求電池組一致性是電動轎車普及的瓶頸？？

【專家解說】：

作為電動車最重要部分的動力鋰電池組的價格、性能、壽命和安全性，直接決定了整車的性能。對于動力鋰電池，電池組的一致性問題一直困擾著國內(nèi)外從事電動車研發(fā)的整車廠商。控制好動力電池的原材料、生產(chǎn)過程和出廠檢驗，可以有效提高電池組的一致性。另外，在駕駛中的合理監(jiān)控及使用，以及與其他驅(qū)動控制系統(tǒng)的最佳搭配也會對電池組一致性的提高有幫助。

材料是關(guān)鍵

由于電池組里各電池單元之間的細(xì)微差別，電池組的各項性能絕對不是單個電池性能的代數(shù)相加。每個電池單元的容量、內(nèi)阻等特性的區(qū)別，會使容量大者總是處于小電流淺充淺放狀態(tài)，而容量小者總是處于大電流過充過放狀態(tài)，兩者之間性能參數(shù)差異越來越大，小容量者提前失效；或者是使內(nèi)阻大的成為耗能的串聯(lián)電阻，并容易發(fā)熱過高，縮短壽命。在電池組的使用過程中，每個電池單元的溫度、電壓、電流等都不一樣，工作一段時間后，電池組的一致性必然持續(xù)惡化，最后導(dǎo)致電池的能效迅速降低到無法接受和繼續(xù)使用的程度。

電池單體的類型對電池組一致性影響非常大。動力電池方面，鋰電池未來將取代鎳氫電池成為新能源汽車主流。2012年之后隨著磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池在技術(shù)、成本、市場方面絕對優(yōu)勢的確立，其需求增速將大幅增加。相對笨重而有記憶效應(yīng)的鎳氫電池，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品本身都有污染的鉛酸電池，以及昂貴、壽命短而不安全的鈷鋰電池，磷酸鐵鋰電池不僅具有安全、長壽、重量輕、體積小、單體電壓高和自放電小等優(yōu)點，而且其在電池單元的一致性方面也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他幾種電池，故此將逐漸成為今后汽車動力電池的主要發(fā)展方向。

由于磷酸鐵鋰電池陽極的導(dǎo)電性其實并不好，直接限制了它的能量密度和其它特性。對于讓鋰離子與陽極的嵌合和分離更加高效，且同時對陽極的損耗最小，各公司有不同的解決方案。

1）美國A123公司的研究顯示，縮小正極晶體顆粒的大小到一定程度，會對電池性能有很大影響。當(dāng)正極晶體顆粒能控制在100nm以下至十幾nm，而且電極通過加入其它金屬而發(fā)生變性時，鋰離子出入晶體正極材料時（充電和放電），其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化就會明顯變小（較少殘留在正極電極材料上），而且，鋰離子進(jìn)出正極晶體陣列也更加快捷。這樣，不僅電池放電功率大為提高，并且可以對電池進(jìn)行反復(fù)充放，而不會因電極材料損壞致使電池單元失效。

2）Phostech公司的方法是在陽極上沉降一層非常薄的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的碳原子層（CarbonCoating），作為電介質(zhì)中鋰離子進(jìn)出陽極的嵌套窗口，同樣大大提高了鋰離子與陽極的嵌合與分離的效率。

