PSA吴海平：高压电池系统设计与测试

所有东西都要基于需求去做，所有设计和测试活动都要基于需求去做。在满足需求的前提下，设计选择成本低的。
本文为励展博览集团及NE时代于4月25-26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：吴海平 PSA电池项目经理

演讲主题：高压电池系统设计与测试

吴海平：谢谢大家，大家上午好。首先感谢NE时代曾总的邀请，让我有机会分享在过去几年电池开发过程中的一些想法。刚才比亚迪王总讲的干货很多，比如增加CID防止电芯的过热，增加电压分段，把电压分成60V以下，在安全上做了很多工作，印象非常深刻。去年我也参加了三电的论坛，也是比亚迪鲁工分享的话题,一个数字80%对我非常有震撼，他说的80%是CTP，cell to pack 电芯成组率，这个是属于业内最高水平，一年过去了我也没有看到哪一家电池包能达到80%。比亚迪真的是行业领导者。

我今天的课题是高压电池系统设计与测试。刚才谢博士说我是来自于PSA公司， PSA可能大家不认识，就是标致雪铁龙，在中国知名度太低了。我加入PSA也才不到一年时间，去PSA之前我有十多年在乙方工作，这十多年的乙方工作让我对于主机厂，对甲方有各种怨念。我到PSA之后这一年，我感觉之前说的乙方对于甲方的怨念，对于主机厂的不理解，我现在逐渐都理解了，所以我今天主要的课题希望站在主机厂的角度上跟大家分享一下为什么主机厂会有这些需求，针对这些需求如何做系统设计和系统测试。

需求、设计、测试，这三个词是我今天的关键词。非常容易理解，大家都知道，基于需求设计，以及基于需求去测试。需求，如果不考虑需求，超过需求要求了，导致过设计必然增加成本。如果不满足需求，比如我要求一百公里续航，做到99，这就不满足需求。所以一定是需求优先，一定基于需求，今天会着重解释一下为什么整车厂或者主机厂会提这样的需求，这也是解决了我之前的怨念。

我到主机厂之后，我的总结是，需求主要就这四个方面，安全、布置、重量和电性能，按梯次下降。

最优先级的一定是安全，每个主机厂在立项之前都会说这个车打算卖到哪里，各个地方会有不同的法规，所以主机厂的法规要求比中国企业的法规更多一点，中国、韩国、欧盟有各种各样的法规要求。安全第二个要求是滥用，整车厂会接受到各种各样的安全问题和事故分析，数据分析出现哪些滥用，各种各样的滥用条件它都会考虑到，通过这些它会提一些滥用需求，比如电池包，各个主机厂都会有一个底部球击的要求，这些要求是基于主机厂对市场的分析得出的。第三个是碰撞，主机厂最关注碰撞，它的碰撞要求是来源于安全。一款车从头到尾，至少碰到30台车吧，主机厂在碰撞上的投入是不遗余力的。

第二，布置。这里讲的都是针对EV，这里会考虑到离地间隙、碰撞安全线、乘员舒适。离地间隙首先有一个法规，各个地方法规不一样，欧洲有一个法规是电池部位有120毫米的离地间隙，各个厂有不同的定义。布置需求也是来源于这些整车的实际情况。

第三，重量。电池包对重量特别敏感，尤其在中国特别敏感，刚才谢博士介绍了不同能量密度会导致补贴价格不一样，所以重量在中国会特别被电池关注。除了补贴这种政府层面的要求，在整车层面上，重量会影响到整车的刹车距离，这个也是安全需求，每个车厂会要求刹车距离要求多少米，如果重量高了都会有影响。重量也会影响到离地间隙。第三是能耗，这些是在主机厂的角度来说，重量会影响到这些东西，所以它会考虑到减重，不仅是电池包。

第四，电性能需求。电池来讲比较常规的要求：电压、能量、安时、电流，这些都是对电池的需求。对于整车厂来讲，它关注充电时间、续航还有加速性能。充电时间对于电池包来讲，一般定义30分钟充80%，但是主机厂的定义不是这个，它是根据加油去算的，现在PSA要求是充一分钟车能跑10公里，这个是主机厂的描述，充十分钟可以跑一百公里。续航无非要求电池总容量还有它的百公里能耗，还有加速性，加速性对于电池来讲就是放电功率。这就是从整车厂的角度上给大家解释一下为什么电池包会提这方面的需求，所有主机厂的需求都可以转化在电池功率、能量等各种各样的需求。

这个是碰撞的仿真，这个地方是电池包的壳，电池模组，外面是车身，这个是车的最外沿。碰撞过程中，目前来讲在这个碰撞里面，这里基本上没变化，这里会有下降，但是没碰到模组。PSA对于碰撞的要求是，模组不能被接触到，甚至还有更严的要求，这里要求不变形。目前仿真看着挺好，实际情况还有各种各样的问题。

