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解析春兰车用动力锂电池及其管理系统技术路线及关键技术

钜大LARGE  |  点击量:151次  |  2021年09月22日  

摘要
因生活环境与生产发展,以及能源需求与供给的矛盾日益突出,自上世纪90年代以来,混合动力汽车便成为全球汽车工业关注的焦点。世界汽车工业发达国家已纷纷投入巨资,进行混合动力汽车的研究、开发

因生活环境与生产发展,以及能源需求与供给的矛盾日益突出,自上世纪90年代以来,混合动力汽车便成为全球汽车工业关注的焦点。世界汽车工业发达国家已纷纷投入巨资,进行混合动力汽车的研究、开发,并取得了阶段性成果,其中以美国和日本更为突出。我国混合动力汽车研发与国外处于相近的起跑线,技术水平与产业化的差距相对较小,经过十五和十一五期间攻关,目前处于已产业化初期阶段。据《AutoMfg&Production》预计,2011年,世界汽车市场上,混合动力车辆将达到150万辆;2015年将在世界汽车市场占15%;2020年将占到25%。这是一个非常大的混合动力车辆数量的比例,它预示着混合动力汽车未来相当一段时间内前景十分广阔。作为混合动力汽车的关键零部件,车用动力锂离子电池及其管理系统具有十分重要的地位,而春兰恰是国内最早和最强的车用动力锂离子电池及其管理系统研发、制造和技术集成的先导型公司,以及全球新能源产品的供应商,其车用动力锂离子电池及其管理系统的技术路线及关键技术,正引领着国内新能源汽车动力发展的方向。


春兰车用动力锂离子电池相关技术路线


有关缺少自主的、核心的汽车零部件技术的我国汽车及相关行业来说,混合动力及纯电动汽车用电池和控制系统,是我国相关公司成为全球领先供应商的重要机会。在这方面,我国公司和国外的差距,没有现在的汽车零部件核心技术那么大,国外也没有比我国早多少年。加上我国本身的成本优势,以及在电动自行车(摩托车)用电池方面积累的相关相关经验,我国完全有可能在混合动力和纯电动汽车用电池方面生产出性价比很高的产品,并有可能占领技术的最高端。


新能源汽车动力锂离子电池的技术路线有多条,其中最重要和最具代表性的有三条:一是燃料动力锂电池;二是动力锂离子电池;三是动力镍氢电池。


燃料动力锂电池是一种以氢氧为燃料,高能效、无污染的清洁能源,可同时解决节能和环保两大世界难题,它代表了汽车未来的发展方向。但由于存在制氢成本高、氢气储存困难等制约因素,因此,目前和今后一段时问尚不具备商业化的条件。最乐观的预测,以纯氢为燃料的燃料动力锂电池汽车的商业化生产,至少还需10年以上的时间,即使在一定程度上实现了商业化,也会是以一种高成本的方式。


动力锂离子电池是以锂嵌入化合物为正负极的二次电池,具有重量轻、体积小、能效高、循环寿命长、无记忆性、自放电率低、温度适用范围广等诸多优点。该电池有高容量和高功率两种类型。高容量电池可用于矿灯、医疗器械等;高功率电池重要用于混合动力汽车、电动工具,以及其它要大电流充放电的设备和设施。以目前的技术而言,动力锂离子电池还受到安全性不稳定、价格较高、公路充电配套设施不完善等制约,规模化生产尚需时日。


动力镍氢电池是一种应用范围很广的新型驱动性二次电池,同样具有高能量、长寿命、快充放、无记忆、无污染等诸多优点。与此同时,动力镍氢电池的安全性较好,具有耐过充电、耐过放电的能力,且价格介于铅酸电池和锂离子电池之间,在产业化方面也比燃料动力锂电池和动力锂离子电池更加有技术和应用基础。


那么,这些技术路线应该优先采用哪一条?


