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锂电池/BMS创新技术大比拼 哪家企业更胜一筹?

作者:万萍萍来源:高工锂电 日期:2016年8月13日 15:45
    锂电池尤其是动力锂电池行业正处在快速发展阶段。虽然该阶段下的锂电行业存在很多问题,比如制造工艺整体水平偏低、安全事故不断、资本炒作日趋严重等,但同时也有很多有志之士正用自己的力量去解决这些问题,解决方式之一就是不断革新各类技术。
  
    在此背景下,为鼓励技术创新,记录行业重大变革力量,高工锂电发起了2016年度高工金球奖评选。本届评选自从6月1日开始报名,截至目前已经有众多锂电企业参与其中。值得一提的是,从本届金球奖的报名情况来看,参选“年度创新技术、产品”奖项的锂电企业明显比往年多,这无疑显示出行业新兴变革的力量正在壮大。
  
    高工锂电网此前围绕材料及设备技术创新的两篇报道——《提升锂电池性能要靠新型材料 哪家材料企业创新技术较强?》、《锂电池制造工艺升级依赖于设备 哪家企业设备创新技术较强?》备受行业人士关注。
 
    本文主要围绕锂电池/BMS创新技术展开(由于字数受限,本文只选取了部分参与金球奖评选企业的创新产品及技术,其余将在后续报道中呈现),且看这些创新技术解决了哪些实际问题,技术先进性体现在哪:
    1、中兴派能:电动车/大容量储能用电池模块结构
 
    中兴派能报名参选2016高工金球奖“年度创新产品”奖项的是“电动车/大容量储能用电池模块结构”。
 
    软包锂电池成组方式主要有两种:一种是塑料壳、铝壳和钢壳包装,做成标准模块形式;塑料壳结构散热差,强度不高;钢壳和铝壳结构存在爆炸风险。另一种是一片软包电池加一片铝散热片,整组采用焊接或螺丝连接形式;这种结构成组并串数不同时需要加工不一样的零部件多,成本相对较高。
 
    而结合前两种软包电池成组的特点,中兴派能公司开发一种软包电池模块。这种结构具有采用铝壳包装散热好,模块标准化便于成组,非密闭式包装无爆炸风险,梯次利用拆卸方便,利用成本低等优点。此模块可以进行自动化批量生产,保证产品的一致性。
 
    此软包电池模块与市面上软包成组方案的成本相当,但是它集合了各成组方案的优点,性价比提高。在纯电动车以及大型储能应用均可以采用,可以提高模块散热,降低系统散热结构的设计难度,减少系统成本。
 
    中兴派能透露,采用该电芯结构设计的系统,在电动车以及储能应用中获得客户广泛好评,实际测试结果表明,该种结构设计,可以大幅提高电芯在普遍应用场景下的散热能力,并提高结构强度。
 
    2、中航锂电:中间相碳微球软碳锂离子储能电池系统技术
 
    中航锂电报名参与2016高工金球奖“年度创新技术”奖项的评选,参选技术是中间相碳微球软碳锂离子储能电池系统技术。
 
    据了解,本项目针对智能电网对储能技术的急迫需求,聚焦锂电系统储能的性价比及推广前景,以具有自主知识产权的低成本、长寿命和高安全性软碳负极材料的制备技术为依托,旨在加快中国软碳负极材料的商业化进程,同时在以软碳为负极的锂电储能系统设计、集成与制造核心技术、示范运行关键技术,以及锂电储能系统成本、寿命和安全性方面等关键问题取得重大突破。
 
    技术创新点如下:(1)通过原料处理技术和工艺参数调整,进而控制材料的颗粒大小和形貌特征。通过添加适当添加剂,改善软碳导电能力,进而提高软碳的倍率性。采用复合技术,在形成复合材料的过程中对材料进行表面修饰,不仅提高软碳对电解质的兼容性同时提高材料的首次效率;
 
