4000mAh电量的电芯，充电5分钟能充35%的电量，充电倍率约为4.2C，这是一个很好的体验。但是这个体验在电动车上是不是能够借鉴呢？让我们先做一些分析的。用极限的方法来挖掘用户的潜在需求，假设用20C的、电量只有2kwh的电池包，3~5分钟可以充满2kwh，但满电也不能跑很远的续航里程。如果用63kwh的大电池包，充电倍率只有1.2C，但是可能在15分钟内充到19kwh电量，它就可以满足90%单次的私家车的运用场景(约120km)。兼顾了时间和里程，这个应该是它的优势，但这种电池包并不是高倍率电芯？整个电池系统里面，电芯占了80%以上的成本，倍率的提高以为比能量下降和成本的增加为代价。微信朋友圈里经常会说欧洲要用450kw或350kw的超充桩，这个是否是趋势？有可能是，但如果用目前乘用车商品化的最大电量100度电电池包来评估，如果用450千瓦充电，电芯显然是无法满足要求的？最近特斯拉起火，极有有可能是累计了很长时间过电流，最后发生内短路导致安全事故。同时，考虑到电网的负荷，电动车大量普及时，电网很难承受。

前面提到，倍率的增加会带来成本上升，我们分析了一下从1.2C到4C，到7C、15C、25C，电芯的每瓦时的单价会从零点几元增加到五块多。再分析电池包的价格，7C 20kwh的电池包的价格和1.2C,70kwh差不多了。提高了充电倍率，但是单次续航里程并不会增加，失去了高倍率的意义。比较可行的方案是，电池包能量做上去，倍率进行适当的提升，可能会降低一定的比能量，但价格会增幅会较少，循环寿命也会明显改善。从上面分析可知，快充需求并不是追求高倍率，而是充某一段时间，能够保证有足够的续航里程，而不是一味的提高超充桩的倍率。结论，快充一定要在满足续航里程基础上，适当地提高充电倍率，这样能保证比较好的性价比。

目前固态电池有氧化物、硫化物、氢化物等六种类型。看了雷达图后，你会发现每一种电解质都不完美，而如何把电解质的优缺点结合起来，会是一个潜在的克星方案。目前发现，行业常温性能比较领先的固态电池供应商，都是把某几种固态电解质结合起来使用，甚至需要加一些液体的才能解决固态电池的界面问题。到目前为止，固态电池的供应商还不能真正量产的电动车用的固态电芯。对固态电池的趋势，根据国内外的权威机构给类似的趋势线。趋势有两个阶段。第一个阶段，先是液态和固态共存于市场，这是固态电池发展酝酿期，这个阶段存在的原因是目前的固态电池还是用现有的材料体系，只是把电解质改成固态。但价格无法和液态竞争，唯一优势就是它的安全。第二个阶段爆炸性的发展阶段，只有把固态电池基础性的东西做好，取得一些突破发展，达到液态电池没办法企及比能量之后，同时解决了寿命和功率问题，固态电池才会大规模发展。

结论，目前我们固态电池供应商普遍采用多种固态电解质混合，加一些液态混合成半固态量产，然后由半固态发展到全固态。第二，相同正负极材料，固态电池比能量小于液态电池，高价格会使液态固态两者共存。有了根本突破之后，把寿命和功率问题解决了，固态电池才会进入第二个阶段。

以上是我的报告，谢谢！

提问：快充主要还是基于对于里程的要求，而不是过分地追求充电功率。爱驰汽车这边有没有考虑过，从车主这边他会对充电时间上会有更多的兴趣呢？

杨建军：爱驰在做这方面的考虑，我们也一直在关注电池的需求，充电时间绝对是电动车的用户要关心的一点，但是实际上关心两个东西，关心充电时间同时还关心在这个时间内充的电能跑多远，后者是他们关心的重点。目前要么把电池包做大，电池包大了之后同样的充电功率，倍率可以下降。也可以在大电量基础上，适当提高倍率，充同样的电量，但充电时间缩短，同时寿命会增加，有可能会是更好的方案。

提问：我来自奇瑞，爱驰是否会考虑换电的方式？这样就减少了充电时间的要求。

杨建军：爱驰也有一些能量棒的宣传，我们的架构基于两个电池包，一个主电池包就是传统的A包，还有一个B包方案，这是目前比较好的趋势。它的好处在于，如果你不需要这个电池包的时候，你可以拿下来，这个电池包大概有18~21度电，100多公斤，这样可以减少整车重量，提高整车经济性。

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