这两个图一个是75度碰撞和后碰，这个图有绿色区域、黄色区域、红色区域，这个是位移，如果在50g以下的冲击强度下，大于0.22米左右，我们认为这个区域是碰撞安全区域。这个相当于限制了电池包的宽度。包括后碰的需求，如果要安全，那它的和最后面要大于0.5米，这个限制了整个电池包的长度。为什么给的电池上的需求不能变宽、不能加长，尺寸不能给你，是基于碰撞分析。如果要让电池包在安全环境里，就需要满足这些间隙的要求。特斯拉在黄色区域里，它牺牲了一部分的碰撞安全性，满足它的高能量、高续航，也因为把电池拍扁了，导致它需要牺牲碰撞性能的需求。

离地间隙方面，这也是市场上车型的对标。对于电池这个区域，像欧洲法规要求120毫米，最好的是离地间隙160毫米。这个离地间隙跟法规有关系，也跟各个主机厂对整车定位有关系。刚才讲的那个需求大概解释一下为什么主机厂会有这些需求。

回到设计，对于系统设计来讲，本人对系统设计有一个定义，系统设计应该是需求和产品的“桥梁”。系统设计的好坏直接决定了这个产品的好坏，所以我对系统需求的定义是，一定要在充分了解所有这些需求的情况下，选择一个最优的方案。在满足这些需求的前提下，成本越低越好。先满足需求就可以了，不要想着跟主机厂讨论我的性能比谁谁好多了，但是成本比他高一点点，行不行？不行。只要满足这个需求就可以了，再多需求没用，就浪费了。后面举两个例子，比如电芯如何选，EV，我肯定选能量型，不会找PHEV的电芯，这样会导致成本上升。第二再去选电池形状，这个跟电池包本身的尺寸相关，如果电池包的高度是140毫米，差不多刚好比VDA模组高20毫米，这种情况下就可以用铝壳标准电芯，如果高度特别高，给你160、180没法用模组，你可能需要开发一个特殊模组，用软包可能比较合适。像特斯拉高度就80、100，没办法，只能用18650，21700，没有其他选择。这些定义完之后，仔细地看这些电池包性能需求。能量、电压范围等等。我这里的选择没有选电池用什么材料，是三元的好，还是磷酸铁锂的好，因为主机厂不考虑，不管什么材料，哪一个便宜用哪一个。

还有像壳体，解释一下这个表格的意思。这个表格不管用钢壳还是铝壳，都要满足机械强度的，要满足挤压、碰撞、振动，所有需求都要满足。同等需求情况下，它有哪些优缺点？重量上钢壳百分之百，铝壳可能只有50%。同样的体积铝壳更小一点，因为钢壳冲压有很多圆角区域，那些区域都不能用，铝壳的空间利用率会更高一点，所以铝壳体积会小一点。其次是工艺性，钢壳比较好加工，冲压、焊接，钢的加工非常成熟，铝合金的壳体加工比较烦一点，因为铝合金的焊接会导致原材料强度下降，成熟的工艺性来说是钢比铝壳会更好。其次是成本，毫无疑问，钢壳原材料比较低，工艺性好，它的成本会比铝壳成本更低。因为目前政府支持要走高能量密度的路，一旦未来不再走高能量密度了，我觉得还是会回归到成本优势，很多车厂还是会回到钢壳方案来。我不确定，因为这个只是成本上的比较，可能还有一些特殊的高级别的车，需要更高性能，必须用铝壳，这也没办法。

我的概念里面，测试无非两种。一种是法规，法规测试没办法，想在那边卖必须满足法规，必须去做。法规跟实际情况是否匹配也不一定，很多法规也是与时俱进的。第二，除了法规之外的测试，其他所有的测试都是应该要基于它的实际需求去设计的。举一个例子，像底部石击，这是一个仿真动图，下面电池包受到大的挤压力能否安全，是否不起火不爆炸？这是PSA的标准，要求是不起火不爆炸。通过这么大的挤压力，电池会承受多少力，我们这边也会测模组在受多少力的情况下是安全的。比如模组在受一千扭或者两千扭是安全的，我们可以定一个标准，超过两千就不合格了，低于两千扭就是合格的，这种实验要基于实际需求定接受的指标，这都是根据实际情况做的。

像热失控的应该分两种情况，首先电池包设计应该尽量避免热失控。第二，在热失控的情况下如何确保安全，GB国标要求是五分钟，五分钟原理是五分钟可以让驾驶员从车里逃离出来，这是新国标的需求，热失控之后要让乘员跑出来，在欧洲这边PSA的要求是30分钟，30分钟之内出现报警之后电池里面热失控导致的火焰不能从电池包里面烧出来。为什么它会定这个要求？欧洲出事故之后，消防员过来把人救出来，这个时间差不多30分钟，所以他们定义这个时间要30分钟。这个也就是不同地方的法规针对的实际需求不一样，大家考虑的场景的区别，导致的标准也不一样。

小结一下，基于主机厂的观点，如何看待电池包的设计和测试，给大家一些信息。所有东西都要基于需求去做，所有设计和测试活动都要基于需求去做。第二，在满足需求的前提下，设计选择成本低的。第三，测试除了法规之外，要基于实际使用情况去设计这种测试实验。今天讲到这里，谢谢大家。