新能源客車是當(dāng)前我國汽車行業(yè)在新能源領(lǐng)域研發(fā)生產(chǎn)和競爭的重點與焦點。
每天，位于北京北四環(huán)小營的純電動公交車充電站，都是一片繁忙景象。一輛輛福田巴士緩緩駛進公交站停車場，車尾EV電動汽車標(biāo)志格外醒目，司機逐次將公交巴士停在充電樁前等待充電。
吳師傅也是其中的一員。據(jù)他統(tǒng)計，他駕駛的客車充電次數(shù)為每天3—4次，十幾分鐘即可完成，“十分方便、快捷，開在路上也特別平穩(wěn)安靜”。
目前，這個北京市最大的電動公交巴士充電站，可同時為30輛公交車進行快速充電，每天能滿足200輛純電動公交車的充電需求。這些車很多都搭載著中信國安盟固利動力科技有限公司的能量功率兼顧型鋰離子動力電池系統(tǒng)。
“盟固利能量功率型鋰離子動力電池兼顧了功率與能量兩方面要求，同時可實現(xiàn)15分鐘充滿電，目前在國內(nèi)的插電式混合動力客車、快充公交、無軌電車、各類直充式公交上得到廣泛應(yīng)用，功率型電池市場占有率已超過50%。”中信國安盟固利動力科技有限公司負責(zé)技術(shù)的副總經(jīng)理吳寧寧告訴記者。
近年來，盟固利針對插電式混合動力電動汽車以及快充純電動汽車等終端用戶對動力電池能量、功率性能都兼顧的需求進行研發(fā)，在能量與功率兩個性能指標(biāo)中尋找最優(yōu)平衡點，使得電池的比能量較高，實現(xiàn)了快充純電動用電池在相同重量情況下的續(xù)駛里程較長，另外還兼顧了電動汽車加速性能、能量回收等對高功率性能的需求。
截至2015年底，搭載該產(chǎn)品的新能源汽車行駛約 6000萬公里，按照傳統(tǒng)公交車百公里油耗35升的標(biāo)準(zhǔn)，這些產(chǎn)品至少減少汽油燃燒2100萬升，減排二氧化碳4620萬公斤。
此項技術(shù)的成功開發(fā)，突破了以往1小時以上充電的局限，大幅度減少了車載電池的用電量，大大降低了資源消耗，而且用戶的前期電池購買成本降低，極大地增強用戶對電動車的信心，同時，在混合動力以及插電式混合動力領(lǐng)域，這項技術(shù)實現(xiàn)了全覆蓋，這對于加快推動我國電動汽車的發(fā)展和普及、進而推動國家新能源總體發(fā)展戰(zhàn)略的實施將有著重要的意義。在2015年度北京市科學(xué)技術(shù)獎評選中，該項目榮獲一等獎。
尋找到能量與功率之間的平衡
“該項研究的主要目的是開發(fā)可用于插電式混合動力電動車以及快充純電動車的能量功率型電池，開發(fā)的難點在于比能量、比功率與壽命之間的平衡關(guān)系，在系統(tǒng)層面得到寬使用溫度范圍、高可靠性的特性。”吳寧寧說。
據(jù)介紹，電池的比能量主要取決于正負極的比容量，而比功率需要正極和負極共同具備快速的鋰離子通道和電子通道，因此，能量功率型電池需要同時具備高比能量和比功率的材料體系。
而傳統(tǒng)的鈷酸鋰、三元材料、鎳酸鋰材料雖然都有高比能量，但是結(jié)構(gòu)決定了其鋰離子的導(dǎo)電率較低，而錳酸鋰則因為三維鋰離子通道而具有較高的離子導(dǎo)電率，如果需要得到高比能量和高比功率，就必須將兩種正極材料進行復(fù)合，以安全性為前提，對錳酸鋰體系進行少量的三元復(fù)合是比較適合的正極體系。為此項目組開發(fā)了一種材料混合應(yīng)用新技術(shù)，該項技術(shù)解決了簡單的物理混合所造成的局部不均勻問題，實現(xiàn)了功率性能與能量密度兼顧。
此外，項目組還開發(fā)了具有良好均熱特性的電芯裝配工藝，緩解了電池高功率應(yīng)用導(dǎo)致的產(chǎn)熱問題，提高了電池的壽命以及安全性；通過添加氟碳表面活性劑和氟碳苯腈極大地改善了電解液在電極與隔膜微孔間的分布特性，解決了軟包裝電池因電解液不足導(dǎo)致的壽命劣化快的問題，同時由于氟碳苯腈的加入緩解了錳酸鋰結(jié)構(gòu)中錳離子溶解的問題，延長了電池的使用壽命；為了解決電池在寬溫度區(qū)間的應(yīng)用，項目組開發(fā)了一套全封閉液冷技術(shù)，冷卻速度快，有效解決電池在大功率工況下溫升高、溫差大的難題；電池在低溫環(huán)境下工作時功率方面受到限制，不能達到整車功率需求，項目組在電池系統(tǒng)設(shè)計時增加了電加熱功能，使用PTC電加熱片，不但保證電池快速加熱，而且因其具有PTC功能，使得加熱溫度不超過45℃，保證電池使用安全；新能源車用電池系統(tǒng)電壓一般都大于300V，而且電池內(nèi)阻小，極易造成人員觸電，必須做好電池與整車的絕緣，項目組開發(fā)出了準(zhǔn)確、快速定位絕緣故障點的技術(shù)，為快速解決電池的絕緣問題提供了依據(jù)。
