鉅大LARGE | 點擊量：2814次 | 2021年09月22日
解析春蘭車用動力鋰電池及其管理系統(tǒng)技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)
因生活環(huán)境與生產(chǎn)發(fā)展，以及能源需求與供給的矛盾日益突出，自上世紀(jì)90年代以來，混合動力汽車便成為全球汽車工業(yè)關(guān)注的焦點。世界汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家已紛紛投入巨資，進(jìn)行混合動力汽車的研究、開發(fā)，并取得了階段性成果，其中以美國和日本更為突出。我國混合動力汽車研發(fā)與國外處于相近的起跑線，技術(shù)水平與產(chǎn)業(yè)化的差距相對較小，經(jīng)過十五和十一五期間攻關(guān)，目前處于已產(chǎn)業(yè)化初期階段。據(jù)《AutoMfg&Production》預(yù)計，2011年，世界汽車市場上,混合動力車輛將達(dá)到150萬輛；2015年將在世界汽車市場占15%；2020年將占到25%。這是一個非常大的混合動力車輛數(shù)量的比例，它預(yù)示著混合動力汽車未來相當(dāng)一段時間內(nèi)前景十分廣闊。作為混合動力汽車的關(guān)鍵零部件,車用動力鋰離子電池及其管理系統(tǒng)具有十分重要的地位,而春蘭恰是國內(nèi)最早和最強(qiáng)的車用動力鋰離子電池及其管理系統(tǒng)研發(fā)、制造和技術(shù)集成的先導(dǎo)型公司，以及全球新能源產(chǎn)品的供應(yīng)商，其車用動力鋰離子電池及其管理系統(tǒng)的技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)，正引領(lǐng)著國內(nèi)新能源汽車動力發(fā)展的方向。
春蘭車用動力鋰離子電池相關(guān)技術(shù)路線
有關(guān)缺少自主的、核心的汽車零部件技術(shù)的我國汽車及相關(guān)行業(yè)來說，混合動力及純電動汽車用電池和控制系統(tǒng)，是我國相關(guān)公司成為全球領(lǐng)先供應(yīng)商的重要機(jī)會。在這方面，我國公司和國外的差距，沒有現(xiàn)在的汽車零部件核心技術(shù)那么大，國外也沒有比我國早多少年。加上我國本身的成本優(yōu)勢，以及在電動自行車（摩托車）用電池方面積累的相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗，我國完全有可能在混合動力和純電動汽車用電池方面生產(chǎn)出性價比很高的產(chǎn)品，并有可能占領(lǐng)技術(shù)的最高端。
新能源汽車動力鋰離子電池的技術(shù)路線有多條，其中最重要和最具代表性的有三條：一是燃料動力鋰電池；二是動力鋰離子電池；三是動力鎳氫電池。
燃料動力鋰電池是一種以氫氧為燃料，高能效、無污染的清潔能源，可同時解決節(jié)能和環(huán)保兩大世界難題，它代表了汽車未來的發(fā)展方向。但由于存在制氫成本高、氫氣儲存困難等制約因素，因此，目前和今后一段時問尚不具備商業(yè)化的條件。最樂觀的預(yù)測，以純氫為燃料的燃料動力鋰電池汽車的商業(yè)化生產(chǎn)，至少還需10年以上的時間，即使在一定程度上實現(xiàn)了商業(yè)化，也會是以一種高成本的方式。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
動力鋰離子電池是以鋰嵌入化合物為正負(fù)極的二次電池，具有重量輕、體積小、能效高、循環(huán)壽命長、無記憶性、自放電率低、溫度適用范圍廣等諸多優(yōu)點。該電池有高容量和高功率兩種類型。高容量電池可用于礦燈、醫(yī)療器械等；高功率電池重要用于混合動力汽車、電動工具，以及其它要大電流充放電的設(shè)備和設(shè)施。以目前的技術(shù)而言，動力鋰離子電池還受到安全性不穩(wěn)定、價格較高、公路充電配套設(shè)施不完善等制約，規(guī)?；a(chǎn)尚需時日。
動力鎳氫電池是一種應(yīng)用范圍很廣的新型驅(qū)動性二次電池，同樣具有高能量、長壽命、快充放、無記憶、無污染等諸多優(yōu)點。與此同時，動力鎳氫電池的安全性較好，具有耐過充電、耐過放電的能力，且價格介于鉛酸電池和鋰離子電池之間，在產(chǎn)業(yè)化方面也比燃料動力鋰電池和動力鋰離子電池更加有技術(shù)和應(yīng)用基礎(chǔ)。
