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电动汽车事故频发让国家收紧“准生证”动力电池厂何去何从?

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摘要

特斯拉电动车是三元材料电池应用的典型代表,安全性能否取得突破一直被质疑。特斯拉电动车尽管续航里程较大,但往往电池容量大意味着安全系数低。国内对动力电池,一直存在着磷酸铁锂电池和三元材料电池路线之争,争论的核心其实是,将续航里程还是安全性放在第一,或者两者有没有更好的结合点。

北京时间8月16日,特斯拉电动汽车再次发生自燃事故。特斯拉近年来自燃事故不断,行业普遍认为问题是电池安全性太差。

特斯拉电动车是三元材料电池应用的典型代表,安全性能否取得突破一直被质疑。特斯拉电动车尽管续航里程较大,但往往电池容量大意味着安全系数低。国内对动力电池,一直存在着磷酸铁锂电池和三元材料电池路线之争,争论的核心其实是,将续航里程还是安全性放在第一,或者两者有没有更好的结合点。

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据工信部数据统计,自2009以来,我国新能源汽车安全事故共31例,其中2015年以来发生17起,在这17起事故中有4起是电池系统的事故、有6起是相关部件的事故、有2起是充电系统缺陷引起的,当然还有5起是违规改装或者不当使用引起的。截至2015年底,事故率达到0.17‰,高出世界平均水平一倍多。

超威集团研究院副院长柯克表示:“特斯拉采用的是松下锂电池,诸多业内人士基本认可其代表电池的标杆,但是中国市场与其他国家不同,在中国为了降低初期成本,尽量使用较小的电池,并且过度消耗电池寿命。因此对动力电池企业来讲,中国市场是世界最具挑战的市场。”

事故原因分析

都说安全是动力电池的命根儿,最近在思考电池系统由内而外起火的原因分析,这里主要是考虑一层层原因往前去推,然后考虑将以前和未来的事故都放进去进行匹配,再根据各个车型的实际设计推测未来出事故的PPM(百万分率)。

这是从假定单个出问题,再扩展到全局的实验维度,从图中可以看出:

整个分析只是为了匹配电池系统着火这个极端事件产生的,我们就区隔出由机械滥用的内容,电池系统的设计基础是着眼于放在一个车辆比较安全的位置,防止在车辆使用过程中出现问题,整个机械设计固然是目前大量做针刺、挤压等实验安全性的内容,但实际上由机械滥用引起的问题反而成为大家容易解决的问题。

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以特斯拉的三起事故为例:

1.在美国田纳西州士麦那起火燃烧,这辆电动车冲向掉落路面的拖车挂钩,底盘碰撞后发生火灾。

2.驾驶者在转弯时撞上、并穿过了了一座水泥墙,最终撞在一棵树上停了下来,起火。

3.在西雅图车主称撞上了路中的金属残片,因此他离开了高速公路。车子失效后,他又闻到了燃烧的味道,车辆此时着火燃烧。

这种机械上的设计也显得简单,在结构外围和底盖考虑更多的防护,即可取得立竿见影的效果。

我们可以再思考一下车起火是电池还是电池之外?很大一部分是电池之外的负载,线缆过热导致外围部分被点燃的事更多些。

这里我们可以分基本的三层,着火的本质原因:

1.电池内的未按照设计意图的热能释放+内外燃烧物

2.电池内的可燃气体释放+燃点

3.电池内的可燃液体释放+燃点:此处主要包括电解液泄漏和冷却液泄漏两部分。

我们可以对电池系统的热能释放来考虑:

1.电池包或电池单体过充

过充一般而言确实是热能释放比较普遍的原因,电池包级热失控事件,可以往下细分为多电池(模组、单体过充),电池过充和电解液蒸发过热,还有就是电池剩余容量(SOC)计算错误引起的过充,高SOC状态下,未按照保护而进行能量回收引起的,以及充电控制程序卡住引起的过充。

2 短路过流的人热能释放

电池包/高压电路故障导致短路,散发热量。主要是由电池包内部短路和外部短路,引起导体和连接器过热、单体过热引发随后的热事件,进一步细分也可以分解成模组的短路引发的部件过热。例如模组一级的短路、电池组内一级短路、外围腐蚀性/导电液体进入引起的短路。

3 高连接阻抗的发热

电池包/高压电路的故障,导致充放电回路中出现高阻值的位置,电流在这一高阻点的温度上升,可能导致了相邻材料的着火和后续的热量传播。干路连接点接触不良、腐蚀引起发热。

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4.电池的内阻提升和内部出现过热

单体排气产生可燃性气体,随后的热源(电弧,单体热失控)导致电池系统的多余热能。单体单点故障热失控界定实验,可以考虑单个单体扩展到整体方面的,在既定的条件下,将实现每个电池包备案交底,有些参考作用,但实验的条件与故障的发生不大可能完全吻合。