A123與Phostech都宣稱自己產(chǎn)品的充放電循環(huán)次數(shù)在5000次以上，可以保證電池單元的壽命和性價比。

生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制

首先，對母料的來源、純度、成份、配比、保存條件、隔膜質(zhì)量的嚴(yán)格監(jiān)控與檢驗，是保證電池單元一致性的第一道關(guān)卡。目前，高端電動車的正、負(fù)極材料和電介質(zhì)等的原料供應(yīng)基本上都控制美、日幾家具有相關(guān)專利技術(shù)的大廠手中。國內(nèi)比亞迪和天津斯蘭特也具備了原材料量產(chǎn)的能力。電池單元制造過程的波動可能比電池材料更難控制。如電池涂布工藝，在生產(chǎn)過程中，漿料涂覆均勻性及厚度均需自動化監(jiān)控設(shè)備即時調(diào)整，以保證涂敷均勻。固態(tài)項工藝，液態(tài)（潤濕）工藝，熔鑄工藝，控制納米級顆粒的純度、大小和晶體形態(tài)，溶劑的選擇，添加反應(yīng)劑的種類，配料及保證配料均勻，過程產(chǎn)物和廢棄物的回收利用（減低成本）等，每一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制都非常關(guān)鍵。任何一步的過程參數(shù)和反應(yīng)條件出現(xiàn)微小偏差，都會直接影響成品的一致性，導(dǎo)致合格率無法達(dá)到量產(chǎn)的水平，從而影響電池單元的商業(yè)化生產(chǎn)。故此，大型專用精密生產(chǎn)線是保證工藝穩(wěn)定性的必要條件。

國內(nèi)外只有幾家企業(yè)有生產(chǎn)成套磷酸鐵鋰電池設(shè)備的技術(shù)能力，如美國A123和Valence，加拿大的Phostech，日本的東芝、日立和三洋，韓國的LG等，另有約20家企業(yè)可以為磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)線提供部分工序所需設(shè)備。一整套設(shè)備的價格大約在1.5～3.3億元，這對于有政府背景的各地新能源企業(yè)還比較容易找到融資途徑。但是，如果不是自己研發(fā)的生產(chǎn)系統(tǒng)，就很難掌握控制過程參數(shù)的核心技術(shù)。從而在日常操作、維護(hù)，以及系統(tǒng)更新?lián)Q代方面，完全受制于人，而且維持費用會高達(dá)每月上千萬元。比亞迪的鐵電池生產(chǎn)線是采用自有技術(shù)設(shè)計制造的，但自動化程度、在線控制水平和成品良率等情況，暫未公開。

對于已經(jīng)生產(chǎn)出來的電池單元，如果可以對出廠前的電池單元進(jìn)行有效質(zhì)量控制，包括嚴(yán)格控制配給同一電池組同廠同批次的電池單元，并經(jīng)過深度放電等相關(guān)電氣功能檢測，可以盡量將不良品檢出，并減少組內(nèi)差異，對提高電池組的一致性亦有裨益。

動態(tài)平衡與系統(tǒng)聯(lián)動

對于已經(jīng)用串聯(lián)原理組裝而成的電池組，仍可以用動態(tài)均衡原理改善其一致性：對于電池組內(nèi)的每個單體電池，其電壓、內(nèi)阻和充電狀態(tài)（SOC）等參數(shù)都是可以隨時監(jiān)控的。這些信息如果可以及時有效的反映給電池管理系統(tǒng)，由電池管理系統(tǒng)按各個電池的實際狀況，控制其充放電狀態(tài)和流量，以及相應(yīng)的冷卻散熱調(diào)節(jié)，保證電池單元在最適宜的狀態(tài)下工作，自然也就可以最大限度地保護(hù)電池單元，延長其壽命，確保整個電池組在使用中的一致性。

由于電池組一致性的實際技術(shù)困難一時難以解決，整車廠、電池組和驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)商現(xiàn)在更多的是采用“曲線救國”的方式，來盡量減少這個問題帶來的麻煩。

毋庸置疑，提高電池組一致性的終極目標(biāo)是提高電池組的性價比、壽命和安全性。電池組能否發(fā)揮最佳效能，除了其本身的特性，還受制于電池組與其他系統(tǒng)的配合。如果能在研究提高電池組效能的同時，完全針對將要采用的電池組的實際特性，設(shè)計對應(yīng)的電池管理系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和充電系統(tǒng)部分，就可以達(dá)到最佳匹配效果。這樣，即使電池組單體的一致性提高有困難，但是專門配合它的其他系統(tǒng)一方面可以精準(zhǔn)地檢測和控制電池組及其每個單體的溫度、電性能參數(shù)和壽命等，另一方面可以及時調(diào)節(jié)其溫/濕度，合理安排電池單元的充放電，防止一部分電池單元過載過充，而另一部分電池單元淺放淺充等問題。

