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)達國家已紛紛投入巨資，進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)最早和最強的車用動力電池及其管理系統(tǒng)研發(fā)、制造和技術(shù)集成的先導(dǎo)型企業(yè)，以及全球新能源產(chǎn)品的供應(yīng)商，其車用動力電池及其管理系統(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。
春蘭車用動力電池相關(guān)技術(shù)路線
對于缺少自主的、核心的汽車零部件技術(shù)的中國汽車及相關(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)，是中國相關(guān)企業(yè)成為全球領(lǐng)先供應(yīng)商的重要機會。在這方面，中國企業(yè)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，國外也沒有比中國早多少年。加上中國本身的成本優(yōu)勢，以及在電動自行車（摩托車）用電池方面積累的經(jīng)驗，中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。
新能源汽車動力電池的技術(shù)路線有多條，其中最主要和最具代表性的有三條：一是燃料電池；二是動力鋰離子電池；三是動力鎳氫電池。
燃料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。
動力鋰離子電池是以鋰嵌入化合物為正負極的二次電池，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；高功率電池主要用于混合動力汽車、電動工具，以及其它需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)模化生產(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)化方面也比燃料電池和動力鋰離子電池更有技術(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�！贝禾m（集團）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�；剡^頭來看，我們當(dāng)初的選擇是非常正確的�，F(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電池，也一定會像春蘭動力鎳氫電池一樣，全面覆蓋國內(nèi)電動車市場�！�
劉亞夫的表述與業(yè)內(nèi)專家的說法不謀而合。專家們普遍認為，滿足使用安全性高、環(huán)境溫差范圍廣、充放電功能性強、倍率放電使用性好等條件的動力電池，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，燃料電池是發(fā)展方向，并且隨著技術(shù)的日漸成熟，動力電池的市場空間會更大幅度地展開。
春蘭車用動力電池管理系統(tǒng)優(yōu)勢
混合動力及電動汽車用動力電池組通常是由上百只電池串聯(lián)組合而成，在使用過程中需要對其進行綜合管理，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)的車用動力電池管理系統(tǒng)。
車用動力電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，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度預(yù)測、進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)測準確性就顯得十分重要，如果預(yù)測不準，則容易造成電池的過充或深放，影響電池的使用壽命。負責(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)測的準確度可以達到小于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實施控制�！贝禾m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，就是增加一種特制的高壓安全保護板，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電池的使用率，降低維護費用和運行成本。
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、短期、中期、長期的維護工作，并評價電池組的運行和維護質(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)唯一具備自主進行動力電池、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)化的企業(yè)。
春蘭車用動力電池新品研發(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，春蘭新型動力電池產(chǎn)品——動力鋰離子電池和燃料電池的研發(fā)也進入了關(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電池組的容量約為1kWh，是手機鋰離子電池的近400倍；純電動轎車鋰離子動力電池為20kWh，是手機鋰離子電池的近1萬倍。因此，研發(fā)成功比能量、比功率、安全性三項關(guān)鍵指標均高的動力鋰離子電池難度非常大。
“目前國內(nèi)從事鋰電池研發(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，準備生產(chǎn)鋰電池，這說明電池產(chǎn)業(yè)已進入一個綠色時代�！敝袊姵毓I(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)先地位的企業(yè)，才能獲得長足發(fā)展并取得規(guī)模效應(yīng)�！�
在國內(nèi)鋰電池產(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)先地位的企業(yè)”。
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)品標準研究與應(yīng)用評價實驗室、工藝技術(shù)與裝備實驗室、燃料電池基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)用實驗室、燃料電池產(chǎn)品技術(shù)實驗室、燃料電池電源系統(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、進行元素含量分析的ICP等離子發(fā)射光譜儀、進行極板孔隙度測量的壓汞儀、進行原材料粒度分析的激光粒度分析儀、進行電池性能測試的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)、運行提供了必要的配套條件。
此外，在培養(yǎng)大批富有經(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)、機械設(shè)計、自動控制等領(lǐng)域的國內(nèi)外專家作為項目負責(zé)人，與春蘭科技人員組成課題組，共同進行一些關(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)江蘇省企業(yè)知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略推進計劃的相關(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)”獲國家科技進步二等獎。
國家“863計劃”動力電池測試中心主任王子冬，在近期舉辦的“中國電動車輛學(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需要。因此，他希望各電池廠商進一步改善鋰電池能量密度、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…… （孫廣明） |
