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电池组一致性是电动轿车普及的瓶颈 |
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| http://cn.newmaker.com
5/19/2010 10:24:00 AM
日经BP社
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作为电动车最重要部分的动力锂电池组的价格、性能、寿命和安全性，直接决定了整车的性能。对于动力锂电池，电池组的一致性问题一直困扰着国内外从事电动车研发的整车厂商。控制好动力电池的原材料、生产过程和出厂检验，可以有效提高电池组的一致性。另外，在驾驶中的合理监控及使用，以及与其他驱动控制系统的最佳搭配也会对电池组一致性的提高有帮助。
材料是关键
由于电池组里各电池单元之间的细微差别，电池组的各项性能绝对不是单个电池性能的代数相加。每个电池单元的容量、内阻等特性的区别，会使容量大者总是处于小电流浅充浅放状态，而容量小者总是处于大电流过充过放状态，两者之间性能参数差异越来越大，小容量者提前失效；或者是使内阻大的成为耗能的串联电阻，并容易发热过高，缩短寿命。在电池组的使用过程中，每个电池单元的温度、电压、电流等都不一样，工作一段时间后，电池组的一致性必然持续恶化，最后导致电池的能效迅速降低到无法接受和继续使用的程度。
电池单体的类型对电池组一致性影响非常大。动力电池方面，锂电池未来将取代镍氢电池成为新能源汽车主流。2012年之后随着磷酸铁锂（LiFePO4）电池在技术、成本、市场方面绝对优势的确立，其需求增速将大幅增加。相对笨重而有记忆效应的镍氢电池，生产过程和产品本身都有污染的铅酸电池，以及昂贵、寿命短而不安全的钴锂电池，磷酸铁锂电池不仅具有安全、长寿、重量轻、体积小、单体电压高和自放电小等优点，而且其在电池单元的一致性方面也要远远好于其他几种电池，故此将逐渐成为今后汽车动力电池的主要发展方向。
由于磷酸铁锂电池阳极的导电性其实并不好，直接限制了它的能量密度和其它特性。对于让锂离子与阳极的嵌合和分离更加高效，且同时对阳极的损耗最小，各公司有不同的解决方案。
1）美国A123公司的研究显示，缩小正极晶体颗粒的大小到一定程度，会对电池性能有很大影响。当正极晶体颗粒能控制在100nm以下至十几nm，而且电极通过加入其它金属而发生变性时，锂离子出入晶体正极材料时（充电和放电），其晶体结构发生的变化就会明显变小（较少残留在正极电极材料上），而且，锂离子进出正极晶体阵列也更加快捷。这样，不仅电池放电功率大为提高，并且可以对电池进行反复充放，而不会因电极材料损坏致使电池单元失效。
2）Phostech公司的方法是在阳极上沉降一层非常薄的蜂窝状结构的碳原子层（Carbon Coating），作为电介质中锂离子进出阳极的嵌套窗口，同样大大提高了锂离子与阳极的嵌合与分离的效率。
A123 与 Phostech 都宣称自己产品的充放电循环次数在5000次以上，可以保证电池单元的寿命和性价比。
生产过程的质量控制
首先，对母料的来源、纯度、成份、配比、保存条件、隔膜质量的严格监控与检验，是保证电池单元一致性的第一道关卡。目前，高端电动车的正、负极材料和电介质等的原料供应基本上都控制美、日几家具有相关专利技术的大厂手中。国内比亚迪和天津斯兰特也具备了原材料量产的能力。
电池单元制造过程的波动可能比电池材料更难控制。如电池涂布工艺，在生产过程中，浆料涂覆均匀性及厚度均需自动化监控设备即时调整，以保证涂敷均匀。固态项工艺，液态（润湿）工艺，熔铸工艺，控制纳米级颗粒的纯度、大小和晶体形态，溶剂的选择，添加反应剂的种类，配料及保证配料均匀，过程产物和废弃物的回收利用（减低成本）等，每一个关键环节的质量控制都非常关键。任何一步的过程参数和反应条件出现微小偏差，都会直接影响成品的一致性，导致合格率无法达到量产的水平，从而影响电池单元的商业化生产。故此，大型专用精密生产线是保证工艺稳定性的必要条件。