    (2)通过新型凝胶电解液聚合单体(和交联剂)及引发剂的开发,筛选出较优的聚合单体(和交联剂)及引发剂,实现高效的凝胶效果,同时在不影响电池性能的基础上减少凝胶单体(和交联剂)的含量,从而解决凝胶单体(和交联剂)与电极的相容性差,结晶性强问题。同时,开发的新型聚合体系在引发剂作用下能够在有氧条件下实现均匀聚合。提高凝胶电解液电导率,同时改善与储能电池正负极材料的相容性,减少与极片界面阻抗;
 
    (3)课题拟针对软碳材料进行极片工艺特性研究,优化该电极材料的粘结剂、导电剂和配比,并且进行电池内部各材料间的匹配性研究,同时开展结构等安全性方面的设计;
 
    (4)通过一种基于常规低电压电池模快与常规电力电子模块相结合的集成方案,把电池管理系统与电力电子模块控制器合二为一,进而把对电池的电能应用与管理结合起来搭建MW级储能系统,从而使系统具有多用途性与低成本性。
 
    中航锂电透露,项目将最终获取极具市场竞争力的低成本软碳材料(3万元/吨)及单体电池(1.5-2.5元/Wh),并保证兆瓦级储能系统示范,体现软碳在低成本、长寿命、高安全性的储能用锂电系统的特点。
 
    在能量和循环性能方面,单体电池的能量密度达到100Wh/Kg,循环寿命4000次以上,同时电池的各项性能通过第三方认证。在模块方面,循环寿命3000次以上,并完成兆瓦级储能示范。本课题具有前沿性、新颖性和实用性,拟申请多项国内外发明专利。
 
    3、猛狮科技:超高能量密度圆柱锂离子电池
 
    猛狮科技本项目的技术难点在于实现高能量密度,单体电池能量密度达到220Wh/kg以上,通过电池关键材料及电池设计等系统解决方案实现18650型电池的高能量化,具体包括:
 
   (1)采用高比容量的高镍型镍钴锰酸锂材料或镍钴铝酸锂正极材料与高比容量的人造石墨或硅碳负极材料;并开发与之适应的高电压电解液及适合硅基负极材料的电解液,通过电池材料的系统集成与优化,提高电池能量密度,并获得良好的循环稳定性,提高18650型电池使用的性价比;
 
   (2)减少正负极集流体的厚度;通过涂覆型负极集流体来解决电池安全性问题,在降低非电化学活性物质的同时保证电池高安全性能,同时兼顾电化学性能和安全性能,满足电动汽车的使用需要;
 
   (3)优化电池结构,降低导电剂与粘结剂的含量、隔膜的用量,减少电池中非电化学活性物质的质量和体积,提高电池能量密度。
 
    4、山东威能:新型德标三元复合材料锂离子电池/超高倍率快充磷酸铁锂锂离子电池/新型软碳负极材料锂离子电池
 
    新型德标三元复合材料锂离子电池:山东威能设计开发的新款德标三元复合锂离子电池外形符合德国VDA尺寸标准,电池综合性能达到国内先进水平,符合欧洲符合IEC 62660-2电池测试标准,其主要特点为:
 
   (1)通过对电池关键材料进行匹配性研究,提高了电池的能量密度、循环性、高温适应性和倍率充放电性能;(2)通过引入功能陶瓷隔膜和结构设计优化,提升了电池的安全性能,特别是防过充性能得到极大改进;(3)尺寸符合德国VDA标准,安全性符合通过IEC 62660-2欧洲标准,产品适应性强,具有较高的市场竞争力,可在国际市场推广使用。
 