那么，這些技術(shù)路線應(yīng)該優(yōu)先采用哪一條？
不管采用何種技術(shù)路線，都應(yīng)該考慮動力鋰離子電池的技術(shù)難度、性能特點、成本價格、使用安全和應(yīng)用前景等方面，在當(dāng)時是否具有競爭力。春蘭（集團(tuán)）公司副總裁劉亞夫說：十多年以前，我們首先選定了走動力鎳氫電池研究這條技術(shù)路線，經(jīng)過不懈努力，掌握了這種電池在關(guān)鍵材料、電池配方和電源管理等方面的眾多核心技術(shù)，目前，我們的動力鎳氫電池性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛且已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)80%以上的混合動力客車，應(yīng)用的就是春蘭動力鎳氫電池。回過頭來看，我們當(dāng)初的選擇是非常正確的。現(xiàn)在我們正在走第二條技術(shù)路線，即大力開發(fā)高功率動力鋰離子電池，同時，第三條技術(shù)路線燃料動力鋰電池的深度研究也已起步。我相信，未來3～5年內(nèi)，春蘭動力鋰離子電池和燃料動力鋰電池，也一定會像春蘭動力鎳氫電池相同，全面覆蓋國內(nèi)電動汽車市場。
劉亞夫的表述與業(yè)內(nèi)專家的說法不謀而合。專家們普遍認(rèn)為，滿足使用安全性高、環(huán)境溫差范圍廣、充放電功能性強(qiáng)、倍率放電使用性好等條件的動力鋰離子電池，是廠商應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用的技術(shù)路線。動力鎳氫電池是現(xiàn)實選擇，動力鋰離子電池是理想路徑，燃料動力鋰電池是發(fā)展方向，并且隨著技術(shù)的日漸成熟，動力鋰離子電池的市場空間會更大幅度地展開。
春蘭車用動力鋰離子電池管理系統(tǒng)優(yōu)勢
混合動力及電動汽車用動力鋰離子電池組通常是由上百只電池串聯(lián)組合而成，在使用過程中要對其進(jìn)行綜合管理，以確保電池組工作的安全性和可靠性。那么如何來進(jìn)行高效的管理呢？為此，春蘭通過研發(fā)控制軟件，推出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的車用動力鋰離子電池管理系統(tǒng)。
車用動力鋰離子電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，簡稱BMS）是混合動力及電動汽車中一個重要的關(guān)鍵部分，是一個處于監(jiān)控運行及保護(hù)電池關(guān)鍵技術(shù)中的核心部件，能給出剩余電量和功率強(qiáng)度預(yù)測、進(jìn)行智能充電和電池診斷安全等功能集合的綜合系統(tǒng)。其中BMS的核心部分是對電池的均衡進(jìn)行管理。
混合動力及電動汽車在運行時，電池的放電和充電均為脈沖工作模式，大電流脈沖可能會造成電池過充或深放，所以電池管理系統(tǒng)對電池SOC（荷電狀態(tài)）的預(yù)測準(zhǔn)確性就顯得十分重要，假如預(yù)測不準(zhǔn)，則容易造成電池的過充或深放，影響電池的使用壽命。負(fù)責(zé)開發(fā)這個項目的春蘭清潔能源研究院有限公司，根據(jù)混合動力及電動汽車的運行狀況，經(jīng)過大量實驗并對電池的特性進(jìn)行研究，建立了變電流工作條件下的SOC（荷電狀態(tài)）預(yù)測模型。經(jīng)過驗證，管理系統(tǒng)SOC（荷電狀態(tài)）預(yù)測的準(zhǔn)確度可以達(dá)到小于5%，充分滿足混合動力及電動汽車的使用要求。
混合動力汽車電源系統(tǒng)一般電壓都達(dá)到300V左右，所以電源系統(tǒng)在使用中的安全控制就顯得尤為重要。我們采用高壓電安全控制系統(tǒng)對電池高壓電路的通斷執(zhí)行控制。春蘭清潔能源研究院有限公司動力電源系統(tǒng)首席專家古勁升說，實際上，就是新增一種特制的高壓安全保護(hù)板，該板可實時檢測電池包的絕緣電阻，當(dāng)絕緣電阻失效時，及時輸出高壓電路關(guān)斷信號，切斷蓄電池高壓電路。
