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2018年动力电池与电池管理系统关键技术发展趋势分析

来源:作者:雷洪钧 2017-11-30 07:00

目前是2017年年底了,大家都在分析2018年中国新能源汽车技术发展趋势。而科技部《新能源汽车2018年重点专项申报指南》已经发布,对企业而言很有指导意义。下面是笔者学习《申报指南》后,对2018 度年动力电池与电池管理系统关键技术发展趋势的分析。

一、中国新能源汽车关键技术主攻方向

《申报指南》列出2018年中国新能源汽车技术的主攻方向是:

动力电池与电池管理系统;电机驱动与电力;电子、电动汽车智能化;燃料电池动力系统;插电/增程式混合动力系统;纯电动力系统。

一共6个方向下,再细分24个研究任务。《新能源汽车2018 年重点专项申报指南》就是顶层设计的具体体现。

①企业与政府规划要保持一致,企业经营活动(含技术攻关)要在政府的顶层设计下开展。

②企业2018年具体的新能源汽车研究(开发)项目必须在6个方向下、24个研究任务之中;

③企业具体技术研究和开发项目,理应与中央政府年度计划技术攻关项目对应起来。

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二、2018年动力电池与电池管理系统研究任务分为5个:

1. 高安全高比能乘用车动力电池系统技术(重大共性关键技术类)

①研究内容:

针对乘用车高集成度要求,开展基于整车一体化的电池系统的机-电-热设计;开发先进可靠的电池管理系统和紧凑、高效的热管理系统;开展模块、系统的电气构型与参数匹配、耐久性和可靠性的设计与验证;基于热仿真模型、热失控和热扩散致灾、分析模型,研究电池系统火灾蔓延及消防安全措施,开展电池系统

的安全设计与防护系统的开发与验证;开展电池系统的轻量化、紧凑化技术以及制造工艺与装配技术研究,开发高安全、高比能乘用车动力电池系统;开展电池系统性能测试评价技术研究。

②考核指标:

电池系统的比能量≥210Wh/kg,循环寿命≥1200次(80%放电深度(DOD),模拟全年气温分布),全寿命周期、宽工作温度范围内荷电状态(SOC)、功率状态(SOP)和健康状态(SOH)的估计误差绝对值≤3%,单体电池之间的最大温差≤2℃,快速充电至 80%以上 SOC 状态所需时间≤1 小时,满足安全性等国标要求和宽温度使用范围要求,并符合 ISO 26262 ASIL-C 功能安全要求及行业标准要求,成本≤1.2 元/Wh,年生产能力≥1 万套,产品至少为 2 家整车企业配套,装车应用不低于 3000 套;提交热失控和热扩散事故致灾分析和危害评测报告;建立基于整车一体化的电池系统的设计、制造与测试规范。

③笔者解读:

乘用车动力电池系统技术主攻方向是:

i)是整车一体化的电池系统,而不是目前一些厂家积极倡导的换电模式技术;

ii)电池系统的比能量≥210Wh/kg,循环寿命≥1200次(80%放电深度(DOD),这个比能量≥210Wh/kg这个指标,说明这个电池一定指三元电池,磷酸铁锂电池在乘用车推广几乎没有可能。

iii)电池系统的成本≤1.2 元/Wh,说明目前电池系统的成本基本上高于它,是后续的补贴的门槛。

2.高安全长寿命客车动力电池系统技术

①研究内容:

针对客车超高安全等级和超长质保里程的实际应用需求,开展基于模块式、分散式布局的动力电池系统总体构型、功能和机-电-热一体化设计技术研究;开发先进可靠的电池管理系统和高效热管理系统;开展动力电池系统的电气构型与参数匹配,以及耐久性和可靠性的设计与验证;基于热仿真模型、热失控和热扩散致灾分析模型,研究电池系统火灾蔓延及消防安全措施,开展电池系统的安全设计以及防护系统、监控系统的开发与验证;突破电池系统的轻量化、紧凑化技术,建立电池系统的智能化制造工艺,开发高安全、长寿命客车动力电池系统;开展电池系统性能测试评价技术的研究。

②考核指标:

电池系统的比能量≥170Wh/kg,循环寿命≥3000次(80% DOD,模拟全年气温分布),全寿命周期、宽工作温度范围内 SOC、SOP 和 SOH 估计误差绝对值≤3%,单体电池之间的最大温差≤2℃,快速充电至 80%以上 SOC 状态所需时间≤15分钟,满足安全性等国标要求和宽温度使用范围要求,并符合 ISO 26262 ASIL-C 功能安全要求及行业标准要求,确保单体热失控后30 分钟内系统无起火爆炸,成本≤1.2 元/Wh,年生产能力≥3000套,产品至少为 3 家整车企业配套,装车应用不低于 1000 套;提交热失控和热扩散事故致灾分析和危害评测报告;建立电池系统设计、制造与测试的技术规范。

③笔者解读:

