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鋰電池/BMS創(chuàng)新技術(shù)大比拼 哪家企業(yè)更勝一籌？
發(fā)布時(shí)間：
2016-08-13
鋰電池尤其是動(dòng)力鋰電池行業(yè)正處在快速發(fā)展階段。雖然該階段下的鋰電行業(yè)存在很多問題，比如制造工藝整體水平偏低、安全事故不斷、資本炒作日趨嚴(yán)重等，但同時(shí)也有很多有志之士正用自己的力量去解決這些問題，解決方式之一就是不斷革新各類技術(shù)。
在此背景下，為鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新，記錄行業(yè)重大變革力量，高工鋰電發(fā)起了2016年度高工金球獎(jiǎng)評(píng)選。本屆評(píng)選自從6月1日開始報(bào)名，截至目前已經(jīng)有眾多鋰電企業(yè)參與其中。值得一提的是，從本屆金球獎(jiǎng)的報(bào)名情況來看，參選“年度創(chuàng)新技術(shù)、產(chǎn)品”獎(jiǎng)項(xiàng)的鋰電企業(yè)明顯比往年多，這無疑顯示出行業(yè)新興變革的力量正在壯大。
高工鋰電網(wǎng)此前圍繞材料及設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新的兩篇報(bào)道——《提升鋰電池性能要靠新型材料 哪家材料企業(yè)創(chuàng)新技術(shù)較強(qiáng)？》、《鋰電池制造工藝升級(jí)依賴于設(shè)備 哪家企業(yè)設(shè)備創(chuàng)新技術(shù)較強(qiáng)？》備受行業(yè)人士關(guān)注。
本文主要圍繞鋰電池/BMS創(chuàng)新技術(shù)展開(由于字?jǐn)?shù)受限，本文只選取了部分參與金球獎(jiǎng)評(píng)選企業(yè)的創(chuàng)新產(chǎn)品及技術(shù)，其余將在后續(xù)報(bào)道中呈現(xiàn))，且看這些創(chuàng)新技術(shù)解決了哪些實(shí)際問題，技術(shù)先進(jìn)性體現(xiàn)在哪：
1、中興派能：電動(dòng)車/大容量儲(chǔ)能用電池模塊結(jié)構(gòu)
中興派能報(bào)名參選2016高工金球獎(jiǎng)“年度創(chuàng)新產(chǎn)品”獎(jiǎng)項(xiàng)的是“電動(dòng)車/大容量儲(chǔ)能用電池模塊結(jié)構(gòu)”。
軟包鋰電池成組方式主要有兩種：一種是塑料殼、鋁殼和鋼殼包裝，做成標(biāo)準(zhǔn)模塊形式；塑料殼結(jié)構(gòu)散熱差，強(qiáng)度不高；鋼殼和鋁殼結(jié)構(gòu)存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。另一種是一片軟包電池加一片鋁散熱片，整組采用焊接或螺絲連接形式；這種結(jié)構(gòu)成組并串?dāng)?shù)不同時(shí)需要加工不一樣的零部件多，成本相對(duì)較高。
而結(jié)合前兩種軟包電池成組的特點(diǎn)，中興派能公司開發(fā)一種軟包電池模塊。這種結(jié)構(gòu)具有采用鋁殼包裝散熱好，模塊標(biāo)準(zhǔn)化便于成組，非密閉式包裝無爆炸風(fēng)險(xiǎn)，梯次利用拆卸方便，利用成本低等優(yōu)點(diǎn)。此模塊可以進(jìn)行自動(dòng)化批量生產(chǎn)，保證產(chǎn)品的一致性。
此軟包電池模塊與市面上軟包成組方案的成本相當(dāng)，但是它集合了各成組方案的優(yōu)點(diǎn)，性價(jià)比提高。在純電動(dòng)車以及大型儲(chǔ)能應(yīng)用均可以采用，可以提高模塊散熱，降低系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，減少系統(tǒng)成本。
中興派能透露，采用該電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，在電動(dòng)車以及儲(chǔ)能應(yīng)用中獲得客戶廣泛好評(píng)，實(shí)際測試結(jié)果表明，該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以大幅提高電芯在普遍應(yīng)用場景下的散熱能力，并提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
2、中航鋰電：中間相碳微球軟碳鋰離子儲(chǔ)能電池系統(tǒng)技術(shù)
中航鋰電報(bào)名參與2016高工金球獎(jiǎng)“年度創(chuàng)新技術(shù)”獎(jiǎng)項(xiàng)的評(píng)選，參選技術(shù)是中間相碳微球軟碳鋰離子儲(chǔ)能電池系統(tǒng)技術(shù)。