不管采用何种技术路线,都应该考虑动力锂离子电池的技术难度、性能特点、成本价格、使用安全和应用前景等方面,在当时是否具有竞争力。春兰(集团)公司副总裁刘亚夫说:十多年以前,我们首先选定了走动力镍氢电池研究这条技术路线,经过不懈努力,掌握了这种电池在关键材料、电池配方和电源管理等方面的众多核心技术,目前,我们的动力镍氢电池性能稳定、技术成熟、应用广泛且已实现产业化,据统计,国内80%以上的混合动力客车,应用的就是春兰动力镍氢电池。回过头来看,我们当初的选择是非常正确的。现在我们正在走第二条技术路线,即大力开发高功率动力锂离子电池,同时,第三条技术路线燃料动力锂电池的深度研究也已起步。我相信,未来3~5年内,春兰动力锂离子电池和燃料动力锂电池,也一定会像春兰动力镍氢电池相同,全面覆盖国内电动汽车市场。


刘亚夫的表述与业内专家的说法不谋而合。专家们普遍认为,满足使用安全性高、环境温差范围广、充放电功能性强、倍率放电使用性好等条件的动力锂离子电池,是厂商应当优先采用的技术路线。动力镍氢电池是现实选择,动力锂离子电池是理想路径,燃料动力锂电池是发展方向,并且随着技术的日渐成熟,动力锂离子电池的市场空间会更大幅度地展开。


春兰车用动力锂离子电池管理系统优势


混合动力及电动汽车用动力锂离子电池组通常是由上百只电池串联组合而成,在使用过程中要对其进行综合管理,以确保电池组工作的安全性和可靠性。那么如何来进行高效的管理呢?为此,春兰通过研发控制软件,推出了具有自主知识产权的车用动力锂离子电池管理系统。


车用动力锂离子电池管理系统(BatteryManagementSystem,简称BMS)是混合动力及电动汽车中一个重要的关键部分,是一个处于监控运行及保护电池关键技术中的核心部件,能给出剩余电量和功率强度预测、进行智能充电和电池诊断安全等功能集合的综合系统。其中BMS的核心部分是对电池的均衡进行管理。


混合动力及电动汽车在运行时,电池的放电和充电均为脉冲工作模式,大电流脉冲可能会造成电池过充或深放,所以电池管理系统对电池SOC(荷电状态)的预测准确性就显得十分重要,假如预测不准,则容易造成电池的过充或深放,影响电池的使用寿命。负责开发这个项目的春兰清洁能源研究院有限公司,根据混合动力及电动汽车的运行状况,经过大量实验并对电池的特性进行研究,建立了变电流工作条件下的SOC(荷电状态)预测模型。经过验证,管理系统SOC(荷电状态)预测的准确度可以达到小于5%,充分满足混合动力及电动汽车的使用要求。


混合动力汽车电源系统一般电压都达到300V左右,所以电源系统在使用中的安全控制就显得尤为重要。我们采用高压电安全控制系统对电池高压电路的通断执行控制。春兰清洁能源研究院有限公司动力电源系统首席专家古劲升说,实际上,就是新增一种特制的高压安全保护板,该板可实时检测电池包的绝缘电阻,当绝缘电阻失效时,及时输出高压电路关断信号,切断蓄电池高压电路。


据介绍,春兰清洁能源研究院有限公司对动力锂离子电池管理系统的功能设计得十分完整,由于充分考虑了10种因素,即:电压、电流、温度、电压变化率、电流变化率、温度变化率、充电过程、放电过程、自放电、电池类型等,因而,其动力锂离子电池管理系统具有10种功能,即:SOC(荷电状态)预测、SOH(劣化程度)预测、充电过程控制、放电过程控制、电池组温度控制、故障诊断、失效控制、高压电安全控制、全天候电池安全管理、均衡化充电管理等。也就是说,春兰动力锂离子电池管理系统能诊断和处理各类故障。


与此同时,在车用动力锂离子电池管理系统上,春兰还采用了高集成逻辑电路设计和嵌入式操作系统,拥有更为精确的电池电量计算模型及电池状态判别模型,不仅可满足新能源汽车不同工况下的控制需求,而且能有效提高动力锂离子电池的使用率,降低维护费用和运行成本。


春兰清洁能源研究院有限公司副总经理孔令国确信地说:该系统开发成功后,可同步管理所有在线的电动汽车辆,通过持续不断地跟踪、处理电动汽车运行,提醒用户完成紧急、短时间、中期、长期的维护工作,并评价电池组的运行和维护质量,提高无故障工作时间。


目前,春兰这种电池管理系统产品,已应用于多家汽车制造公司的混合动力客车,经累计行程数千万公里综合性能考评,其电池组运行状态的实时、远程监控;电池组SOC(荷电状态)的高精度估算;电池组的能量均衡;电池组的故障诊断和安全保护等性能均十分突出,充分满足了整车厂的实际使用要求。而春兰清洁能源研究院有限公司,也成为国内唯一具备自主进行动力锂离子电池、电池管理系统和电池热管理及系统结构设计与总成,并实现其总成产品产业化的公司。