    超高倍率快充磷酸铁锂锂离子电池:目前国内外锂离子电池的研发及生产已经非常广泛,然而现在电池的循环寿命、高倍率充放电、低温冷启动等都还远没有达到客户的期望值。
 
    为解决电池循环寿命不足、大倍率充放电效率低和低温冷启动性能差的技术难题,山东威能针对性得提出了利用硬碳负极材料搭配磷酸铁锂正极材料的解决方案。通过纳米化及石墨烯包覆正极材料,硬碳石墨复合负极材料,并进行结构优化设计,研发出了超高倍率耐低温的磷酸铁锂锂离子电池(核心技术)。
 
    该电池可以进行30C大电流放电,10C(10分钟)快速充电,适合于汽车启停电源等各种需要进行高倍率充放电的领域(技术突破1)。同时电池具有优异的低温性能,-40℃放电效率超过80%(技术突破2)。
 
    新型软碳负极材料锂离子电池:锂离子电池作为新能源产业的核心技术近年来得到了飞速发展,然而其在应用过程中还面临着循环寿命低、生产成本较高、高低温性能较差等技术难题,山东威能针对以上问题,引进低成本、长寿命、具有优异的高低温性能的软碳材料作为负极,开发了一款具有一款新型的硅碳负极锂离子电池。
 
   (1)产品设计过程研究了合浆过程浆料的流变性、稳定性、分散性等特性并进行了技术优化,改善了极片质量,提了电池的制造一致性;(2)通过优化电池设计,提高了电池的大电流充放电性能和低温放电性能。电池3C放电容量保持率超过95%,低温 -40℃放电容量保持率超过80%(3)进行电池材料匹配设计,提高电池的循环性能,80%DOD充放电可循环6000次以上。
 
    5、上海卡耐:三元软包动力电芯CPB-LM20
   在2016年度高工金球奖中,上海卡耐参与年度创新产品评选的是三元软包动力电芯CPB-LM20,主要应用在乘用车、商用车、港口机械及高性能摩托车领域。目前该产品已经取得相关专利认证。
 
    据悉,该产品采用陶瓷涂层隔膜,对正负极进行有效的隔离,陶瓷隔膜是在隔膜表面涂覆三氧化二铝的一种隔膜,对于三元材料的安全性问题效果很好;两端出极耳结构利于平衡两极耳出的发热量;涂布精度保证C/A值可控性,兼顾了能量密度和安全性;叠片结构提高了产品倍率放电性能,软包的结构提高了电池的安全性。目前已经通过2015新国标强检认证。
 
    上海卡耐表示,该产品独特的结构和科学的设计及精密的生产控制,使其能量密度在150Wh/Kg、循环寿命3000周以上、倍率性能达到5C充电和8C放电、电池工作范围-25℃至55℃;同时,安全性能也符合行业标准要求。由于产品充放电倍率好、性能稳定、循环寿命高,获得了客户的一致好评。
 
     6、超思维:先进动力电池BMS的SOC估算技术
 
    国内外一般多采用电流积分法对SOC进行估算,该方法原理简单、对硬件资源要求较低,但存在电量估算精度差(误差超过10%)、受外部环境影响大等缺点。而部分选用卡尔曼算法的BMS系统由于采用矩阵运算以及浮点运算,要求较高的硬件资源,同时需要进行大量试验,导致开发周期长,成本高,无法快速满足市场需求。
 
    在本届高工金球奖的“年度创新技术”奖项中,超思维参选的产品是先进动力电池BMS的SOC估算技术。该算法提出来一种基于试验的快速参数辨识方法,可以大幅度减少HPPC的试验次数,能够很好地解决制约卡尔曼滤波算法商用化的最大障碍。
  
    超思维动力电池BMS 采用“基于整形运算的扩展卡尔曼算法”以及“基于试验的快速参数辨识方法”方式的“高精度SOC估算”核心技术,简化扩展卡尔曼滤波算法中的运算量,实现了高精度、低成本、短开发周期的BMU产品的技术创新。
 
    目前,超思维已经确立BMS 、MCU、 VCU电动汽车核心三电技术在公司发展战略的主导地位。新一代的动力电池管理系统BMS产品在实车搭载验证中,产品在SOC估算的精度误差达到了1%以内,远优于5%的限值,在主动均衡方面,产品达到了5A的峰值,在国内处于领先水平。
 