這樣綜合、系統(tǒng)地設(shè)計電池驅(qū)動系統(tǒng)，降低了電池模組的使用門檻，但對系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商的整合能力提出了更高的要求。要設(shè)計出理想而均衡的系統(tǒng)，設(shè)備廠商需在化學(xué)、電學(xué)、材料學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)上深入研究，并在相關(guān)的電子、電氣零部件和準(zhǔn)系統(tǒng)等有成熟的技術(shù)。

一種可行的辦法是，整車廠對包括動力電池組在內(nèi)的驅(qū)動系統(tǒng)，盡量由一家有實力的設(shè)備廠而不是由多家設(shè)備廠分別提供單個的“準(zhǔn)設(shè)備”。戴姆勒汽車和Evonik公司共建汽車電池廠，通用汽車和韓國LG聯(lián)合研發(fā)電動車，都是看重了對方技術(shù)方面的雄厚實力。國內(nèi)方面，奇瑞剛與BetterPlace合作開發(fā)更換電池的電動車，而比亞迪則繼續(xù)堅持自主設(shè)計和生產(chǎn)，結(jié)果如何尚在期待中。

電動汽車國家標(biāo)準(zhǔn)的制定

由于中國汽車技術(shù)的來源有日系、美系、德系和法系等，新能源技術(shù)的來源更多，國內(nèi)各地區(qū)、各部門在電動車發(fā)展方向的認(rèn)知上仍有較大分歧。這導(dǎo)致了電動汽車國家推薦標(biāo)準(zhǔn)一直無法出臺，電動汽車動力鋰電池的規(guī)格、安全標(biāo)準(zhǔn)和充電方式等規(guī)范更是無從談起。對于這樣一個非常需要政府大力扶持，業(yè)內(nèi)企業(yè)和科研單位共同參與開發(fā)的產(chǎn)業(yè)而言，宏觀目的不明，自然直接影響到業(yè)界整體水平提升，以及各個獨立企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)、上市的進(jìn)度。

日本現(xiàn)在正由產(chǎn)經(jīng)省、交通省聯(lián)合5大車廠和10余家相關(guān)企業(yè)共同研究推出本國的動力電池標(biāo)準(zhǔn)。這很值得我國相關(guān)業(yè)者思考。

作為電動車最重要部分的動力鋰電池組的價格、性能、壽命和安全性，直接決定了整車的性能。對于動力鋰電池，電池組的一致性問題一直困擾著國內(nèi)外從事電動車研發(fā)的整車廠商?？刂坪脛恿﹄姵氐脑牧稀⑸a(chǎn)過程和出廠檢驗，可以有效提高電池組的一致性。另外，在駕駛中的合理監(jiān)控及使用，以及與其他驅(qū)動控制系統(tǒng)的最佳搭配也會對電池組一致性的提高有幫助。

材料是關(guān)鍵

由于電池組里各電池單元之間的細(xì)微差別，電池組的各項性能絕對不是單個電池性能的代數(shù)相加。每個電池單元的容量、內(nèi)阻等特性的區(qū)別，會使容量大者總是處于小電流淺充淺放狀態(tài)，而容量小者總是處于大電流過充過放狀態(tài)，兩者之間性能參數(shù)差異越來越大，小容量者提前失效；或者是使內(nèi)阻大的成為耗能的串聯(lián)電阻，并容易發(fā)熱過高，縮短壽命。在電池組的使用過程中，每個電池單元的溫度、電壓、電流等都不一樣，工作一段時間后，電池組的一致性必然持續(xù)惡化，最后導(dǎo)致電池的能效迅速降低到無法接受和繼續(xù)使用的程度。

電池單體的類型對電池組一致性影響非常大。動力電池方面，鋰電池未來將取代鎳氫電池成為新能源汽車主流。2012年之后隨著磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池在技術(shù)、成本、市場方面絕對優(yōu)勢的確立，其需求增速將大幅增加。相對笨重而有記憶效應(yīng)的鎳氫電池，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品本身都有污染的鉛酸電池，以及昂貴、壽命短而不安全的鈷鋰電池，磷酸鐵鋰電池不僅具有安全、長壽、重量輕、體積小、單體電壓高和自放電小等優(yōu)點，而且其在電池單元的一致性方面也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他幾種電池，故此將逐漸成為今后汽車動力電池的主要發(fā)展方向。

