18 车用锂离子动力电池系统开发技术
一、技术名称:车用锂离子动力电池系统开发技术
二、技术类别:减碳技术
三、所属领域及适用范围:汽车行业交通运输领域
四、该技术应用现状及产业化情况
锂离子电池具有重量轻、储能容量大、功率大、无污染、寿命长、 自放电系数小、温度适应范围广等优点,已逐渐取代铅酸电池和镍氢 电池,成为目前世界上大多数汽车企业进行电动汽车开发的首选目标。 自 2009 年 1 月我国启动新能源汽车“十城千辆”推广工程以来,已经覆 盖北京、上海、重庆等 25 个城市。受政策和市场驱动,2014 年我国 新能源汽车产销量呈井喷式增长,全年产量突破 8.4 万辆,销量达 7.6 万辆,产销量增长均超过 300%。商用车是新能源汽车行业现阶段发展 最快的领域,尤其在客车领域,由于公共交通需求而释放的潜力将极 大地促进电动汽车行业的发展。
五、技术内容
1. 技术原理
电动汽车通过动力电池系统为驱动电动机提供电能,电动机将电能转化为机械能,通过传动装置直接驱动车轮。与传统燃油机动车相 比,电动汽车在行驶中不排放二氧化碳,其排放量按动力电池所耗电 量进行折算。由于电力可以采用常规火电和其他可再生能源电力获得, 且可充分利用晚间低谷电进行充电,其单位里程排放量低于燃油机动车的排放量,从而实现二氧化碳减排,并有效提高其经济效益。
2. 关键技术
(1)电池分选配组技术
通过对大量单体电池的数据统计和软件分析,评估单体电池不同电压差、内阻差、容量差等分档情况对电池模块一致性程度的影响, 确定更合适的单体电池分选和配组标准,组建自动化的电池分选装备, 提升电池分选配组的效率。
(2)电池系统热管理技术
通过有限元(FEA)计算机辅助设计(CAE)进行电池单体、电池模块热性能模拟,确定被测单元在不同工况下的热性能表现和电池 单体在实际工况下的发热状况及发热点,构建适宜的电池模块冷却系 统。
(3)电池系统均衡技术
电动汽车的车载能量通常由串联成组的动力电池来提供。但由于存在一致性问题,成组电池在可用容量、使用寿命等方面远不及单体 电池,采用电池系统均衡技术可有效提高成组电池的使用性能。
(4)电池管理系统关键技术
关键技术包括电池剩余电量(SOC)、健康状态(SOH)估算和均衡技术,在准确估测电池系统SOC的基础上,准确评估电池系统的 SOH。通过优化充放电控制算法,在原有容量、电压、温度等参考参 数的前提下,引入内阻等电池特性参数,进行基于多参数的充放电控 制算法,有利于降低电池充放电状态评价误差影响,正确评价电池充 放电状态,优化充放电管理。
(5)电池系统测试验证技术
研究单体电池、电池系统、BMS 系统的功能、性能及安全性、可 靠性的测试验证标准及方法,建立综合性的测试验证平台。
(6)电池系统模拟仿真技术
对电池系统进行流场、热场、机械强度及控制策略等的模拟仿真,保证系统设计的可靠性。
3. 工艺流程
锂离子电池及电池组生产示意图见图1和图2。
主要制作工艺技术路线如下:
(1)制浆。用专门的溶剂和粘接剂分别与粉末状的正负极活性物 质混合,经高速搅拌均匀后,制成浆状的正负极浆料;
(2)涂膜。将制成的浆料均匀地涂敷在金属箔的表面,烘干,分 别制成正、负极极片;
(3)装配。按正极片/隔膜/负极片/隔膜自上而下的顺序放好,经 卷绕制成电池极芯,再经滚槽、注液、封口等工艺过程,即完成电池 的装配过程,制成成品电池;
(4)化成。用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电,激 活其内部活性物质,然后对每一只电池检测,筛选出合格的成品电池 待下一流程使用;
(5)分选。采用智能的分选软件,根据合理的容量、电压及内阻 差异标准对电池进行分组;
(6)组合。采用专用的设备对成组的单体电池进行复检,将经过绝缘处理后的电池进行焊接,与保护线路板进行焊接后,再进行电性 能检测,并进行入壳、贴标签和包装。
电池管理系统(BMS)示意图见图3。
六、主要技术指标
图3 电池管理系统(BMS)示意图
1.单体电池
电压:3.2V、3.6V、3.75V; 容量:5.5Ah~130Ah; 内阻:≤10mΩ。
2.商用大巴电池系统 电压:120~360V; 容量:245Ah~615Ah;能量:110kWh~221kWh;最大放电电流:540A。
3.乘用车电池系统 电压: 144~358V; 容量: 4.4Ah~115Ah;能量: 0.6336kWh~38.33kWh; 最大放电电流:500A。
七、技术鉴定情况
该技术已获国家发明专利 5 项,实用新型专利 45 项。
八、典型用户及投资效益
典型用户:安凯、宇通、申沃、青年、江淮、悦达起亚等汽车厂
典型案例 1
案例名称:快换式纯电动客车动力电池系统开发项目
建设规模:具备年产 4000 套大巴用锂电池系统的生产能力。建设条件:该动力电池系统应用于电动公交车,已应用于天津津门湖、海 泰等充换电站、青岛薛家岛、深圳路充换电站。主要建设内容:动力 电池生产线。主要设备为自动点焊机、激光焊接机、自动分选机、 ARBIN 测试设备、功能测试设备等。项目总投资 1.5 亿元,建设期为3 年。投运公交车 502 辆,年减排量约 1104tCO2。项目达产可形成的 年经济效益 8000 万元,投资回收期约 3 年,碳减排成本为 1.8~4 万 元/tCO2。
典型案例 2
案例名称:车用方型动力电池开发项目
建设规模:形成年产 3 亿 Ah 方型电池的生产能力。建设条件:方型锂离子电池已广泛应用于宇通、金龙、福田、安凯等商用大巴车 及悦达起亚、一汽红旗等乘用车项目中。主要建设内容:生产线建设。 主要设备为自动卷绕机、自动制片机、自动物流线、自动装配线、自 动注液机、极片烘干箱、电池烘干箱、锂离子排气设备、锂离子化成 设备、自动打标机、锂离子电池验漏、自动分选机、pack 自动电阻焊、 ARBIN 测试设备、自动激光焊接机等。项目总投资 6 亿元,建设期为5 年。年碳减排可达 7058tCO2。项目达产可形成的年经济效益 15 亿元, 投资回收期约 6 年,碳减排成本为 1.8~4 万元/tCO2。
九、推广前景和减排潜力
随着新能源汽车产业政策的密集出台,新能源汽车产业的发展呈现出逐年增长的态势。目前动力电池系统技术已广泛应用于新能源商 用车、乘用车、城市物流车及其他特种车的示范运营中。预计未来 5 年,全国约有 400 万辆新能源汽车,占汽车总量的 2%,项目总投资 约 30 亿元,年碳减排能力可达 550 万吨 CO2。
由武汉节能协会办公室整理