據(jù)了解，本項(xiàng)目針對(duì)智能電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的急迫需求，聚焦鋰電系統(tǒng)儲(chǔ)能的性價(jià)比及推廣前景，以具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低成本、長壽命和高安全性軟碳負(fù)極材料的制備技術(shù)為依托，旨在加快中國軟碳負(fù)極材料的商業(yè)化進(jìn)程，同時(shí)在以軟碳為負(fù)極的鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成與制造核心技術(shù)、示范運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)，以及鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)成本、壽命和安全性方面等關(guān)鍵問題取得重大突破。
技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下：(1)通過原料處理技術(shù)和工藝參數(shù)調(diào)整，進(jìn)而控制材料的顆粒大小和形貌特征。通過添加適當(dāng)添加劑，改善軟碳導(dǎo)電能力，進(jìn)而提高軟碳的倍率性。采用復(fù)合技術(shù)，在形成復(fù)合材料的過程中對(duì)材料進(jìn)行表面修飾，不僅提高軟碳對(duì)電解質(zhì)的兼容性同時(shí)提高材料的首次效率；
(2)通過新型凝膠電解液聚合單體(和交聯(lián)劑)及引發(fā)劑的開發(fā)，篩選出較優(yōu)的聚合單體(和交聯(lián)劑)及引發(fā)劑，實(shí)現(xiàn)高效的凝膠效果，同時(shí)在不影響電池性能的基礎(chǔ)上減少凝膠單體(和交聯(lián)劑)的含量，從而解決凝膠單體(和交聯(lián)劑)與電極的相容性差，結(jié)晶性強(qiáng)問題。同時(shí)，開發(fā)的新型聚合體系在引發(fā)劑作用下能夠在有氧條件下實(shí)現(xiàn)均勻聚合。提高凝膠電解液電導(dǎo)率，同時(shí)改善與儲(chǔ)能電池正負(fù)極材料的相容性，減少與極片界面阻抗；
(3)課題擬針對(duì)軟碳材料進(jìn)行極片工藝特性研究，優(yōu)化該電極材料的粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑和配比，并且進(jìn)行電池內(nèi)部各材料間的匹配性研究，同時(shí)開展結(jié)構(gòu)等安全性方面的設(shè)計(jì)；
(4)通過一種基于常規(guī)低電壓電池模快與常規(guī)電力電子模塊相結(jié)合的集成方案，把電池管理系統(tǒng)與電力電子模塊控制器合二為一，進(jìn)而把對(duì)電池的電能應(yīng)用與管理結(jié)合起來搭建MW級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)具有多用途性與低成本性。
中航鋰電透露，項(xiàng)目將最終獲取極具市場競爭力的低成本軟碳材料(3萬元/噸)及單體電池(1.5-2.5元/Wh)，并保證兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)示范，體現(xiàn)軟碳在低成本、長壽命、高安全性的儲(chǔ)能用鋰電系統(tǒng)的特點(diǎn)。
在能量和循環(huán)性能方面，單體電池的能量密度達(dá)到100Wh/Kg，循環(huán)壽命4000次以上，同時(shí)電池的各項(xiàng)性能通過第三方認(rèn)證。在模塊方面，循環(huán)壽命3000次以上，并完成兆瓦級(jí)儲(chǔ)能示范。本課題具有前沿性、新穎性和實(shí)用性，擬申請(qǐng)多項(xiàng)國內(nèi)外發(fā)明專利。
3、猛獅科技：超高能量密度圓柱鋰離子電池
猛獅科技本項(xiàng)目的技術(shù)難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)高能量密度，單體電池能量密度達(dá)到220Wh/kg以上，通過電池關(guān)鍵材料及電池設(shè)計(jì)等系統(tǒng)解決方案實(shí)現(xiàn)18650型電池的高能量化，具體包括：
（1）采用高比容量的高鎳型鎳鈷錳酸鋰材料或鎳鈷鋁酸鋰正極材料與高比容量的人造石墨或硅碳負(fù)極材料；并開發(fā)與之適應(yīng)的高電壓電解液及適合硅基負(fù)極材料的電解液，通過電池材料的系統(tǒng)集成與優(yōu)化，提高電池能量密度，并獲得良好的循環(huán)穩(wěn)定性，提高18650型電池使用的性價(jià)比；
