面对电动汽车续航里程短、充电时间长的“短腿”问题,中国电子商会电源专业委员会副秘书长、锂离子电池专家钱良国日前专文指出,我国已经具备了在短时间内突破锂离子等新型蓄电池成组应用技术和蓄电池储能电源系统集成关键技术瓶颈的技术基础,“但是这些技术都分散掌握在大专院校、科研院所和中小型企业手中,企业间形成了难以逾越的壁垒。”如何突破目前“相互隔离、重复分散的”格局,已经成为电动汽车动力电池领域迫切需要解决的重大课题。
人们对新能源汽车蓄电池现状不应太悲观
现状:随节能与新能源汽车逐步推广应用,锂离子等新型蓄电池集成到电动汽车后,安全性大幅下降、使用寿命大幅缩短的问题凸显出来;蓄电池燃烧、爆炸的恶性事故频繁发生,已经严重制约了节能与新能汽车产业发展。深圳50辆纯电动出租车示范运行一年,亏损超过700万元,对规模化推广应用增添了隆重的阴影。对节能与新能源过度悲观地看待蓄电池储能电源系统关键技术突破前景的情绪仍在发展。
蓄电池储能电源系统,是节能环保产业、新能源产业和节能与新能源汽车产业(以下简称节能与新能源产业)共性关键技术和共性基础支撑产业。蓄电池储能电源技术已经成为节能与新能源产业竞争在焦点。掌握了蓄电池储能电源产业的主动权,就掌握了节能与新能源产业的主动权。节能与新能源汽车最有可能优先推广应用的仍是锂离子蓄电池。
在国家产业政策和“863”、“973”等科技项目的重点支持下,我国锂离子蓄电池关键技术、关键材料和产业化研究都取得了重大进展。其中,大容量能量型锂离子蓄电池产业发展已经处于国际领先地位。
单体大容量能量型锂离子蓄电池的性能已经基本能够满足规模化推广应用的基本条件。虽然制造成本仍高于阀控铅蓄电池,单从全生命周期内经济性考虑,已经显着优于阀控铅蓄电池。从单体蓄电池的性能、全生命周期内的经济性和产业化基础考虑,大容量能量型锂离子蓄电池已经具备了规模化推广应用的基本条件。
目前的主要问题是:锂离子等新型蓄电池成组后,安全性大幅下降、使用寿命大幅缩短,甚至频繁发生蓄电池燃烧、爆炸等恶性事故。致使蓄电池问题一直是制约电动汽车和节能与新能源产业发展的技术瓶颈。
从蓄电池成组应用技术和蓄电池储能电源系统集成技术现状考虑,在技术瓶颈突破之前,电动汽车仍不具备规模化推广和产业化的基本条件。
打破电池企业间的“壁垒”已是迫在眉睫
瓶颈:问题虽然表现在蓄电池上,但问题的根源则在于蓄电池成组应用技术和蓄电池储能电源系统集成技术不能满足锂离子等新型蓄电池的要求。蓄电池成组应用技术和储能电源系统集成技术,才是制约包括节能与新能源汽车在内的节能与新能源产业发展的技术瓶颈。突破锂离子等新型蓄电池成组应用技术和蓄电池储能电源系统集成关键技术,是推动包括节能与新能源汽车在内的节能与新能源产业发展的重大课题。
根源:蓄电池储能电源系统关键技术攻关没有取得实质进展,有技术方面的原因,也有非技术方面的原因。目前主要是非技术方面的原因。
我国锂离子等新型蓄电池成组应用技术和蓄电池储能电源系统集成关键技术研究,也已经取得了重大进展,一些关键技术已经处于国际先进或领先水平。我国已经具备了在短时间内突破锂离子等新型蓄电池成组应用技术和蓄电池储能电源系统集成关键技术瓶颈的技术基础。