據(jù)介紹，春蘭清潔能源研究院有限公司對動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的功能設(shè)計得十分完整，由于充分考慮了10種因素，即：電壓、電流、溫度、電壓變化率、電流變化率、溫度變化率、充電過程、放電過程、自放電、電池類型等，因而，其動力鋰離子電池管理系統(tǒng)具有10種功能，即：SOC（荷電狀態(tài)）預(yù)測、SOH（劣化程度）預(yù)測、充電過程控制、放電過程控制、電池組溫度控制、故障診斷、失效控制、高壓電安全控制、全天候電池安全管理、均衡化充電管理等。也就是說，春蘭動力鋰離子電池管理系統(tǒng)能診斷和處理各類故障。
與此同時，在車用動力鋰離子電池管理系統(tǒng)上，春蘭還采用了高集成邏輯電路設(shè)計和嵌入式操作系統(tǒng)，擁有更為精確的電池電量計算模型及電池狀態(tài)判別模型，不僅可滿足新能源汽車不同工況下的控制需求，而且能有效提高動力鋰離子電池的使用率，降低維護(hù)費用和運行成本。
春蘭清潔能源研究院有限公司副總經(jīng)理孔令國確信地說：該系統(tǒng)開發(fā)成功后，可同步管理所有在線的電動汽車輛，通過持續(xù)不斷地跟蹤、處理電動汽車運行，提醒用戶完成緊急、短時間、中期、長期的維護(hù)工作，并評價電池組的運行和維護(hù)質(zhì)量，提高無故障工作時間。
目前，春蘭這種電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品，已應(yīng)用于多家汽車制造公司的混合動力客車，經(jīng)累計行程數(shù)千萬公里綜合性能考評，其電池組運行狀態(tài)的實時、遠(yuǎn)程監(jiān)控；電池組SOC（荷電狀態(tài)）的高精度估算；電池組的能量均衡；電池組的故障診斷和安全保護(hù)等性能均十分突出，充分滿足了整車廠的實際使用要求。而春蘭清潔能源研究院有限公司，也成為國內(nèi)唯一具備自主進(jìn)行動力鋰離子電池、電池管理系統(tǒng)和電池?zé)峁芾砑跋到y(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與總成，并實現(xiàn)其總成產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的公司。
春蘭車用動力鋰離子電池新品研發(fā)動態(tài)
就在動力鎳氫電池產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用取得驕人業(yè)績的同時，春蘭新型動力鋰離子電池產(chǎn)品動力鋰離子電池和燃料動力鋰電池的研發(fā)也進(jìn)入了關(guān)鍵階段。以自己的博士后工作站、國家級技術(shù)中心和實驗室為主干的春蘭全球開放式科研平臺，在這個項目上薈聚了眾多中外電池專家，并于今年初取得了動力鋰離子電池和燃料動力鋰電池材料、材料間的匹配、電池的制造工藝和設(shè)備等多方面的技術(shù)成果。近期，通過成千上萬次的試驗，春蘭已充分掌握動力鋰離子電池充放電特性、溫度特性、循環(huán)壽命、自放電性、安全性等綜合性能，并找到了一種高品質(zhì)的電池隔膜材料，而這種新型隔膜，在動力鋰離子電池中表現(xiàn)出了高安全性和長循環(huán)壽命特性。
專家介紹說，用于電動汽車的動力鋰離子電池與用于手機(jī)的鋰離子電池不是一個概念，前者容量比后者容量高出幾個數(shù)量級。例如，目前手機(jī)中的鋰離子電池容量約為3-4Wh，而單一混合動力轎車鋰離子動力鋰離子電池組的容量約為1kWh，是手機(jī)鋰離子電池的近400倍；純電動轎車鋰離子動力鋰離子電池為20kWh，是手機(jī)鋰離子電池的近1萬倍。因此，研發(fā)成功比能量、比功率、安全性三項關(guān)鍵指標(biāo)均高的動力鋰離子電池難度非常大。
目前國內(nèi)從事鋰離子電池研發(fā)和生產(chǎn)的公司已有300多家，另外還有上百家公司正在轉(zhuǎn)型，準(zhǔn)備生產(chǎn)鋰離子電池，這說明電池產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入一個綠色時代。我國電池工業(yè)協(xié)會副理事長王金良指出，但應(yīng)當(dāng)看到，鋰離子電池屬于高成長行業(yè)，技術(shù)變化非常迅速，沒有一定的資金、規(guī)模和科技實力的公司是難以立足的，像正極材料、電解液、薄膜等，都擁有較高的技術(shù)門檻，只有依靠自主研發(fā)技術(shù)、處于領(lǐng)先地位的公司，才能獲得長足發(fā)展并取得規(guī)模效應(yīng)。