国内外只有几家企业有生产成套磷酸铁锂电池设备的技术能力，如美国A123和Valence，加拿大的Phostech，日本的东芝、日立和三洋，韩国的LG等，另有约20家企业可以为磷酸铁锂电池生产线提供部分工序所需设备。一整套设备的价格大约在1.5～3.3亿元，这对于有政府背景的各地新能源企业还比较容易找到融资途径。但是，如果不是自己研发的生产系统，就很难掌握控制过程参数的核心技术。从而在日常操作、维护，以及系统更新换代方面，完全受制于人，而且维持费用会高达每月上千万元。比亚迪的铁电池生产线是采用自有技术设计制造的，但自动化程度、在线控制水平和成品良率等情况，暂未公开。
对于已经生产出来的电池单元，如果可以对出厂前的电池单元进行有效质量控制，包括严格控制配给同一电池组同厂同批次的电池单元，并经过深度放电等相关电气功能检测，可以尽量将不良品检出，并减少组内差异，对提高电池组的一致性亦有裨益。
动态平衡与系统联动
对于已经用串联原理组装而成的电池组，仍可以用动态均衡原理改善其一致性：对于电池组内的每个单体电池，其电压、内阻和充电状态（SOC）等参数都是可以随时监控的。这些信息如果可以及时有效的反映给电池管理系统，由电池管理系统按各个电池的实际状况，控制其充放电状态和流量，以及相应的冷却散热调节，保证电池单元在最适宜的状态下工作，自然也就可以最大限度地保护电池单元，延长其寿命，确保整个电池组在使用中的一致性。
由于电池组一致性的实际技术困难一时难以解决，整车厂、电池组和驱动系统供应商现在更多的是采用“曲线救国”的方式，来尽量减少这个问题带来的麻烦。
毋庸置疑，提高电池组一致性的终极目标是提高电池组的性价比、寿命和安全性。电池组能否发挥最佳效能，除了其本身的特性，还受制于电池组与其他系统的配合。如果能在研究提高电池组效能的同时，完全针对将要采用的电池组的实际特性，设计对应的电池管理系统、启动系统、发动机系统和充电系统部分，就可以达到最佳匹配效果。这样，即使电池组单体的一致性提高有困难，但是专门配合它的其他系统一方面可以精准地检测和控制电池组及其每个单体的温度、电性能参数和寿命等，另一方面可以及时调节其温/湿度，合理安排电池单元的充放电，防止一部分电池单元过载过充，而另一部分电池单元浅放浅充等问题。
这样综合、系统地设计电池驱动系统，降低了电池模组的使用门槛，但对系统设备供应商的整合能力提出了更高的要求。要设计出理想而均衡的系统，设备厂商需在化学、电学、材料学等基础科学上深入研究，并在相关的电子、电气零部件和准系统等有成熟的技术。
一种可行的办法是，整车厂对包括动力电池组在内的驱动系统，尽量由一家有实力的设备厂而不是由多家设备厂分别提供单个的“准设备”。戴姆勒汽车和Evonik公司共建汽车电池厂，通用汽车和韩国LG联合研发电动车，都是看重了对方技术方面的雄厚实力。国内方面，奇瑞刚与Better Place合作开发更换电池的电动车，而比亚迪则继续坚持自主设计和生产，结果如何尚在期待中。
电动汽车国家标准的制定
由于中国汽车技术的来源有日系、美系、德系和法系等，新能源技术的来源更多，国内各地区、各部门在电动车发展方向的认知上仍有较大分歧。这导致了电动汽车国家推荐标准一直无法出台，电动汽车动力锂电池的规格、安全标准和充电方式等规范更是无从谈起。对于这样一个非常需要政府大力扶持，业内企业和科研单位共同参与开发的产业而言，宏观目的不明，自然直接影响到业界整体水平提升，以及各个独立企业相关产品研发、上市的进度。
日本现在正由产经省、交通省联合5大车厂和10余家相关企业共同研究推出本国的动力电池标准。这很值得我国相关业者思考。（特约记者 宋帆）
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