但是这些技术都分散掌握在大专院校、科研院所和中小型企业手中。蓄电池储能电源系统至少应包括充电系统、蓄电池系统和放电系统。是涉及多个技术领域和产业领域的技术密集型系统集成产品。由于锂离子等新型蓄电池仍处于发展初期的产业,还有建立标准体系的问题,需要广泛的行业合作。但是在市场环境下,企业间的经济利益、技术利益和知识产权形成的壁垒,对企业间的合作形成了难以逾越的障碍。在激烈的产业竞争驱动下,蓄电池储能电源产业已经形成了“相互隔离、重复分散”的局面。突破目前“相互隔离、重复分散的格局”,是目前迫切需要解决的重大课题。
从“十五”开始提出的以“三纵三横”为主要布局的节能与新能源汽车重大专项,有力推动了我国节能与新能源的发展。取得的成果举世瞩目。其中“三纵三横”简单、明晰地表述了节能与新能源汽车重大专项的主要内容、产业布局和关键技术攻关重点,对推动节能与新能源汽车产业发展发挥了重要作用。
随研究的不断深入和不同发展阶段的特点,应及时创新与之适应的项目组织方法。若产业化阶段仍采用“三纵三横”的项目组织模式,则会遇到下问题:
1、标准化是产业化的基础。由整车牵头,向下整合的项目组织模式,形成的若干个“相互隔离”的纵向课题组,形成了相互隔离的局面。成为标准化工淮化研究难以遇越的障碍。推动标准化工作,首先必须突破这种相互隔离的格局。
2、蓄电池储能电源系统的技术核心是蓄电池管理系统(BMS)。蓄电池管理系统(BMS)主要由充电管理系统、放电管理系统和蓄电池监测系统组成。其中,充电管理系统主要由充电设备内的充电控制电路与蓄电池系统中的充电控制电路和网络组成。放电管理系统主要由放电设备内的放电控制电路与蓄电池系统中的放电控制电路和网络组成。
基于上述概念,蓄电池管理系统(BMS)在大功率蓄电池储能电源系统中仅是一个技术概念。目前定义的蓄电池管理系统(BMS),仅是蓄电池管理系统中的蓄电池监测电路。从蓄电池管理系统的概念考虑,必须将充电系统、放电系统和蓄电池管理系统(即蓄电池储能电源系统)作为一个系统工程考虑。
目前以“电池、电机、电控”为主要内容的“三横”项目组织模式,将电动汽车用蓄电池储能电源系统和动力集成糸统支解为“电池、电机、电控”三个相互独立的零部件。虽然电池、电机、电控等零部件都达到了课题目标,但由于缺乏系统设计的基本概念,连接到一起后,不能构成具有基本功能的蓄电池管理系统(BMS)。不具备防止蓄电池安全性下降、使用寿命缩短的看基本功能,甚至频繁发生蓄电池燃烧、爆炸等恶性事故。
以锂离子等新型蓄电池成组应用技术为技术基础,将充电系统、放电系统和蓄电池系统作为一个系统工程(即蓄电池储能电源系统),对突破蓄电池技术瓶颈致关重要。
我国电池成组技术“落后”的根本原因
蓄电池成组应用技术和蓄电池储能电源系统集成技术研究,在技术方面目前存在的主要问题是:
1、混淆了“蓄电池应用技术”和“蓄电池成组应用技术”的概念。
单体蓄电池应用技术是伴随蓄电池产品研究同时产生的。主要包括保证蓄电池安全运行的安全要求、环境要求和技术要求。
蓄电池组则是由两个以上的蓄电池组成的蓄电池组合。与单体蓄电池的主要不同点是:单体蓄电池的性能是唯一的,而组成蓄电池组的单体蓄电池的性能是不同的。即组成蓄电池组的单体蓄电池存在不均衡问题,是蓄电池组的基本特性。蓄电池成组应用技术则是在组成蓄电池的蓄电池存在不均衡的情况下,防止组成蓄电池组的单体蓄电池在充放电工作状态超过单体蓄电池的安全要求、环境要求和技术要求的技术技术措施和技术方法。
目前,蓄电池成组应用技术研究中,普遍存在混淆“单体蓄电池应用技术”与“成组应用技术”的区别。