在國內(nèi)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈條中處于前端位置的春蘭清潔能源研究院有限公司，正是這種自主研發(fā)技術(shù)、處于領(lǐng)先地位的公司。
該公司建有4000平米的能源存儲與轉(zhuǎn)換工程技術(shù)中心，以及2000平米的氫能綜合利用工程技術(shù)研究中心，兩個中心下設(shè)七個實驗室，即：動力與儲能電源產(chǎn)品實驗室、系統(tǒng)集成與應(yīng)用技術(shù)實驗室、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)研究與應(yīng)用評價實驗室、工藝技術(shù)與裝備實驗室、燃料動力鋰電池基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)用實驗室、燃料動力鋰電池產(chǎn)品技術(shù)實驗室、燃料動力鋰電池電源系統(tǒng)技術(shù)與產(chǎn)品實驗室。
與此同時，該公司裝備了眾多從事新型動力電源研究開發(fā)的大型裝備。如原材料及電極晶體結(jié)構(gòu)的XRD衍射儀、進(jìn)行元素含量分析的ICP等離子發(fā)射光譜儀、進(jìn)行極板孔隙度測量的壓汞儀、進(jìn)行原材料粒度分析的激光粒度分析儀、進(jìn)行電池性能測試的Arbin電池性能測試儀、迪卡龍電源系統(tǒng)性能分析設(shè)備、車載動態(tài)測試儀、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、計算機(jī)結(jié)構(gòu)與流體仿真分析軟件等，為成果產(chǎn)業(yè)化基地的建設(shè)、運行供應(yīng)了必要的配套條件。
此外，在培養(yǎng)大批富有相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗和開拓意識的科技人才的同時，該公司還聘請了許多電化學(xué)、機(jī)械設(shè)計、自動控制等領(lǐng)域的國內(nèi)外專家作為項目負(fù)責(zé)人，與春蘭科技人員組成課題組，共同進(jìn)行一些關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。
近年來，該公司被選為江蘇省動力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長單位，并承擔(dān)江蘇省公司知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略推進(jìn)計劃的相關(guān)重大項目，其研發(fā)的新能源汽車電子控制系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化項目成功競標(biāo)國家工信部電子信息發(fā)展基金，項目混合動力轎車用DY144-8鎳氫動力電源系統(tǒng)獲得國家重點新產(chǎn)品計劃立項，800KW電力電站用模塊化鎳氫電池儲能系統(tǒng)項目獲國家火炬計劃立項，自主開發(fā)的混合動力城市客車節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)獲國家科技進(jìn)步二等獎。
國家863計劃動力鋰離子電池測試中心主任王子冬，在近期舉辦的我國電動汽車輛學(xué)術(shù)年會暨電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研討會上表示，目前動力鋰離子電池在純電動汽車上占用的空間較大，成本很高，且能量密度僅為90～120Wh/kg，無法滿足電動汽車長距離出行的要。因此，他希望各電池廠商進(jìn)一步改善鋰離子電池能量密度、輸出功率密度、成本與安全性，能在2015年-2020年，開發(fā)出能量密度達(dá)200～300Wh/kg的第二代材料。目前，春蘭的動力鋰離子電池研發(fā)正朝這個方向發(fā)展，其未來推出的新產(chǎn)品，無疑將會給業(yè)界帶來新的憧憬……
