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1.2 动力电池系统发展趋势

从总的发展来说,国家已经制定了《中国制造2025》,明确了新能源汽车发展的路线图,也提出了2020年和2025年发展的目标,这里面2025年电动车要占整个汽车比重的20%左右,根据《中国制造2025》的要求,预期动力电池需求量,包括价格预期发展的趋势。另外国家也制定了《节能与新能源汽车技术路线图》,提出了未来15年发展目标,到2030年中国的新能源汽车逐渐成为主流产品、汽车产业初步实现电动化转型,到2030年新能源汽车占汽车总体销量比例要达到40%,按这个需求对动力电池的需求量可想而知是非常大的。其中有三份比较重要的文件,见表1.3,对动力电池及电池包的技术路线有很大的影响。

表1.3 动力电池及电池包相关的2020年技术指标

为了达到政府规划的技术指标,充分满足市场对于纯电动汽车的需求,电池包技术必须在以下几个方面取得明显的进步。

1.系统集成效率的大幅提升

按照电池单体能量密度300W·h/kg和电池包能量密度260W·h/kg的目标来计算,电池包系统的集成效率要做到85%,而当前乘用车电池包的集成效率普遍在65%左右,这意味着集成效率需要大幅度提升,才能达成目标。

要提高电池包的集成效率,有两个可行的途径,一是优化电池包内部的结构设计,大幅度减少电池包内部的组件数量,将更多的组件和功能集成在模组和箱体上,从而减轻重量;另一个是采用轻量化的材料,如采用铝型材或复合材料代替高强度钢,采用塑胶件代替金属件等,也可以减轻重量。

2.广泛的温度适应性

冬天可以在-20℃,甚至-30℃的低温下工作,夏天可以经受50℃的地面高温而不“趴窝”,同时还要承受3~4 C 的快充,这是电动汽车大范围推广的必要条件。要满足这一要求,高换热系数和快速热交换的液冷/液热系统将成为电池包的标配。

液冷/液热系统的设计目标是在-30~50℃环境温度和4 C 快充工况下,将电池单体的工作温度控制在15~45℃、电池单体间的温差控制在5℃以内。

综合运用仿真分析和测试验证等手段,达到液冷/液热系统的最优化设计,才能做到-30~50℃的使用温度范围,以及大倍率和长寿命使用。

液冷/液热系统的设计,必须与整车的冷却循环系统相互匹配,必须与电池包的结构设计高度集成,必须达到极高的热交换效率。

3.3~4 C 的快充将成为标配

想象一下,我们开着电动汽车出门,在充电站需要花费1h的时间进行充电,如果碰上充电排队,可能需要花费2h,甚至更长的时间,没有比这更糟糕的体验了!家用慢充和充电站快充相结合,是电动汽车普及的关键因素之一,对于出租车、公交车、物流车等领域的营运车辆来说,快充的重要性甚至要大于续驶里程,因为充电的时间是无法载客或载货的,充电时间越长,意味着运营效率越低,损失越大。

比较合理的快充要求是在15min内,充满80%左右的电量,这要求电池包达到3 C 以上的充电能力,在电池单体的设计、电连接设计、热设计、安全设计,以及BMS的能量管理方面,都要实现非常大的技术突破。

4.与车同寿命的电池包产品

因为电池包的成本很高,如果做不到与车同寿命,车辆的维护成本将非常高昂,用户显然不会愿意为这额外的成本买单。

以乘用车为例,如果是个人用户购买,通常需要达到8年/12万km的寿命要求,如果用于营运,寿命可能要达到5年/40万km。

要达到如此严格的寿命要求,除了电池单体的循环寿命和日历寿命要达到目标,还需要电子、电气、机械组件也达到8年以上的使用寿命。除此之外,在电池单体的成组技术、系统的热管理和能量管理,以及电池包的售后维护等方面,也都有非常高的要求。 SBtO5rkJfPj75Qbsmryq7YGwIRrlOtLltYeg2xEt2e0GANXDLffFc8MKOP2JqWlT

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