随阀控铅蓄电池技术发展而形成的“基于端电压”的“恒压充电方模式”、“恒压限流充放电模式”,蓄电池不均衡性适应特性很差。而不均衡性是蓄电池的基本特性。上述充电技术和设备只能适用于单体蓄电池的充电和放电。不适用包括普通铅蓄电池在内的所有蓄电池组的充电。但从二十世纪七十年代开始,将“单体蓄电池”的充放电技术和设备,用于“蓄电池组”的充电和放电,是普遍现象。因为对阀控铅蓄电池的伤害,主要是使用寿命的缩短,发生燃烧、爆炸的几率相对较小,没有引起足够的重视。随锂离子等新型蓄电池的发展,对电池伤害的直接结果,不仅是使用寿命大幅缩短,而且可能发生燃烧,爆炸等恶性事故。蓄电池成组应用技术才引起广泛关注。
2、混淆了“单体蓄电池”和“蓄电池组”的概念。
单体蓄电池,特指一个基本的电化学电源。其基本特性是:单体蓄电池是由正极、负极和电解质组成的一个基本电化学耦。其基本特性是:单体蓄电池的电化学特性和物理特性是唯一的,即不存在不均衡问题。
蓄电池组,特指由两个或两个以上单体蓄电池组成的组合体。其基本特性是:组成蓄电池组的各单体蓄电池的电化学特性和物理特性存在差异。即具有不均衡特性。
混淆“蓄电池组”与“单体蓄电池”的区别,是目前普遍存在的问题。甚至有学者说“制造大容量蓄电池,需要采用若干个电极并联。采用小容量并联组成大容量电池与电池内部采用电极并联组成大容量蓄电池有什么区别?”
持这种观点者,将并联蓄电池组排除在蓄电池组之外。支持采用小容量蓄电池并联组成的蓄电池组,以满足用户对大容量蓄电池的需求。其理由是:认为小容量蓄电池的质量容易控制,安全性相对较好,技术相对成熟。这种技术观点的主要问题是混淆了“单体蓄电池”和“蓄电池组”的概念。讨论蓄电池组的问题,与讨论单体电池容量大小的问题不是同一个问题。若“蓄电池组”和“单体蓄电池”的概念都不清楚,便无从谈及蓄电池成组应用技术研究。
3、混淆了“蓄电池管理系统”和“蓄电池监测系统”的概念。
蓄电池管理系统的基本功能是保证蓄电池和蓄电池组在运行过程中不会超过安全要求、环境要求和技术要求。基本目标是,防止蓄电池和蓄电池组在充放电过程中发生过充电、过放电、过电流和温度超过允许范围。为此,蓄电池管理系统至少应包括充电管理系统、放电管理系统和蓄电池监测系统。其中,蓄电池监测系统是充电管理系统和放电管理系统的数据支撑系统。对于大容量蓄电池储能电源系统,蓄电池管理系统的相关电路分别嵌入在蓄电池模块和总成、充电设备和用电设备中的。其中任意一个电路仅是蓄电池管理系统的一部分,不能称为蓄电池管理系统。在大容量蓄电池储能电源系统中,蓄电池管理系统仅以一种技术概念存在,不可能有一个实际的形态。目前定义的蓄电池管理系统,实际仅是蓄电池管理系统中的蓄电池监测电路,不具有蓄电池管理系统基本的特征和基本功能。
展望:蓄电池储能电源系统的核心技术是蓄电池管理系统。蓄电池成组应用技术是研究蓄电池管理系统(BMS)的技术基础。我国在蓄电池储能电源系统关键技术研究已经取得重大进展。其中一些关键技术已经处于国际先进或领先水平。已经具备在短时间内完成蓄电池储能电源系统集成,突破蓄电池储能电源系统技术瓶颈的技术基础。
目前的问题是,激烈的产业竞争,形成的“相互隔离、重复分散的格局”,已经成为突破蓄电池储能电源系统集成技术瓶颈,推动蓄电池储能电源系统标准化和产业化的巨大障碍。探索在市场条件下利于推动行业合作和资源整合的新模式,是目前迫切需要可解决的重大课题。