經(jīng)過以上技術(shù)的開發(fā)，單體電池比能量達到 160Wh/kg，比功率達到1800W/kg，單體壽命達到 3000 次以上，同時電池系統(tǒng)壽命達到質(zhì)保8年以上水平。
“該動力電池系統(tǒng)的成功開發(fā)，不僅解決了電池比能量和比功率兩個動力電池關(guān)鍵指標(biāo)平衡共提高的問題，而且還解決了電動汽車快速充電應(yīng)用的問題以及在南北方寬溫度區(qū)間的實際運行中遇到的溫度問題。”吳寧寧說，“目前該技術(shù)所開發(fā)的電池系統(tǒng)各項技術(shù)指標(biāo)達到國內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先水平。”
15分鐘快速充電讓你隨到隨走
對于電動汽車車主來說，動輒幾小時的充電時間，實在讓人無奈。對于公交車而言，實現(xiàn)快速充電，隨到隨走，更具有現(xiàn)實意義。
“長期以來，動力電池的快速充電、功率特性、壽命耐久性和寬溫度區(qū)間環(huán)境適應(yīng)性都是制約新能源汽車普及和推廣的關(guān)鍵因素。”吳寧寧說。
為此，項目組還開發(fā)了一套以壽命和安全為前提的適合快充的充電策略，研究了各種模組冷卻方式在快充模式中的應(yīng)用問題及寬溫區(qū)內(nèi)尤其是低溫區(qū)域應(yīng)用對快充電池的壽命和安全性能的影響，深入探究了慢充和快充兩種模式下電池的循環(huán)壽命、安全狀態(tài)的演變過程，最終開發(fā)出具有在寬溫區(qū)內(nèi)可實現(xiàn)15分鐘快速充電能力的快充電池系統(tǒng)。
據(jù)了解，截至目前，盟固利采用該項技術(shù)的快充動力電池產(chǎn)品已圓滿完成了1500多臺車輛的示范應(yīng)用，其中，“寬使用溫度區(qū)間”快充電池已在河北張家口（冬季平均溫度-23℃）、黑龍江雞西（冬季平均溫度-25℃）、新疆（夏季地表溫度最高可達到60℃）等不同溫度地區(qū)應(yīng)用，其出色的性能表現(xiàn)得到了相關(guān)整車客戶及公交運營單位的一致認(rèn)可。
“目前搭載我們電池系統(tǒng)的快充公交車，已經(jīng)使用了兩年，并沒有明顯衰減。”吳寧寧認(rèn)為，快充電池的經(jīng)濟效益非常高，“達到同樣的整車運行里程和使用年限，快充系統(tǒng)裝的電池量較少，對于鋰資源的消耗低，車輛初始成本也低，而且充電站建設(shè)靈活性高，整車輕量化各方面的優(yōu)勢還是非常突出，隨著國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策的不斷推進，該項技術(shù)將擁有非常廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用普及將對新能源汽車產(chǎn)業(yè)更好、更快地發(fā)展起到重要的推動作用。未來五年，快充也許將成為純電動客車的主流技術(shù)路線。當(dāng)然，也需要國家政策層面的支持”。
高創(chuàng)新帶來高回報。目前，在高功率電池領(lǐng)域，盟固利已經(jīng)保持龍頭地位，未來5年公司的研發(fā)還將在更深層次展開，研發(fā)投入還將進一步加大。
“目前搭載盟固利公司動力電池的公交車已經(jīng)達到近3萬輛，累計安全行駛15億公里。”吳寧寧說。
據(jù)了解，在北京、哈爾濱、新疆、拉薩、上海、昆明、海口、呼和浩特等110多個城市，均有搭載盟固利動力電池系統(tǒng)的新能源汽車在運營，產(chǎn)品覆蓋我國從南到北的溫度區(qū)間。