由于磷酸鐵鋰電池陽極的導(dǎo)電性其實并不好，直接限制了它的能量密度和其它特性。對于讓鋰離子與陽極的嵌合和分離更加高效，且同時對陽極的損耗最小，各公司有不同的解決方案。

1）美國A123公司的研究顯示，縮小正極晶體顆粒的大小到一定程度，會對電池性能有很大影響。當(dāng)正極晶體顆粒能控制在100nm以下至十幾nm，而且電極通過加入其它金屬而發(fā)生變性時，鋰離子出入晶體正極材料時（充電和放電），其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化就會明顯變?。ㄝ^少殘留在正極電極材料上），而且，鋰離子進(jìn)出正極晶體陣列也更加快捷。這樣，不僅電池放電功率大為提高，并且可以對電池進(jìn)行反復(fù)充放，而不會因電極材料損壞致使電池單元失效。

2）Phostech公司的方法是在陽極上沉降一層非常薄的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的碳原子層（CarbonCoating），作為電介質(zhì)中鋰離子進(jìn)出陽極的嵌套窗口，同樣大大提高了鋰離子與陽極的嵌合與分離的效率。

A123與Phostech都宣稱自己產(chǎn)品的充放電循環(huán)次數(shù)在5000次以上，可以保證電池單元的壽命和性價比。

生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制

首先，對母料的來源、純度、成份、配比、保存條件、隔膜質(zhì)量的嚴(yán)格監(jiān)控與檢驗，是保證電池單元一致性的第一道關(guān)卡。目前，高端電動車的正、負(fù)極材料和電介質(zhì)等的原料供應(yīng)基本上都控制美、日幾家具有相關(guān)專利技術(shù)的大廠手中。國內(nèi)比亞迪和天津斯蘭特也具備了原材料量產(chǎn)的能力。電池單元制造過程的波動可能比電池材料更難控制。如電池涂布工藝，在生產(chǎn)過程中，漿料涂覆均勻性及厚度均需自動化監(jiān)控設(shè)備即時調(diào)整，以保證涂敷均勻。固態(tài)項工藝，液態(tài)（潤濕）工藝，熔鑄工藝，控制納米級顆粒的純度、大小和晶體形態(tài)，溶劑的選擇，添加反應(yīng)劑的種類，配料及保證配料均勻，過程產(chǎn)物和廢棄物的回收利用（減低成本）等，每一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制都非常關(guān)鍵。任何一步的過程參數(shù)和反應(yīng)條件出現(xiàn)微小偏差，都會直接影響成品的一致性，導(dǎo)致合格率無法達(dá)到量產(chǎn)的水平，從而影響電池單元的商業(yè)化生產(chǎn)。故此，大型專用精密生產(chǎn)線是保證工藝穩(wěn)定性的必要條件。

國內(nèi)外只有幾家企業(yè)有生產(chǎn)成套磷酸鐵鋰電池設(shè)備的技術(shù)能力，如美國A123和Valence，加拿大的Phostech，日本的東芝、日立和三洋，韓國的LG等，另有約20家企業(yè)可以為磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)線提供部分工序所需設(shè)備。一整套設(shè)備的價格大約在1.5～3.3億元，這對于有政府背景的各地新能源企業(yè)還比較容易找到融資途徑。但是，如果不是自己研發(fā)的生產(chǎn)系統(tǒng)，就很難掌握控制過程參數(shù)的核心技術(shù)。從而在日常操作、維護(hù)，以及系統(tǒng)更新?lián)Q代方面，完全受制于人，而且維持費用會高達(dá)每月上千萬元。比亞迪的鐵電池生產(chǎn)線是采用自有技術(shù)設(shè)計制造的，但自動化程度、在線控制水平和成品良率等情況，暫未公開。

對于已經(jīng)生產(chǎn)出來的電池單元，如果可以對出廠前的電池單元進(jìn)行有效質(zhì)量控制，包括嚴(yán)格控制配給同一電池組同廠同批次的電池單元，并經(jīng)過深度放電等相關(guān)電氣功能檢測，可以盡量將不良品檢出，并減少組內(nèi)差異，對提高電池組的一致性亦有裨益。