（2）減少正負(fù)極集流體的厚度；通過涂覆型負(fù)極集流體來解決電池安全性問題，在降低非電化學(xué)活性物質(zhì)的同時(shí)保證電池高安全性能，同時(shí)兼顧電化學(xué)性能和安全性能，滿足電動(dòng)汽車的使用需要；
（3）優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)，降低導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑的含量、隔膜的用量，減少電池中非電化學(xué)活性物質(zhì)的質(zhì)量和體積，提高電池能量密度。
4、山東威能：新型德標(biāo)三元復(fù)合材料鋰離子電池/超高倍率快充磷酸鐵鋰鋰離子電池/新型軟碳負(fù)極材料鋰離子電池
新型德標(biāo)三元復(fù)合材料鋰離子電池：山東威能設(shè)計(jì)開發(fā)的新款德標(biāo)三元復(fù)合鋰離子電池外形符合德國VDA尺寸標(biāo)準(zhǔn)，電池綜合性能達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，符合歐洲符合IEC 62660-2電池測試標(biāo)準(zhǔn)，其主要特點(diǎn)為：
（1）通過對(duì)電池關(guān)鍵材料進(jìn)行匹配性研究，提高了電池的能量密度、循環(huán)性、高溫適應(yīng)性和倍率充放電性能；（2）通過引入功能陶瓷隔膜和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，提升了電池的安全性能，特別是防過充性能得到極大改進(jìn)；（3）尺寸符合德國VDA標(biāo)準(zhǔn)，安全性符合通過IEC 62660-2歐洲標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)，具有較高的市場競爭力，可在國際市場推廣使用。
超高倍率快充磷酸鐵鋰鋰離子電池：目前國內(nèi)外鋰離子電池的研發(fā)及生產(chǎn)已經(jīng)非常廣泛，然而現(xiàn)在電池的循環(huán)壽命、高倍率充放電、低溫冷啟動(dòng)等都還遠(yuǎn)沒有達(dá)到客戶的期望值。
為解決電池循環(huán)壽命不足、大倍率充放電效率低和低溫冷啟動(dòng)性能差的技術(shù)難題，山東威能針對(duì)性得提出了利用硬碳負(fù)極材料搭配磷酸鐵鋰正極材料的解決方案。通過納米化及石墨烯包覆正極材料，硬碳石墨復(fù)合負(fù)極材料，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，研發(fā)出了超高倍率耐低溫的磷酸鐵鋰鋰離子電池（核心技術(shù)）。
該電池可以進(jìn)行30C大電流放電，10C（10分鐘）快速充電，適合于汽車啟停電源等各種需要進(jìn)行高倍率充放電的領(lǐng)域（技術(shù)突破1）。同時(shí)電池具有優(yōu)異的低溫性能，-40℃放電效率超過80%（技術(shù)突破2）。
新型軟碳負(fù)極材料鋰離子電池：鋰離子電池作為新能源產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)近年來得到了飛速發(fā)展，然而其在應(yīng)用過程中還面臨著循環(huán)壽命低、生產(chǎn)成本較高、高低溫性能較差等技術(shù)難題，山東威能針對(duì)以上問題，引進(jìn)低成本、長壽命、具有優(yōu)異的高低溫性能的軟碳材料作為負(fù)極，開發(fā)了一款具有一款新型的硅碳負(fù)極鋰離子電池。
（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程研究了合漿過程漿料的流變性、穩(wěn)定性、分散性等特性并進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)化，改善了極片質(zhì)量，提了電池的制造一致性；（2）通過優(yōu)化電池設(shè)計(jì)，提高了電池的大電流充放電性能和低溫放電性能。電池3C放電容量保持率超過95%，低溫 -40℃放電容量保持率超過80%（3）進(jìn)行電池材料匹配設(shè)計(jì)，提高電池的循環(huán)性能，80%DOD充放電可循環(huán)6000次以上。
5、上海卡耐：三元軟包動(dòng)力電芯CPB-LM20
在2016年度高工金球獎(jiǎng)中，上海卡耐參與年度創(chuàng)新產(chǎn)品評(píng)選的是三元軟包動(dòng)力電芯CPB-LM20，主要應(yīng)用在乘用車、商用車、港口機(jī)械及高性能摩托車領(lǐng)域。目前該產(chǎn)品已經(jīng)取得相關(guān)專利認(rèn)證。