客车动力电池系统技术主攻方向是:

i)基于模块式、分散式布局的动力电池系统的研究,这个说明, 客车动力电池系统不同于乘用车要求,一个是一体化,一个是模块式、分散式。

ii)电池系统的比能量≥170Wh/kg,循环寿命≥3000次(80% DOD,这个说明,对客车而言磷酸铁锂依然是主推对象,寿命是主要指标;

iii)单体热失控后30 分钟内系统无起火爆炸,这个指标说明,安全时间不低于30分钟,是后续的主观方向。

iv)客车动力电池系统成本≤1.2 元/Wh,这个指标说明,整车企业关心是系统成本,而不电池单体价格。

3.高比能锂/硫电池技术

①研究内容:

探索硫电极反应新机制,开发高比容量、长寿命的硫电极材料及适配电解液体系;研究锂枝晶的生长机制及抑制措施,开发兼具高循环库伦效率和良好循环稳定性的锂负极;开展高强度、高安全性功能隔膜的研究;掌握高负载硫电极以及锂/硫电池的设计与制备技术;开展锂/硫电池安全性改善技术的研究,开发高安全、长寿命的锂/硫动力电池,实现装车考核。

②考核指标:

单体电池比能量≥400Wh/kg,循环寿命≥500 次(100% DOD),安全性达到国标要求。

③笔者解读:

i)锂/硫电池是新型电池,是要准备实现装车要求,目前上车条件不成熟。

ii)单体电池比能量≥400Wh/kg,循环寿命≥500 次(100% DOD),这个指标对乘用车和客车而言,不符合其寿命要求。

4.高比能固态锂电池技术

①研究内容:

开展固态聚合物电解质、无机固体电解质的设计及制备技术的研究,开发宽电化学窗口、高室温离子电导率的固态电解质体系;研究活性颗粒与电解质、电极与电解质层的固/固界面构筑技术和稳定化技术,开发固态电极和固态电池的制备技术;开展固态电池的生产工艺及专用装备的研究,开发高安全、长寿命的固态锂电池,实现装车示范。

②考核指标:

室温下,单体电池比能量≥300Wh/kg,循环寿命≥2000 次(0.3C 以上倍率充放电,100% DOD),安全性达到国标要求,实现装车考核。

③笔者解读:

i)锂/硫电池技术、固态锂电池技术,是下一代的要实现装车要求的电池。

ii)目前市场流行说法的新型电池,离实现装车要求会更远。

iii)其他实现过装车的老电池,无论如何改进,没有可能再推荐上车了。

5.动力电池测试与评价技术

①研究内容:

研究动力电池关键材料和单体的性能评测方法,构建“材料-电池-性能”闭环联动评价机制;研究电池在全生命周期内电性能、安全性能的演化规律,建立仿真分析技术;开展管理系统的功能评价和性能表征方法的研究,开发软硬件测试设备或装置;研究电池系统的性能评测方法及面向实际工况的可靠性、热安全和功能安全等评价方法,开展电池热失控和热扩散的致灾分析,研究动力电池安全等级分类标准;开展国内外动力电池系统的对标分析,建立动力电池权威测试评价平台和数据库。

②考核指标:

建立动力电池的全面评价体系,包括从材料到系统的电性能测试方法,单体电池在全生命周期的安全性表征方法,管理系统的功能与性能评测方法,动力电池系统面向实际工况的可靠性、热安全与功能安全等评估方法;建立具有国际先进水平的动力电池测试评价平台;在测试评价和动力电池安全等级分类方面形成10项以上标准提案;建立产品数据库,其中电池系统样本数不少于200个。

③笔者解读:

i)研究动力电池关键材料和单体的性能评测方法意义重大,这是电池厂家必须要解决参与的;

ii)整车厂家对这些动力电池关键材料和单体的性能评测方法,主要是了解而已。

三、电池系统技术关键技术发展趋势总结

①乘用车动力电池系统技术关键技术主攻方向,具体是指一体化设计为重心的高安全高比能,关键指标指标为:电池系统的比能量≥210Wh/kg,循环寿命≥1200次(80%放电深度(DOD)。

②客车动力电池系统技术关键技术主攻方向,具体是指分布式化设计为重心的高安全长寿命,关键指标指标为:电池系统的比能量≥170Wh/kg,循环寿命≥3000次(80% DOD)。

③乘用车动力电池系统、客车动力电池系统成本指标是成本≤1.2 元/Wh。这个结论是补贴政策再退坡的重要依据。

④乘用车用三元电池,客车主推铁锂电池,是基本态势,客车要求快充,快充时间为:15分钟以下。

⑤高比能锂/硫电池、高比能固态锂电池是下一代电池,目前还没有强调其寿命要求,2018年上规模装车,可能性不大。

⑥电动客车安全是关键指标是:单体热失控后30 分钟内系统无起火爆炸。

总结:

①关键技术发展趋势是由有时间节点指标来体现的。一些形容词,可以多次用,但是指标值才是理解和掌握关键技术的核心。

②科技部《新能源汽车2018 年重点专项申报指南》是国家级的,其指标值最具有权威性,其他专家(学者)的信息,不代表顶层设计。

来源:第一电动网

作者:雷洪钧

 
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