国家将收紧“准生证”电池管理系统标准将出台

在中国的电池体系中,磷酸铁锂是相对安全,但是能量密度偏低,近年逐渐被高能量密度的三元材料电池取代,不过,三元材料电池安全性有待考验。

据测试机构数据显示,现有的动力电池系统中,单体电池的风险普遍存在,低风险包括漏液、变形、排气,高风险包括火花、爆炸等情况。如果单体电池出现热失控,三元材料电池比磷酸铁锂材料更容易出现火花。

三元材料电池的安全问题,也并非没有解决之道。中国工程院院士陈立泉称:“固态电池中不含可燃的液体电解质能够极大改善电池的安全性,这是我国锂电池唯一的机遇,如果这个机遇错过了,下面要研究锂硫电池、锂空电池也就失去机会。”

目前国际上已经有4000多辆法国Bellore公司生产的电动汽车,搭载的电池是磷酸铁锂做正极,金属锂做负极,中间是聚合物的固态电池,叫PEO。但是早在2014年中国就已经推进了相关的研究工作,没有取得突破性进展。

陈立泉表示:“建议大力支持固态电池的研究、开发和产业化。希望在五年之内能够实现产业化。”

电池单体是影响电动车安全性的因素之一;另一方是电池系统,可能由于其整体设计缺乏合理性,各部件设计空间没有统一规划,导致事故风险概率提升。

据相关机构调查,国内新能源零部件系统领域排行前10位的厂商,对于电池的模板和电池包之间的间隙大小没有统一的标准和要求,在插接件、电缆等高压电气部件,以及电机控制器等整个系统安全防护方面也缺少合理、统一的规划。

工业和信息化部装备工业司司长李东表示:“国家已经组织制定了电动汽车远程监控标准,并且电动客车安全条件即将发布实施。电池管理系统技术条件、动力电池的编码、规格尺寸等标准正在编制、修订,并且也要尽快出台。与此同时,正在组织修订新能源汽车生产企业和产品准入规则,拟大幅度提高企业的研发能力和生产条件要求,提高性能和安全的要求。”

多路线并进更保险?

公共交通体系和新能源客车始终是政府推动新能源汽车产品的重要切入点。截止到2015年底,全国新能源公交车辆达到8.6万辆,同比增长136%,其中纯电动车3.6万辆,同比增长3.9%,全国共有纯电动出租汽车7000多辆,同比增长72%,增幅比较大。其中,磷酸铁锂和三元锂电池是主要电池路线。

今年年初1月14日,工信部发布《新能源汽车推广应用推荐车型目录》,其中未见三元系电动商用客车,未进入《目录》的车型将无法享受政府补贴,及免购置税的政策优惠。有业内人士分析称,这对车厂积极性造成很大影响。

发展高能量密度动力电池体系已经成为国际主流趋势。据统计,三元材料电池目前占全球锂离子电池市场的80%以上,并且高能量密度是我国“十三五”规划动力电池的核心技术指标之一。这也是当前产业化的电动汽车续航里程,仍未满足市场需求所推动的必然结果。

对此,柯克表示:“我们采用的是多条技术路线并行,这里面包括了材料体系,也包括了产品的规格和型号。”

在保证安全性基础上,提高续航里程是动力电池的核心追求目标。三星SDI株式会社副社长郑世雄称,三星SDI通过探求潜在的新一代材料,正在开发新一代电芯课满足800km续航里程要求。

事实上包括韩国三星SDI以及LG等动力电池生产企业,走的是三元材料电池路线。但是,这并不意味着,未来就将绝对是三元锂电池统领天下,电池行业一向是一代材料一代技术,整个行业一直并没有停止对新材料和新技术的挖掘,更高的能量密度和更安全的性能永远是企业试图平衡的两大命题。

动力电池厂的机遇与挑战

电动汽车提速了,动力电池井喷了,猎头忙坏了,工程师躁动不安了,这是目前这个行业的现状,形势一片大好,大家机会多多,好事一件。然而太好了,容易让人心神不安,前面的五彩斑斓让人有点头晕目眩,这种景象能否持久?让我们静一静,思考下目前动力电池厂的现状,留给扩编者、新进入者、跃跃欲试者还有多少空间和机会,机会在哪里?,危机在那里?,挑战在哪里?