春兰车用动力锂离子电池新品研发动态


就在动力镍氢电池产业化和推广应用取得骄人业绩的同时,春兰新型动力锂离子电池产品动力锂离子电池和燃料动力锂电池的研发也进入了关键阶段。以自己的博士后工作站、国家级技术中心和实验室为主干的春兰全球开放式科研平台,在这个项目上荟聚了众多中外电池专家,并于今年初取得了动力锂离子电池和燃料动力锂电池材料、材料间的匹配、电池的制造工艺和设备等多方面的技术成果。近期,通过成千上万次的试验,春兰已充分掌握动力锂离子电池充放电特性、温度特性、循环寿命、自放电性、安全性等综合性能,并找到了一种高品质的电池隔膜材料,而这种新型隔膜,在动力锂离子电池中表现出了高安全性和长循环寿命特性。


专家介绍说,用于电动汽车的动力锂离子电池与用于手机的锂离子电池不是一个概念,前者容量比后者容量高出几个数量级。例如,目前手机中的锂离子电池容量约为3-4Wh,而单一混合动力轿车锂离子动力锂离子电池组的容量约为1kWh,是手机锂离子电池的近400倍;纯电动轿车锂离子动力锂离子电池为20kWh,是手机锂离子电池的近1万倍。因此,研发成功比能量、比功率、安全性三项关键指标均高的动力锂离子电池难度非常大。


目前国内从事锂离子电池研发和生产的公司已有300多家,另外还有上百家公司正在转型,准备生产锂离子电池,这说明电池产业已进入一个绿色时代。我国电池工业协会副理事长王金良指出,但应当看到,锂离子电池属于高成长行业,技术变化非常迅速,没有一定的资金、规模和科技实力的公司是难以立足的,像正极材料、电解液、薄膜等,都拥有较高的技术门槛,只有依靠自主研发技术、处于领先地位的公司,才能获得长足发展并取得规模效应。


在国内锂离子电池产业链条中处于前端位置的春兰清洁能源研究院有限公司,正是这种自主研发技术、处于领先地位的公司。


该公司建有4000平米的能源存储与转换工程技术中心,以及2000平米的氢能综合利用工程技术研究中心,两个中心下设七个实验室,即:动力与储能电源产品实验室、系统集成与应用技术实验室、产品标准研究与应用评价实验室、工艺技术与装备实验室、燃料动力锂电池基础技术应用实验室、燃料动力锂电池产品技术实验室、燃料动力锂电池电源系统技术与产品实验室。


与此同时,该公司装备了众多从事新型动力电源研究开发的大型装备。如原材料及电极晶体结构的XRD衍射仪、进行元素含量分析的ICP等离子发射光谱仪、进行极板孔隙度测量的压汞仪、进行原材料粒度分析的激光粒度分析仪、进行电池性能测试的Arbin电池性能测试仪、迪卡龙电源系统性能分析设备、车载动态测试仪、数据采集分析系统、计算机结构与流体仿真分析软件等,为成果产业化基地的建设、运行供应了必要的配套条件。


此外,在培养大批富有相关相关经验和开拓意识的科技人才的同时,该公司还聘请了许多电化学、机械设计、自动控制等领域的国内外专家作为项目负责人,与春兰科技人员组成课题组,共同进行一些关键技术的攻关。


近年来,该公司被选为江苏省动力锂离子电池产业技术创新战略联盟理事长单位,并承担江苏省公司知识产权战略推进计划的相关重大项目,其研发的新能源汽车电子控制系统研发与产业化项目成功竞标国家工信部电子信息发展基金,项目混合动力轿车用DY144-8镍氢动力电源系统获得国家重点新产品计划立项,800KW电力电站用模块化镍氢电池储能系统项目获国家火炬计划立项,自主开发的混合动力城市客车节能减排关键技术获国家科技进步二等奖。


国家863计划动力锂离子电池测试中心主任王子冬,在近期举办的我国电动汽车辆学术年会暨电动汽车产业发展战略研讨会上表示,目前动力锂离子电池在纯电动汽车上占用的空间较大,成本很高,且能量密度仅为90~120Wh/kg,无法满足电动汽车长距离出行的要。因此,他希望各电池厂商进一步改善锂离子电池能量密度、输出功率密度、成本与安全性,能在2015年-2020年,开发出能量密度达200~300Wh/kg的第二代材料。目前,春兰的动力锂离子电池研发正朝这个方向发展,其未来推出的新产品,无疑将会给业界带来新的憧憬……



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