據(jù)悉，該產(chǎn)品采用陶瓷涂層隔膜，對(duì)正負(fù)極進(jìn)行有效的隔離，陶瓷隔膜是在隔膜表面涂覆三氧化二鋁的一種隔膜，對(duì)于三元材料的安全性問題效果很好；兩端出極耳結(jié)構(gòu)利于平衡兩極耳出的發(fā)熱量；涂布精度保證C/A值可控性，兼顧了能量密度和安全性；疊片結(jié)構(gòu)提高了產(chǎn)品倍率放電性能，軟包的結(jié)構(gòu)提高了電池的安全性。目前已經(jīng)通過2015新國標(biāo)強(qiáng)檢認(rèn)證。
上海卡耐表示，該產(chǎn)品獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和科學(xué)的設(shè)計(jì)及精密的生產(chǎn)控制，使其能量密度在150Wh/Kg、循環(huán)壽命3000周以上、倍率性能達(dá)到5C充電和8C放電、電池工作范圍-25℃至55℃；同時(shí)，安全性能也符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于產(chǎn)品充放電倍率好、性能穩(wěn)定、循環(huán)壽命高，獲得了客戶的一致好評(píng)。
6、超思維：先進(jìn)動(dòng)力電池BMS的SOC估算技術(shù)
國內(nèi)外一般多采用電流積分法對(duì)SOC進(jìn)行估算，該方法原理簡單、對(duì)硬件資源要求較低，但存在電量估算精度差(誤差超過10%)、受外部環(huán)境影響大等缺點(diǎn)。而部分選用卡爾曼算法的BMS系統(tǒng)由于采用矩陣運(yùn)算以及浮點(diǎn)運(yùn)算，要求較高的硬件資源，同時(shí)需要進(jìn)行大量試驗(yàn)，導(dǎo)致開發(fā)周期長，成本高，無法快速滿足市場需求。
在本屆高工金球獎(jiǎng)的“年度創(chuàng)新技術(shù)”獎(jiǎng)項(xiàng)中，超思維參選的產(chǎn)品是先進(jìn)動(dòng)力電池BMS的SOC估算技術(shù)。該算法提出來一種基于試驗(yàn)的快速參數(shù)辨識(shí)方法，可以大幅度減少HPPC的試驗(yàn)次數(shù)，能夠很好地解決制約卡爾曼濾波算法商用化的最大障礙。
超思維動(dòng)力電池BMS 采用“基于整形運(yùn)算的擴(kuò)展卡爾曼算法”以及“基于試驗(yàn)的快速參數(shù)辨識(shí)方法”方式的“高精度SOC估算”核心技術(shù)，簡化擴(kuò)展卡爾曼濾波算法中的運(yùn)算量，實(shí)現(xiàn)了高精度、低成本、短開發(fā)周期的BMU產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新。
目前，超思維已經(jīng)確立BMS 、MCU、 VCU電動(dòng)汽車核心三電技術(shù)在公司發(fā)展戰(zhàn)略的主導(dǎo)地位。新一代的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)BMS產(chǎn)品在實(shí)車搭載驗(yàn)證中，產(chǎn)品在SOC估算的精度誤差達(dá)到了1%以內(nèi)，遠(yuǎn)優(yōu)于5%的限值，在主動(dòng)均衡方面，產(chǎn)品達(dá)到了5A的峰值，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。
7、國新動(dòng)力：高效均衡電池管理系統(tǒng)/電池管理系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真技術(shù)
高效均衡電池管理系統(tǒng)：被動(dòng)均衡是純電動(dòng)及混合動(dòng)力中運(yùn)用最廣泛的一種均衡方式，具有成本低，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。隨著電池包的反復(fù)充放電，由于電池內(nèi)阻的不一致性，電池之間會(huì)產(chǎn)生壓差，如果不做處理，壓差會(huì)越來越大，業(yè)界普遍的做法是并聯(lián)一個(gè)電阻，消耗掉電壓高的電芯的電能。傳統(tǒng)方式中的散熱電阻是直接和空氣接觸的，熱量難以迅速傳導(dǎo)出。
國新動(dòng)力高效均衡電池管理系統(tǒng)是一種基于鋁基板散熱技術(shù)及單節(jié)電池容量偏差校正技術(shù)的均衡管理系統(tǒng)，此產(chǎn)品能夠高效精準(zhǔn)的對(duì)鋰電池進(jìn)行均衡管理。傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)均衡電流普遍為60mA左右，此產(chǎn)品采用鋁基板貼裝均衡電阻，同時(shí)將鋁基板通過緊密貼合的方式裝配在鋁合金外殼上，將均衡產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，從而實(shí)現(xiàn)200mA均衡電流能力。
傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)主要依據(jù)單節(jié)電池的電壓不一致性進(jìn)行均衡控制，此產(chǎn)品通過估算單節(jié)電池容量計(jì)算容量偏差再結(jié)合單節(jié)電池電壓真實(shí)的識(shí)別單節(jié)電池差異量，從而根據(jù)差異量進(jìn)行均衡控制。此產(chǎn)品較主動(dòng)均衡產(chǎn)品有成本低、可靠性高、良好的均衡效果等優(yōu)勢；較傳統(tǒng)的被動(dòng)均衡產(chǎn)品成本相近，但具有明顯均衡效果可以使動(dòng)力電池可充放電能量及壽命最大化。
該高效均衡系統(tǒng)已經(jīng)被國新動(dòng)力批量運(yùn)用于全系BMS產(chǎn)品，該產(chǎn)品均衡能力遠(yuǎn)大于市面上同類產(chǎn)品，具有質(zhì)量穩(wěn)定，可靠的優(yōu)點(diǎn)。200mA的均衡電流是業(yè)界最大的被動(dòng)均衡電流，均衡速度是同類產(chǎn)品的3倍以上，且均衡電阻可以全開。而同類產(chǎn)品由于散熱不好，均衡只能同時(shí)開少數(shù)的幾個(gè)點(diǎn)。
電池管理系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真技術(shù)：電池管理系統(tǒng)作為汽車安全級(jí)別零部件，軟件的質(zhì)量穩(wěn)定性、魯棒性尤為重要，傳統(tǒng)汽車電控系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)無法解決電動(dòng)汽車高電壓、大電流、高精度實(shí)時(shí)性、特殊接口等需求。
國新動(dòng)力研發(fā)的電池管理系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真技術(shù)是一種真實(shí)BMS控制器加虛擬對(duì)象的半實(shí)物仿真測試技術(shù)。用高壓電源、大電流恒流源、高速實(shí)時(shí)處理器、硬件I/O板卡、Labview軟件、Matlab軟件等組成虛擬對(duì)象。
電池管理系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真技術(shù)設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車瞬間加速模型用來測試BMS電流電壓測試實(shí)時(shí)性、單體電壓檢測同步性測試效果；設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車快慢充模型用來測試BMS控制的充電曲線合理性，對(duì)國標(biāo)的適用性；設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)各種故障模型用來測試BMS診斷功能。通過硬件在環(huán)仿真技術(shù)模擬真實(shí)電動(dòng)車的各種運(yùn)行狀態(tài)對(duì)BMS進(jìn)行測試，不斷提高BMS系統(tǒng)軟件質(zhì)量。
電池管理系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真技術(shù)，通過該技術(shù)確保在開發(fā)周期早期就完成嵌入式軟件的測試。到系統(tǒng)整合階段開始時(shí)，嵌入式軟件測試就要比傳統(tǒng)方法做得更徹底更全面。這樣可以及早地發(fā)現(xiàn)問題，因此降低了解決問題的成本。
該產(chǎn)品帶來的市場競爭力如下：（1）將BMS產(chǎn)品的測試過程從試驗(yàn)臺(tái)架中分離；增加了測試的便利性；（2）可進(jìn)行極限或危險(xiǎn)條件下的BMS測試，而不會(huì)對(duì)人員或車輛造成危害，增加了BMS測試的安全性；（3）便于模擬被控對(duì)象的各種工況和輸入信號(hào)間的各種狀態(tài)組合關(guān)系；增加了BMS測試的兼容性；（4）快速模擬/重現(xiàn)復(fù)雜的故障模式，在BMS開發(fā)的前期階段便可識(shí)別復(fù)雜故障的根源；（5）縮短開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)成本。
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