2022CHPB-5 现场照片十张（左右滑动查看更多精彩）
2022年11月23日-25日，由中国化学与物理电源行业协会、中国电子科技集团公司第十八研究所共同主办，先进电池材料/北京中联毅晖国际会展有限公司承办的《第五届先进高功率电池国际研讨会The 5th International Conference on Advanced High Power Battery》（2022 CHPB-5）在苏州顺利召开。本届大会得到了中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的特别支持，并由无锡先导智能装备股份有限公司冠名赞助及蓝科途、安普瑞斯（南京）、山东精工电子、长虹三杰新能源等赞助单位的大力支持。参加本届大会的嘉宾来自国内外汽车产业、无人机、3C电子、电动工具、铅酸电池、超级电容、镍氢电池、锂离子电池及系统Pack、锂电池四大主材等配套相关设备等领域；共有200家企业单位，400余位嘉宾出席了此次国际研讨会。
在2022CHPB-5，Session7“混动车低电压电源系统市场与技术新发展（12-48V）”分论坛主题上，来自荣盛盟固利新能源科技有限公司，产品经理，刘开平先生，做了“超级快充电池模块的研究进展”主题演讲。
荣盛盟固利新能源科技有限公司，产品经理，刘开平先生
刘开平：各位专家下午好！下面由我给大家简单汇报一下我们公司关于动力电池方面超级快充模块研发的进展情况，本身我们公司荣盛盟固利，之前是做商用车高功率性能电池起家的，在商务车领域，在细分市场领域占比比较高，达50%以上，借助我们功率性能电池的优势开发一些乘用车方面的产品。我从五个方面给大家做一个简短的汇报，首先是快充电池需求和发展的趋势，二是快充电池技术痛点，三是荣盛盟固利快充电池技术及解决方案，四是全气候快充电池模块设计，五是快充电池模块的挑战。首先对于快充实际上从我们乘用车上市以来，早期的时候大家都比较清晰，2015、2016年只有100多公里，大家对于里程焦虑和充电焦虑一直存在着，当时大家一直有一个固性思维就是充电时间和传统车加油的时间做一个类比，之前这个事情难度很大，但是现在随着动力电池的发展，不管能量密度上还是功率上都有突飞猛进的发展，现在还是有一定的可实现性的。这是2018年美国能源部对XFC的定义，能量密度达到200Wh/kg，充电功率是400kW，充电时间是10分钟达到80%，通常大家在市面上通常甬道的400V平台的时候是30分钟之内充至80%。另外就是在固定时间内，大概充多少度电，针对多少里程，充电10分钟保证跑300公里以上，这样完全可以覆盖生活中所有的场景。对于动力电池来说，动力电池里程焦虑，针对能量密度大家看到从动力系统上一直在减东西，比亚迪在国内比较突出的做CTP，也有实际的产品在用，领跑也在做CTC上市，后续大家也往CTC做，CTC我个人的理解，跟同行讨论过程中都认为大家面临一个问题就是维修，维修是一个痛点，终极目标是不需要维修，就像手机电池一样，电池和手机同寿命，不需要更换。但是现阶段短时间内很难达成，大家有一种共识，会有大模组的形式存在。CTC改变了整车的方式，现在电池往车上装，后续就变成了车往电池上装了，对电池开发的要求更高了。这是我们了解的情况，大家在做400V的时候，很少提在4C、6C，通常接受的产品就是30分钟充至80%，平均下来就是1.6C左右，现在兼容的特斯拉充电功率达到200千瓦以上，但是大家实测过程中，用特斯拉车实测，充满电也是将近一个小时。在快充从电池角度来说，或者PACK研发角度来说还是需要高平台，缩小这个里面的载流能力的要求，不至于我们里面的BUSBAR设计非常宽，本身电池内部的空间已经很紧凑了，不会有太多余的空间给他来做。关于快充这方面，国内比国外发展的要快一些，我了解的情况，国内新势力的企业明年会有快充的车可以上市了，国外整体发展偏保守一点，比我们晚一两年的时间。关于快充的痛点分四方面：电芯的角度方面来说，造成电池内阻大，充电电压可以满足，但是实际充入的电比较少，这是一个痛点的问题。二是低温情况下很难实现，通常要20-25度以上才可以实现快充。