王子冬:电动车用动力电池发展面临六重挑战

导语

中国北方车辆研究所动力电池试验室主任王子冬认为,动力电池企业需要和电动汽车企业同步成长和发展,缺一不可。

在7月24日的“‘CAS投融界’科技产业沙龙”上,中国北方车辆研究所动力电池试验室主任王子冬做了《电动车用动力电池发展面临的挑战》的主题演讲。不久前新能源客车又燃起了一把火,并且造成一人死亡的事件,王子冬表达了自己的担忧:我国目前锂电池生产企业有2000到3000家,在核心技术缺乏下,在动力电池供不应求下,许多企业开始生产动力电池。但是,动力电池和传统的锂电池在制造技术上,完全是两回事。

以下是王子冬发言实录:

动力电池已成为我国电动汽车战略性新型产业发展的瓶颈技术。目前我国电池研究和生产企业众多,但总体实力不强,产业链条不完整,还面临着国外企业进入中国给我们造成的压力,在这样一个状态下,我们如何应对?我们需要对前进中的深层次问题进行深入研究和系统思考,重点突破、稳步推进。社会各方科研力量需共同努力,以支撑我国动力电池产业的可持续发展,创造机遇。

胜出者往往不是因为能力,而是观念。我们整个产业遇到的压力:全球锂离子电池企业前4强分别是三星SDI、松下、LG 化学和索尼,其中三星SDI 已经超越松下而成为全球第一。从数据可以看到,三星SDI 一家企业的产销量几乎相当于中国前10 强的总和。

中国前10 强企业的产销量总占比为78%左右,这也是与全球表现明显不同之处。一个毋庸置疑的事实是:中国企业普遍缺乏规模优势,且未来一段时间内这种状况恐较难改变。在规模效益不足的情况下如何维持自身的生存与发展,是摆在中国企业面前的一道亟待解决的课题。

出现这种状况的原因之一是:国内动力电池企业与电动汽车企业的关系过于松散,相互的忠诚度不够,电动汽车企业对待动力电池企业只当作零部件供应商,认为是可以有多种选择的。在这种情况下动力电池企业不愿意为电动汽车企业开发合适的动力电池。

动力电池企业需要和电动汽车企业同步成长和发展,缺一不可。这些可以从国外企业和电池企业形成紧密的研发共同体就可以看出,这些企业在动力电池上不是简单的买卖关系,而是战略同盟研发关系。而我们国家,现在整车厂还把电池企业作为一个供应商来看待。

挑战1、决定电动车前途的不是成本,是效率

制约纯电动车普及的最主要瓶颈,其实不是续航里程,因为多装电池,续航里程就高了,像特斯拉那样;也不是成本,随着普及程度的提高,成本终究有办法降下来,像亨利˙福特的流水线之于汽车那样;决定一项新技术最终能否得到普及的,是效率。

这里指的不仅是能量转化效率,这方面纯电动是很高的,比传统内燃机高多了。是使用效率,目前纯电动车的比较好的充电水平,也只能做到20分钟充电80%(续航大约100-120公里);假设平均车速是60km/h,也就是说,每开2小时车就要停下来充20分钟电!实际上,即使到处都是充电桩,你也不大可能随到随充,难免要排个队,假设前面有2辆车,那么你就要等1个小时。这样的效率,是无法作为日常交通工具使用的!

所以,在充电一次的行驶里程在200km以下的电动车,如果不能解决电动车能量快速补充问题,即使充电桩普及了,纯电动车也无法完全替代传统汽车,它也只能作为一种补充,适用于短距离移动。

解决的途径:减轻重量,降低能耗;加大电池组能量;加装增程器;加装高效太阳能发电板,补充部分能量;更换电池组。

挑战2、电动车动力电池遭遇低温充电难

目前的电动车,特别是电动公交车、电动出租车、私人电动车等大部分使用的是锂电池。北京、青岛、长春、唐山、包头的新能源汽车示范运行工作,都不同程度遇到了冬季充电困难的问题,使得冬季电动公交车的运力下降,很难保证正常运行。问题分为两个层面:

一是低温环境下电池性能下降,好一点的下降10-15%,差一点的下降35%,这与材料状态、电池结构、生产工艺、外壳结构、热管理系统功能有关;