投资人看战略趋势和市场空间,技术人员负责产品开发和量产,技术升级和储备。车之两轮,二者相辅相成,不可或缺。要讨论动力电池的机遇与挑战,需要结合电动汽车的市场和动力电池自身的技术两个方面。

1新能源车的跨越发展促动动力电池厂不断发力

这一方面现有的统计信息很多,统计了国内外电动车及动力电池的销量(这里引用百人会关于电动乘用车的统计图1以及汽车工程学会根据Markline数据统计的新能源汽车销量图2)。尤其是2015年新能源车销量占据燃油车销量的1.3%,突破了1%的拐点,前景很被看好,未来有无限可能,2020年希望累计达到500万辆。

图2. 2015年全球新能源汽车销售统计

对应于新能源车的跨越发展,动力电池产业也不断发力。从2011年到2015年,尤其是2013年后呈现的是多倍数增长,在2015年,中国占据全球动力电池产量的55%,并有多家企业榜上有名。

图3. 全球-中国动力电池产量及分布

2中国动力电池厂遍地开花

数据显示,23家锂电池概念公司净利润预增50%以上。其中,当升科技、多氟多、天齐锂业净利润预增10倍以上;天赐材料、赣锋锂业、比亚迪、奥克股份、江特电机、新宙邦等12家公司增幅在1-5倍间;先导智能、南都电源、成飞集成等8家公司预计增幅在50%以上。

目前已有多家锂电池概念公司披露了中报情况。当升科技上半年实现营收5.53亿元,同比增长62.14%;归属于上市公司股东的净利润为3652.6万元,同比增长3715.77%。奥克股份上半年扭亏为盈,实现营业总收入17.83亿元,同比增长33.75%;净利润3198.51万元,同比增长228.56%。多氟多上半年营业收入为12.79亿元,同比增长29.02%;净利润2.5亿元,同比增长2532.78%。

天齐锂业近日也预计,上半年实现归属于上市公司股东的净利润7.2亿元-7.5亿元,同比增长1657.10%-1730.31%。

不过,大东南、坚瑞消防、深圳惠程等公司上半年业绩不佳。大东南预计,上半年净利润亏损2000万元-1800万元。公司表示,国内外市场复苏缓慢,需求增长不足,公司整体盈利能力持续下降;企业处于调整转型期,现有募投项目技术门槛较高,新产品需要一定时间的试用期与市场导入期,产能和效益未能实现预期。

除了全球排行榜上的企业外,还有N多企业奋战在行业的前线,昼夜生产,并在2015年取得了很好的战绩,业绩报表可圈可点。图4为2015年我国动力电池前10的占比情况统计(由于数据来源的多渠道,所以细究的话还是与全球排名有稍微出入)。

图4. 2015年中国动力电池产量分布

根据不完全统计,我国在2015年就有121家动力电池厂,2016年第一季度新增9家,预计2016年底将达到150家,分布主要集中在华东和华南地区。可以看出,不少公司看好这个行业,争先进入,希望搭上新能源汽车这一国家战略的顺风车,拉动企业业绩,为年底报表裱装贴金。

图5. 中国动力电池厂数量及分布统计

面对这么多家这么多资金的投入,是否会带来产能的富余?据发改委的调研,在2015年底,19家主要车用动力电池企业产能为30.5 GWh。所以应该来说2016年动力电池的供给应该是足量的(按汽车行业协会70万辆的预测合计,同时考虑到这些电池厂都进入了工信部要求的白名单目录)。

既然量已经足够,但不能说新进入者就没有机会,因为目前在我们国家,动力电池厂与整车企业的关系不能简单的用单一模式来说明,两者关系比较复杂,恰恰是这种复杂让新进企业看到了“订单”的曙光。

从电池企业的组织关系上,主要呈现四类(主要针对进入白名单的55家电池企业和2家Pack企业):

3国内外动力电池企业与整车企业生存模式对比

当前,动力电池厂的生存模式简单概括起来有三种:中国的混合模式,日本的专一模式,韩国的多点模式。

1) 中国的混合模式

中国动力电池厂呈现出多、散、杂的特点,映射了其与整车关系的多元化;同时绝大多数整车企业在新能源车上的观望、摇摆心态也促动了动力电池厂在速度与技术、质量上的不匹配。细而言之,中国动力电池企业与整车企业的关系可归结为以下四种。

第一种模式:以普莱德和捷新动力为代表。特点是整车厂与动力电池厂均深度参与其中,这种捆绑式合作方式,对动力电池厂而言不用担心客户,可以深度开发技术,将其做精,做深;对整车而言,固定电池可以为正向设计提供充足准备。这也是普莱德能从2010年的1亿投资到2016年被东方精工以47.5亿收购的原因之一,北汽纯电销量的第一市场为其提供了足够的订单。捷新动力则有上汽荣威550为其提供数量客观的订单。