三是快充产热高，即便是高温区充电，产热量也很高。倍率大，发热量高。以前面临小一点的温差或者电流密度不均匀造成的影响没有那么明显，但是这里的电流不均匀造成的危害性就会更大。四是快充寿命差，一致性差。800V的电池即便是做成单并，系统的电芯数量也很多，所以一致性对寿命产生很大影响。第一，电芯自身具备这个能力，然后在模组级和系统级规避一些问题，如果电芯自身不满足也不可以。第一就是内阻低，然后是长寿命。这个时候快充，整车对寿命的要求并不会降低。针对这种情况，我们公司主要的方式是通过热复合降低界面阻抗，提高快充能力再一个就是做双层的涂覆，我们之前公司做的就是只涂一层，这次要做两个涂层，内层压实密度略大，外层稍微小一点。再就是电解液技术，提供高电导、新型锂盐的研发。第二，快充策略开发，低产热，避免析锂。根据析锂边界电流充电，三电极测量技术，监测不同位置析锂电位，寻找最大电流充电边界，仿真技术仿真计算不同工况析锂电位。第三，高效热管理。我们做的是软包，有一个优势就是高度方向可以做双层上下都可以做液冷板，就缩短了温度梯度，在相同的导热散热功率情况下，温度梯度会小一些，第四，低温快速加热技术。本身这种电池在冬天低温的时候，不管正常放电的过程当中还是充电的过程中，性能都是相对比较低的，低温的时候，现在还是在系统层级上来做，我们做了ACB加热技术，保证快速短时间内达到系统需要的25-20度的情况，然后再进行快充。在现有的乘用车，不管是用什么技术，大概就是0.7-0.8℃/min。但是我们的ACB技术可以达到5℃/min这种加热技术已经很高了，这个也跟安全性相关，这也是一个兼容性的课题。这是我们在电芯层级上，我们有高聚物涂覆隔膜，形成凝胶电解质增大粘附力，减少内阻。上面是没有进行热复合的，拍照的时候，中间电极之间贴合并不是特别好，内阻会大一些。我们用热复合工艺以后，下面的图贴合的相当好，整体来看就没有看到肉眼可见的间隙。最右下角是电芯循环之后进行拆解，整体的界面也是比较好的。上面那个图是电芯一致性上，现在来看整体两个电芯循环过程当中，整体的符合度是很好的。这个是双层电极设计的情况下，中间是集流体。解决SBR上浮的问题，实际操作当中就是双模头涂布的方式。右下这种图就可以看到双层涂覆跟单层涂覆比较，内阻优化明显。这是产品基本性能，正极还是采用6系，起初研发的时候，安全考虑上高镍8系的风险高一些，我们还是基于6系来做，这款产品做到72Ah，整体尺寸做到标准590电芯用的尺寸，现在能量密度达到260Wh/kg，体积密度是585Wh/L以上，整体内阻是1.1mΩ以内，现在这款电芯面对着20%-80%的SOC充电10分钟，这是具体量化性的产品要求了，这里面所有的参数都是对这款产品的开发定义项，后面的产品都按照这个来做。这是产品在做快充技术上面的工作，利用三电极，右边是通过三电极仿真得到的比较，左侧就是我们通过实物，把电极放进去进行实测，决定电芯在不同情况下具体选择某一个策略。这个是在快充策略下对电芯做了容量循环测试，这支电芯已经做了1650次循环，总体来看容量保持率比较好，保持在92%。左侧这个图是百分之百DOD循环的过程中，把其中20%-80%快充部分单独拿出来做一个对比，本身这个电池即便是在1600周循环之后，保持率比较好，如果快充性能降低了，实际上也背离了我们电池研发的初衷，我们单独把20%-80%快充这一段时间循环的情况也做了对比。早期测试的是容量充到59.7%，用了10分钟，最后一次做定容是做到了58%，用时是9.9分钟，整体的容量衰减相对比较小的。关于高效热管理，刚才我提到了快速加热，我们使用了金属箔材，通常用的加热膜都是放在模组的下端，箱体内铺上加热膜，这个是直接放在电芯与电芯之间，充分接触，另外我们选取的加热膜的内阻很小，我们在加热选取设计过程当中通过仿真，并不是通常只是计算一个组织就可以了，要考虑模组的分布上每一个都是有差异的，保持模组均匀，温度均匀。这个时候有自加热的工况，下一步中间有一个原理图，这个有一个IGBT模块控制的，我们根据温度，根据SOC状态，通过IGBT调整电流，通过这种方式达到快速温升，现在能够达到5-7℃/min，我推产品温升速度会低一些，具体应用偏保守一点。