二是低温充电容易产生析锂现象,发生不可逆反应,使得电池容量和能量大幅度下降。严重的锂枝晶会刺穿隔膜,使电池短路,发生安全事故。

挑战3、成本:动力电池组的成本

就目前的电池生产技术来说进行电芯成本分析:

1、100Ah磷酸铁锂电池材料成本:

正极材料0.8kg-100元、负极材料0.4kg-25元、隔膜5m2-40元、电解液0.5kg-40元、外壳40元/套、加工费55元,合计300元,相当于:0.938元/Wh;

2、100Ah三元材料锂电池的材料成本:

正极材料0.7kg-100元、负极材料0.4kg-25元、隔膜5m2-40元、电解液0.5kg-40元、外壳40元/套、加工费55元,合计300元,相当于:0.834元/Wh ;

3、100Ah锰酸锂材料电池的材料成本:

正极材料0.95kg-88元、负极材料0.4kg-25元、隔膜5m2-40元、电解液0.5kg-40元、外壳40元/套、加工费55元,合计288元,相当于:0.78元/Wh 。

电芯其它成本内涵:

设计费、测试费、模具费、开发费;

材料利用率、原材料采购成本、产品合格率;

设备折旧费、财务费用、销售费用、管理费、人员培训费;

税费、职工福利、保险费、企业利润。

目前由于批量小,各种费用摊销后电芯成本就变成2元/Wh以上了。

电池组的成本:

技术开发费用。

电池组有冬季充电加温系统,有夏天工作时要散热的系统,有使用中抗振动结构,有下雨天防水结构,有事故中防冲击结构,有连接的可靠性设计,有BMS可靠性设计。

系统增加的部件费用。

电池组有安装方便性考虑,有维修检查的方便性结构;

性能测试费、可靠性考核费;

设备折旧费、人员培训费、产品的运输费;

财务费用、销售费用、管理费、税费、福利费、保险费、企业利润。

企业的隐形成本。

加起来电池组的成本就变成3元/Wh以上了。

挑战4、安全性

动力电池的安全对于电动汽车产业的发展至关重要。近年来,随着各种节能与新能源汽车试点和实际运营数量的增多,安全事故时有发生,事故的分布从纵向看:在加工、制造、化成搁置、运输、测试、使用、充电维护、回收各个环节上,都出现过问题。

从横向看:国内外在手机、电脑、电动自行车、电动摩托车、电动轿车、电动公交车、混合动力车等领域应用过程中,也都出现过问题。目前动力电池出现问题多数是在充电时发生,低温充电增加了出现问题的概率。如何提高动力电池的可靠性与安全性成为当前业界关注的焦点。

挑战5、长寿命使用。所谓的电池一致性、可靠性

1)生产过程中对电池一致性的控制能力,这可以通过自动化生产设备和“正确的生产工艺”得以控制(寻找到能够控制产品质量的工艺方法这点很重要)。另外电池的结构设计要符合大规模机械化生产设备的要求。

2)使用过程中对电池一致性的控制能力也很重要。

A.合理的电池结构减少低温环境下的电池自身温度不平衡;

B.采用尽可能减小电池接触电阻的连接方式,提高电池组的功率性能,同时减少电池的局部温升;

C.注重每一个电池表面的冷却效果,选择科学、合理的通风结构,使整个电池组的温度场得以均匀,以保证电池组在低温环境中使用过程中的环境一致性。对于电池系统一致性问题,目前存在的比较明显的误区:

认为电池生产企业应该把电池的一致性做到±1%的范围内,其实电池企业提供给整车企业的动力电池,一致性是可以控制在这个范围里的,但是为什么成组后的一致性相差了10%?

问题就出在了成组和集成过程中,温度的不一致,导致了电池在工作中效率的不同,造成电池出现了不一致。

另外,电池组的充电方法不合理也会产生比较大的影响。

挑战6、电动车开发、使用、推广的商业模式?

电动汽车没有像电动自行车、移动电话那样为你的用户提供出超值享受,或者为用户解决了难题,也就是没有体现出用户的附加值,用户最关心使用电动车需要有什么功能。

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