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SAECCE 2020 | 荣盛盟固利杨道均:荣盛盟固利高功率电池在商用车上的应用

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SAECCE 2020 | 绿控传动李磊:新能源中重卡驱动系统发展研究

2020中国汽车工程学会年会暨展览会(SAECCE 2020)于2020年10月27-29日在嘉定上海国际汽车城-上海汽车会展中心举办,汇聚汽车及相关行业的企业高层、技术领军人物、资深专家学者、广大科技工作者。10月29日,荣盛盟固利科技有限公司研发中心总经理杨道均在本次大会上发表了主旨演讲。

 以下为演讲实录:

我今天报告的题目是混合动力商用车用高功率电池现状与未来。

这个报告分四个部分,首先回顾一下混动商用车电池市场的趋势,第二是讲讲高功率电池的设计,设计本身需要做哪些工作,第三是讲目前我们的混动产品,最后是公司的一个简单介绍。

前天发布了《节能与技术路线图2.0》,提出来到2035年新能源汽车市场占有率要超过50%,燃料电池率保有量达到100万辆,单独提出来节能汽车全面实现混合动力化,汽车实现电动化转型,这是我们对整个市场方向的一个指示。

看一下市场的反应,这个是来自行业的一个调研的情况,2020年前7个月全球动力电池市场总量是相比2019年下降了6%,但是经过细分发现主要下降的是纯电动,而PHEV和HEV是逆势增长,增长了1GWh,国家的政策导向和市场的反应都觉得混动将在未来有非常大的发展。

这是《节能与技术路线图2.0》专门指出来关于动力电池,就是混合动力电池这块的要求,其中比能量、功率密度、寿命都提了一些要求,基于这个要求细分到电池层级和系统层级,这就是我们拆分完之后的一个对电池系统要求,首先系统这块希望有高的安全性,任何的产品没有安全都没有办法操作,第二是高的可靠性,尤其是在商用车整个运行的工况包括环境都是比较复杂的,所以要求系统有高的可靠性。同时要有轻量化的设计,提高节油率,节油率达到15%以上,要有低成本,这是对系统层级的要求。

对单体电池的要求是什么?首先电池具有高功率,经过分析电池在满足商用车使用的话电池EOL、30s峰值达到11C。循环寿命达8000次以上。工作SOC范围20%—85%SOC。工作温度范围-30—60度。同时能量效率达到95%以上。

接下来我讲一下这种电池该怎么设计?这里面提到的就是高功率电池设计有几大关键板块,第一个就是关键原材料,第二个是单体电池,第三个是电池系统,最后是应用策略。整个设计过程中正向的是以仿真为基础的设计,逆向的是当电池在各种环境中使用,使用之后有大量的数据积累,基于大数据进行数据分析对电芯提出更多的要求,在关键原材料这块要做材料的结构仿真,包括电化学仿真,材料表面改性、表面处理,在单体电池这块要做一些电池热电化学性能的仿真,包括寿命预测、结构设备和安全技术的改进。在系统这块也是基于系统结构和热管理的仿真和设计,包括系统安全,应用策略更多是住整车的交互,不管是SOC还是SOP估算和校准技术。

电池从客户的需求、要求开始,怎么做高高功率电池?这是一个路线图,首先是模型开发开始,做1D或者3D的热电耦合模型,基数的耦合模型我们做大量数值的仿真,基于敏感性的分析和模型范围的一个界定,同时做性能的对照实验,基于性能对照实验可以输出各种参数,不断去优化这个模型,用这个模型之后我们可以得到这么一些非常有用的结论,一个就是电池设计这块本身指导我们的方向设计,第二个是定应用策略,怎么定SOX的策略,同时做寿命的预测和安全的分析。

具体来说对电池正极来说怎么做高功率电池,第一个需要把材料颗粒度变小,可以提高锂离子迁移的速度,缩短反应路径,同时在整个电极里面构建点线面的导电网络,同时选择非常好的包裹的纳米涂层,同时不影响扩散。

在负极这块,比如无定型炭,表面造孔,加低内阻粘结剂,同时自主开发高功率的电解液和负极做更好的兼容性,这样能够非常的提升电池寿命。

在热电耦合方面,做热电耦合的模型,电极设计和敏感性参数的分析,做不同策略下的析锂边界,同时做电池结构的设计,分析不同结构情况下的SOC场的分布,温度场的分布,包括能量场的分布,选择更合适的结构。

同时在离子浓度方面也做了大量的工作,这是DoD达到21%,这是一个模型,分为均匀模型或者不均匀的两种模型,采用梯度化的设计可以有效打通锂离子电极的传输路径,从而提高高功率的性能。

寿命这块也是基于三电极的分析,我们可以知道电池在不同循环次数情况下正极电位负极电位的变化,我们知道这个电池影响寿命的因素来自于正极还是负极,后面怎么做改进。包括应用策略,可以通过少量的不同倍率不同温度的电池循环基础数据,结合Newman电化学模型,进行衰减机理辨识,建立电池的电化学模型,可以预测其他温度、倍率、SOC区间的容量衰减情况,发现电池衰减速率跟温度,倍率的关系,经验证,计算结果的误差小于1%。