第二种模式:以CATL为代表。特点是技术足够过硬,给多家整车厂供货。专心做新能源车的整车厂为了保证自己整车性能也乐于与这种电池企业“联姻”。这种模式对于经过市场检验的、技术可靠的电池企业是有优势的。

第三种模式:以北汽为代表。特点是一个整车厂有多家电池供应商,每家电池厂都能分到一定份额。这种模式会增加了整车厂的设计复杂度,对项目并行管理要求很高,会加长供应商的考核周期;同时也为电池企业打开了一扇希望之门。

第四种模式:比亚迪模式,仅此一家。特点是整车、电池全部自己做,风险自担。2015年的市场已经有力的说明的这种模式的优点,在此不再赘述。

2) 日本的专一模式

日本的模式很单一,整车与电池企业合资成立动力电池厂,AESC和PEVE是整车厂控股,Blue Energy和LEJ整车占比49%,基本是捆绑式的深度合作。这种合作成功与否是以整车的销量为基础的,与中国的模式一近似。特点是技术能够精深化、专业化,整车设计正向化,比较好的贴合日本整车企业少而精的情况。

但近期传出的日产要出售AESC股份的消息为这种模式蒙上了阴影,这种模式是不是好?,个人认为由于电池成本原因出售不能说明模式的好坏,只能说明与韩国企业相比,成本控制一直是日本企业的弱项。

3) 韩国的多点模式

韩国电池厂,以LG和三星为代表,走的是多点模式。特点是走出国门,面向全球整车企业,这与韩国整车企业就现代独一家有一定关系(现代收购了起亚)。同时动力电池技术的精与专,价格优势也为其走出国门提供了坚实的基础,四处攻城猎地,基本进入了整车第一梯队的供应商体系,所以进入中国市场,似乎已经到了如入无人之地的地步。看2015年南京动力电池厂投产仪式上国内整车厂代表的级别和数量即可窥出部分全貌。应该来说国家在这关键时刻分阶段进行“三元与铁锂”争论,白名单政策,体现了政府保护国内企业的护犊之情,如果没有这些措施的及时实施,以LG的价格优势,坦率地说,国内企业能招架住的还真没几个。

没有金刚钻,别揽瓷器活,这种模式是需要实力的。在中国整车企业多、杂且逐渐有心想做好新能源车的双重背景下,做好了这种模式是很有市场的,国内CATL目前就是这种模式。

4靠薄利多销和价格战模式很难走的远

虽然说有国家层面的“刻意”保护,地方政府的偏袒,这个行业还是比较开放的,保护只是暂时的,不可能长时间关门封闭,引入一两条“鲶鱼”还是很必要的。反观国内市场,130多家动力电池厂,参差不齐,进行价格混战,忽视质量和技术,这最终只能是自断后路。

费斯汀格法则也适合国内动力电池的现状,未来如何,取决于现在的技术投入和质量控制。

内部一味的靠价格相互搏斗,太阳能、电子烟,太多的案例是前车之鉴,是最不明智的,虽然短期内可能占有市场,但当真正上了“拳击”赛场,应该很快就躺着下来了。

5技术的沉淀与积累

单独的挖人,复制粘贴仍然是当前不少动力电池企业的生存之道。有工艺,无研发,这也是价格战横行的源头之一。

华为2015年的研发投入是销售额的15%,比亚迪是4~5%,CATL没有公布投入,但从人员配置上看应该不低(约120名博士,900多名硕士),这应该是未来竞争的法宝,也是持久发力的基础。

引用NEDO在2014年公布的在专利和未来目标的两张图,没有在研发上的持续投入,在技术上是很难问鼎未来的这些技术高点。核心技术和长足发力是未来决胜动力电池市场的杀手锏。

动力电池行业现在还处于从无序向有序过渡的阶段,这也是诸多企业从观望、调研到决心进入的动力,还没有定型,带来的是机会丛生。综合上面的分析,简单的总结下动力电池这个行业对已入者,新入者,将要进入者的机遇与挑战:

1) 新能源车市场的广阔空间给足了动力电池企业无限的可能,这是所有动力电池企业共同拥有的机遇。

2) 市场和技术,车之两轮,只有市场,但技术匮乏的企业注定只是过客。

3) 先抢市场、后重研发的思路可能需要调整。因为目前进入者都不差钱,生存是为了占市场,但国内市场足够庞大,所以不用太急;另外现在很多参差不齐的动力电池已经在整车上得到筛选,所以后进入者还是以现有技术进入,那么存活的机会会很小。所以个人认为夯实基础是比较符合现状的。

4) 质量的管控。安全永远是悬在头上的达摩克里斯剑,所以过程控制,品质管理来不得半点虚假,客户是拿生命做实验,结果可想而知。

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