模组底部集成液成板，模组就是一个独立的，现在有了CTP的时候，国内也有，就是把模组集成液冷板。软包必定要有一个支撑层，至少有一个金属板来支撑，把这个取消减少内阻，如果有这个支撑层在，中间还需要加一层导热结构胶，导热系数也是相对比较低的。我们的做法是通过直接电芯导热结构胶到液冷板，这样减少热阻。这是我们充电策略实际在电芯测的过程中，以及极热进行了统计，作为我们电芯研发关键性参数做对比。这里我们看到第三幅图，我们在电芯进行单独测试过程当中会发现极耳电流密度比较高，这个地方的温度在应用过程中比较高，我们基于这个现象，在模组设计过程当中也有适当的考量。这是模组的基本设计方案，基本的大体的方向就是电芯是沿着厚度方向堆叠，中间有一个加强的夹板，这里就是极耳快充时候出现高温，在识别的时候，为了把它降下来，可能会对电芯正负极封边会产生不良的影响，温度特别高，容易造成漏液，所以我们会在前端盖板上通过这种方式加一个导热垫或者灌胶，通过这种方式把它导下来，直接从外部引下来。这个是基于现有的大模组对CTC的框架设想，整体的构想是往PACK装的系统，在每一个框内放一个大模组，中间这个纵梁位置上液冷流道和高压BUSBAR都集成在这儿，BMS是模组上带一个无线的BMS，整体空间还是比较紧凑的，尽量的减少一些。这个系统不像现在的车可以把电池拆下来，安全性风险初步的设想是在内部比现在的电池系统设计安全等级高一些，内部要加一些隔热层，考虑热管理起到优化作用，一旦发生热问题的时候，可以延缓热扩散的风险。这是我刚才提到的把端板位置通过导热垫贴合到极耳处做了仿真，这个云图大家可以看到，模组我们做仿真的时候，现在极耳的温度和电芯底部的温度相近，最高温度就是电芯上面整体的温度，这是现有设计方案的形式，从仿真结果来看，初始温度是按照30℃进行设计的，以5C的方案进行充电，整个充电过程当中，10分钟模组中最高温度达到了50℃以上持续了6分钟。然后后面再用0.3C放电，照0.3C放电功率进行匹配，大概6分钟之后，温度整体就会降到45℃以下，也就是我做一次快充的时候，我整体超过50度温度时间也就是12分钟。如果在上面加一个液冷板，可能时间就会更短，这是软包进行快充方案设计时候的优势。极耳整体的温度不会比电芯高那么多，整体来说很明显，本身极耳是金属的，虽然温度高，但是热量并不是很高，所以把它温度降下来相对比较容易，只要有合理的解决方案这个操作还是相对比较简单一些的。这是对ACB用这款电芯做了测试，这个不是模组级的，是把两个电芯放在一起测试，通过我们策略调整，大家电池的温升，每分钟5度是没有问题的。最后关于充电模组面临的挑战，这是我们研发过程当中的总结和我们设想。一是电芯要做到内阻低，极化小，结构稳定，出极发热小。二是快充电池尽量避免电极局部反应不均衡，温度不均衡，出现局部析锂，影响寿命和安全。三是电池发热量大，瞬时散热功率要求大，整车空调要考虑功率增加，或者提高电池耐高温能力。四是低温时电池充电速度慢，要考虑充电前电池快加热或提前预热，以便缩短充电时间。五是热安全方面保证单只电池热失控不至于引起模组失控以及PACK的失控，这个是动力电池一开始就存在，现在也同样存在的课题。只是现在用高倍率电池的情况下，温度很高，可能这种情况下这种问题表现更极端、更突出一些，这也是很大的挑战。这是我们公司对于快充产品的一些理解、实践过程中遇到的问题和实践的做法。最后简单介绍一下我们公司，我们公司成立于2002年，现有的生产地天津宝坻一期，后期产能10GWh。荣盛盟固利是国内车用高功率电池第一品牌，在PHEV商用市场一直处于领先，PHEV商用车动力电池市场占据50%以上的市场份额。这个是我们后期整体的产品规划，我们前期做过355高能量慢充电池系统，后期基于590软包产品做CTP，这个产品是能量偏功率型，基于这款产品做向下兼容，基于这个来做调整，适配客户，这个产品已经有二代的衍生产品，针对具体的客户需求做定制性的开发。HEV产品是成熟6Ah的，后期做5Ah甚至4Ah的，6Ah现在可以做到50C，4Ah要做到100C以上的高功率性的电池来做。关于PHEV和REV就融合在一起了。