同时做大量安全设计的工作,从电芯层面,从正极、负极、隔膜电解液本身,包括电池管理设计,做整个电池安全性方面的提升工作。

基于这些电池的技术,接下来我就汇报一下荣盛盟固利电池产品实际应用的情况。我们有四代产品,第一代产品是09年开发出来的,是8Ah的,第二代替是17年开发出来的,是48/37Ah的,第三代产品是2019年的,有25/64Ah,第四代产品是预计2021年SOP,这个产品循环寿命会比之前提升20%以上,成本下降30%。

第一代的混动产品,是2009年SOP的,是国内第一款的HEV电芯,25度最大峰值电流20C,循环寿命3000次,2010年至今累计出口1,152,000支,应用于3万余套室内燃料电池混合动力叉车,北美市场占有率75%以上。2010—2011年,MGL与Eaton联合开发并量产国内首个用于客车的HEV动力系统,这个系统有5000台,平均运行时间超过6年,最长的有超过10年。

第二代混动产品,主要是两款,37/48Ah,目前这个电芯比率能够达到2000W/kg,这个是在国内目前很多商用车搭载特别多,包括一些乘用车上也用了这款产品。

第三代高功率电池,这是一个2度电的混动系统,目前是用在乘用车的2度电,大概峰值支持50C这么一个电流,同时10秒最大输出功率达到70kW。

基于第三代高功率电池的平台技术开发重卡和商用车的25Ah电池,这个电池从14年至今累积生产25Ah电芯1000万支,用于商用车PHEV/HEV动力系统,累计销量4万余套,市场占有率65%,19年为重卡客户开发26KWh和15KWh标准液冷系统,节油率15%左右,15年收回成本。

这个产品目前是在北京15年代投放的,到目前为止用了4.7年,跑了60.5公里,目前容量保持在90.3%,功率保持在88.9%。

这个是在大理,跑了1.5年,跑了9万公里,能量99%保持,功率没有衰减。

这就是刚才提到的适用于重卡系统的两个标准产品,叫H120和H200,功率就是120千瓦的功率,峰值功率是200千瓦。

这两个重卡产品配合国内一汽这边的一些实验跑的路测情况,一汽装的是H120的系统,节油率能够达到10%—18%。这是东风重卡运行的情况,目前东风重卡用的是H200的系统,用的是26.5度电,目前节油率是10%—18%,在国内各个试验场都进行了试验。

我们电池在正向开发设计过程当中做了很多仿真的设计,从后面用户实际运行的情况需要大数据的分析去回归,我们现在有一个大数据的应用平台可以做10万辆车的数据并发,可以收集各种电池在实际工况中使用的电流情况、电压变化,这样可以做寿命预测、安全评估、安全故障的评估,包括提前预警,比如我们动作比对这个电芯,今天的压差和上个月的压差和去年这个时间的压差之间差异的变化,我们就知道这个电池是不是会有健康的问题,如果有的话可以去提前预知这个信息。这里面刚才说到基于长期的数据和短期的实时数据进行一个分析。

这个就是目前在国内大数据平台监控情况下一共有48875辆车,其中PHE和HEV车辆3675万辆,运行总公里数是78.8亿公里。

基于大数据分析,我们看到整个的运行情况,可以看到基本上回馈电流集中在0—2C之间,峰值大概是5C,放电集中在2C以下,峰值是7.5C。

全年工作温度的分布,华北的包括华南、西南的,东北地区全年的温度集中在15—35度,华北、华南、西南区域集中在25—40度,因为我们是液冷系统,对于这样一个数据来看,对于东北和西部区域的电池系统设计要加保温,但是其他的区域主要关注降温,产的热怎么散走的问题。

日吞吐量分析,山区日吞吐量是平原地区的1.3倍,一线城市由于堵车及运行时间和里程长,吞吐量为二线城市的1.19倍。

MGL公司的介绍,我们成立了19年,现在从电芯、原材料、BMS、PACK全产业链覆盖。

这是我们整个研发布局,包括产品这块,主要是有乘用车、商用车、储能和交通这一块。

这是商用车产品的MAP,在HEV、PHEV和EV,一个有H120,一个是H200,在PHV和燃料电池产品,一个是F箱的48Ah,一个是两个C箱的48Ah的50度电,在EV这块商用车我们推的是磷酸铁锂乘用车的解决方案,轻卡主要是用标准T箱,重卡换电用的是H箱,客车主要是推的标准的C箱的产品。

这是盟固利的产能规划,我们天津有一个生产基地,在山西大运有一个PACK厂,南京也有一个基地,在永州也有一个基地,未来我们会在武汉建一个生产基地,目前规划当前产能是3.5G,到今年年底是6.8G,到明年年底大概是4.3G,到2022年是30GW/h,规划到2023年可能达到50GW/h。

这就是我的汇报。

敬请关注“2020中国汽车工程学会年会暨展览会(SAECCE 2020)”直播专题:

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,请勿转载!)

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