    7、国新动力:高效均衡电池管理系统/电池管理系统硬件在环仿真技术
 
    高效均衡电池管理系统:被动均衡是纯电动及混合动力中运用最广泛的一种均衡方式,具有成本低,可靠性高等优点。随着电池包的反复充放电,由于电池内阻的不一致性,电池之间会产生压差,如果不做处理,压差会越来越大,业界普遍的做法是并联一个电阻,消耗掉电压高的电芯的电能。传统方式中的散热电阻是直接和空气接触的,热量难以迅速传导出。
 
    国新动力高效均衡电池管理系统是一种基于铝基板散热技术及单节电池容量偏差校正技术的均衡管理系统,此产品能够高效精准的对锂电池进行均衡管理。传统的电池管理系统均衡电流普遍为60mA左右,此产品采用铝基板贴装均衡电阻,同时将铝基板通过紧密贴合的方式装配在铝合金外壳上,将均衡产生的热量传导出去,从而实现200mA均衡电流能力。
 
    传统的电池管理系统主要依据单节电池的电压不一致性进行均衡控制,此产品通过估算单节电池容量计算容量偏差再结合单节电池电压真实的识别单节电池差异量,从而根据差异量进行均衡控制。此产品较主动均衡产品有成本低、可靠性高、良好的均衡效果等优势;较传统的被动均衡产品成本相近,但具有明显均衡效果可以使动力电池可充放电能量及寿命最大化。
 
    该高效均衡系统已经被国新动力批量运用于全系BMS产品,该产品均衡能力远大于市面上同类产品,具有质量稳定,可靠的优点。200mA的均衡电流是业界最大的被动均衡电流,均衡速度是同类产品的3倍以上,且均衡电阻可以全开。而同类产品由于散热不好,均衡只能同时开少数的几个点。
 
    电池管理系统硬件在环仿真技术:电池管理系统作为汽车安全级别零部件,软件的质量稳定性、鲁棒性尤为重要,传统汽车电控系统的硬件在环仿真测试系统无法解决电动汽车高电压、大电流、高精度实时性、特殊接口等需求。
 
    国新动力研发的电池管理系统硬件在环仿真技术是一种真实BMS控制器加虚拟对象的半实物仿真测试技术。用高压电源、大电流恒流源、高速实时处理器、硬件I/O板卡、Labview软件、Matlab软件等组成虚拟对象。
 
    电池管理系统硬件在环仿真技术设计了电动汽车瞬间加速模型用来测试BMS电流电压测试实时性、单体电压检测同步性测试效果;设计了电动汽车快慢充模型用来测试BMS控制的充电曲线合理性,对国标的适用性;设计了电动汽车动力电池系统各种故障模型用来测试BMS诊断功能。通过硬件在环仿真技术模拟真实电动车的各种运行状态对BMS进行测试,不断提高BMS系统软件质量。
 
    电池管理系统硬件在环仿真技术,通过该技术确保在开发周期早期就完成嵌入式软件的测试。到系统整合阶段开始时,嵌入式软件测试就要比传统方法做得更彻底更全面。这样可以及早地发现问题,因此降低了解决问题的成本。
 
    该产品带来的市场竞争力如下:(1)将BMS产品的测试过程从试验台架中分离;增加了测试的便利性;(2)可进行极限或危险条件下的BMS测试,而不会对人员或车辆造成危害,增加了BMS测试的安全性;(3)便于模拟被控对象的各种工况和输入信号间的各种状态组合关系;增加了BMS测试的兼容性;(4)快速模拟/重现复杂的故障模式,在BMS开发的前期阶段便可识别复杂故障的根源;(5)缩短开发周期,节省开发成本。

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该资讯的关键词为:超思维:先进动力电池BMS的SOC估算技术 

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