動態(tài)平衡與系統(tǒng)聯(lián)動

對于已經(jīng)用串聯(lián)原理組裝而成的電池組，仍可以用動態(tài)均衡原理改善其一致性：對于電池組內(nèi)的每個單體電池，其電壓、內(nèi)阻和充電狀態(tài)（SOC）等參數(shù)都是可以隨時監(jiān)控的。這些信息如果可以及時有效的反映給電池管理系統(tǒng)，由電池管理系統(tǒng)按各個電池的實際狀況，控制其充放電狀態(tài)和流量，以及相應(yīng)的冷卻散熱調(diào)節(jié)，保證電池單元在最適宜的狀態(tài)下工作，自然也就可以最大限度地保護(hù)電池單元，延長其壽命，確保整個電池組在使用中的一致性。

由于電池組一致性的實際技術(shù)困難一時難以解決，整車廠、電池組和驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)商現(xiàn)在更多的是采用“曲線救國”的方式，來盡量減少這個問題帶來的麻煩。

毋庸置疑，提高電池組一致性的終極目標(biāo)是提高電池組的性價比、壽命和安全性。電池組能否發(fā)揮最佳效能，除了其本身的特性，還受制于電池組與其他系統(tǒng)的配合。如果能在研究提高電池組效能的同時，完全針對將要采用的電池組的實際特性，設(shè)計對應(yīng)的電池管理系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和充電系統(tǒng)部分，就可以達(dá)到最佳匹配效果。這樣，即使電池組單體的一致性提高有困難，但是專門配合它的其他系統(tǒng)一方面可以精準(zhǔn)地檢測和控制電池組及其每個單體的溫度、電性能參數(shù)和壽命等，另一方面可以及時調(diào)節(jié)其溫/濕度，合理安排電池單元的充放電，防止一部分電池單元過載過充，而另一部分電池單元淺放淺充等問題。

這樣綜合、系統(tǒng)地設(shè)計電池驅(qū)動系統(tǒng)，降低了電池模組的使用門檻，但對系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商的整合能力提出了更高的要求。要設(shè)計出理想而均衡的系統(tǒng)，設(shè)備廠商需在化學(xué)、電學(xué)、材料學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)上深入研究，并在相關(guān)的電子、電氣零部件和準(zhǔn)系統(tǒng)等有成熟的技術(shù)。

一種可行的辦法是，整車廠對包括動力電池組在內(nèi)的驅(qū)動系統(tǒng)，盡量由一家有實力的設(shè)備廠而不是由多家設(shè)備廠分別提供單個的“準(zhǔn)設(shè)備”。戴姆勒汽車和Evonik公司共建汽車電池廠，通用汽車和韓國LG聯(lián)合研發(fā)電動車，都是看重了對方技術(shù)方面的雄厚實力。國內(nèi)方面，奇瑞剛與BetterPlace合作開發(fā)更換電池的電動車，而比亞迪則繼續(xù)堅持自主設(shè)計和生產(chǎn)，結(jié)果如何尚在期待中。

電動汽車國家標(biāo)準(zhǔn)的制定

由于中國汽車技術(shù)的來源有日系、美系、德系和法系等，新能源技術(shù)的來源更多，國內(nèi)各地區(qū)、各部門在電動車發(fā)展方向的認(rèn)知上仍有較大分歧。這導(dǎo)致了電動汽車國家推薦標(biāo)準(zhǔn)一直無法出臺，電動汽車動力鋰電池的規(guī)格、安全標(biāo)準(zhǔn)和充電方式等規(guī)范更是無從談起。對于這樣一個非常需要政府大力扶持，業(yè)內(nèi)企業(yè)和科研單位共同參與開發(fā)的產(chǎn)業(yè)而言，宏觀目的不明，自然直接影響到業(yè)界整體水平提升，以及各個獨立企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)、上市的進(jìn)度。

日本現(xiàn)在正由產(chǎn)經(jīng)省、交通省聯(lián)合5大車廠和10余家相關(guān)企業(yè)共同研究推出本國的動力電池標(biāo)準(zhǔn)。這很值得我國相關(guān)業(yè)者思考。