《节能与新能产业规划》(征求意见稿)中提出:集中全行业科技资源,共同开展系统集成、动力总成、电磁兼容、高压安全等关键共性技术研究,建立有效的共性技术平台共享机制。根据“整合、共享、完善、提高”的原则,针对不同类型共性技术平台的特点,采用灵活多样的共享模式。打破目前相互封闭、重复分散的格局。是突破目前困局的正确路线。对推动节能与新能源汽车产业发展具有重大战略意义。
在市场条件下,充分发挥行业协会的作用,是值得探索的一种创新模式。在中国电子商会电源专业委员理事长王秉科副司长的具体领导下,由中国电子商会电源专业委员会牵头,从2008年1月召开了推动我国蓄电池储能电源系统产业发展的园桌会议。制定了以标准化研究为切入点,在产业联盟的框架内,推动我国蓄电池储能电源系统产业发展的总体规划。根据总体规划,由中国电子商会电源专业委员会副理事长钱良国具体组织,联合包括中航锂电、盟固利、比亚迪在内的30余家相关企业、科研院所和大专院校,依托机械科学研究总院,在2009年12月,完成了由JB/T 11137-2011~JB/T 11143-2011七项标准组成的锂离子蓄电池储能电源系统行业基础标准体系,为推动蓄电池储能电源产业发展奠定了重要的技术基础。
中国“电池人”在行动
在此基础上,在2009年12月成立了中国锂离子蓄电池储能电源系统产业技术创新战略联盟。经充分准备,从2011年5月,基本完成了分别依托长三角产业聚集区、京津唐产业聚集区和环渤海产业聚集区相关企业布局的蓄电池储能电源系统产业化示范基地的布局。启动了第二阶段(技术准备阶段)的工作。
第二阶段的基本任务是:在完成行业基础标准的基础上,以宣传和贯彻锂离子蓄电池储能电源系统行业基础标准为突破口,以依托相关企业建立的区域性产业化示范基地为依托,以电动汽车用蓄电池储能电源系统集成为切入点,采用技术创新和集成创新相结合,以集成创新为主的方法,在产业联盟的框架内,统一规划、统一标准、统一进度,争取利用两年左右的时间,基本突破蓄电池成组后 安全性下降、使用寿命缩短的技术难题。为第三阶段产业化建设奠定技术基础。
第二的基本目标是:
1、坚持统一规划、统一标准,首先在产业联盟的框架内,突破相互隔离重复分散的格局。重点探索坚持标准化的基本原则与提升企业核心竞争力和推动行业合作与坚持良性竞争的协调统一。
2、实现蓄电池成组后的安全性和使用寿命与单体蓄电池基本相同的基本目标。
3、以三项基本要求和五项具体要求为目标,实现蓄电池储能电源系统的标准化研究,为产业化奠定技术基础。
电动汽车用蓄电池储能电源系统的三项基本要求是:
1、应符合电动汽车公共能源供给系统对标准化的要求;
2、应满足电动汽车研究对蓄电池储能电源系统个性化的需求;
3、应适应(蓄电池、电机及驱动器等)资源多样性的特点。
纯电动乘用车用蓄电池储能能电源系统的五项具体要求是:
1、统筹三个系统:将充电系统、蓄电池系统、电机和驱动系统作为一个系统工程统一研究;
2、兼容三种电池:至少能自动兼容不痛厂牌的锰酸锂、磷酸亚铁锂和三元聚合物三种蓄电池;
3、连接三种电机:可连接稀土永磁、交流异步和磁阻电机;
4、适应三种车型:至少可满足微型车、两厢车和三厢车的需要;
5、采用三种充电模式:可采用直流充电、交流充电和电池租赁三种能源补给模式。
