一段时间以来只要赶上雾霾天,“细颗粒物”逼着家家不敢开窗时,北京市民就难免会萌起对政府大力扶持新能源汽车的殷切期盼。更何况电动汽车已经成了当下的“热词”,但电动汽车须用锂动力电池提供动力源,国人们可能还是会相知甚少。其实这并不奇怪,人们更关心的是新能源汽车何时能真正商用化运作且上路跑,而对于用什么能源作动力的关心似乎还须一个“慢热”的过程。
一、从新能源汽车发展的怪圈说
起的确,新能源汽车承载了太多的低碳效应,节能减排,改善环境的重托,尤其是成为替代能源中最具有应用价值的“明星范儿”现身国际舞台,不断吸引着国人的眼球。
此话题还要从2008年北京成功举办奥运会说起,五十台电动大巴车在奥运会的精彩亮相极大地鼓舞了国人的“电动汽车梦”。国人为专家们大谈新能源汽车的“同一起跑线”和“弯道超车”折腰;以至于国家政策扶持的“十城千辆”等示范工程;抑或是国家电网为新能源汽车运营而大兴土木跑马占荒式的充、换电站的抢先建设,都在不同程度上传达给国人们一个非常清晰且欣喜的信号,新能源时代真的要来到了。
可现实往往总是会捉弄人,到头来令国人们最不愿看到的一幕还是出现了。据中汽协官方网站不完全统计,2011年新能源汽车产销量分别为8368辆和8159辆;2012年新能源汽车产销量分别为12552辆和12791辆;两年相比虽产销数据略有增长,但距离国务院2012年7月9日发布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》中规划的“到2015年,纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆;到2020年,纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆”的目标仍相去甚远。新能源汽车时代并不如人们所想象中的那样犹如少女般光鲜亮丽的如期到来,先期兴建的大量充电站及充电桩闲置在那似乎无“车”问津,大批的融投资商由初期的蜂拥而至到现今的“门可罗雀”,国家及地方航母级的新能源汽车产业联盟如雨后春笋般的初露头角便悄无声息,一股股寒流不断地冲击着新能源汽车的前进步伐。如此“大跃进”意义的新能源汽车的高潮由兴到衰,不能不给人们以太多的警醒。
二、电动汽车与燃油车之PK
新能源汽车的市场化进程一路坎坷,问题究竟出在哪里?人们迫切的在追寻答案,悬念似乎还是要从新能源汽车所定义的“新能源”说起,其实人们所提及的车用新能源,主要是说用于电动汽车的“动力电池”及与其密切相关的“BMS”。
说起动力电池其实人们并不陌生,早在上世纪1842年世界上就诞生了第一台以不可充电电池为动力的电动汽车,它的问世甚至要早于以石油的衍生品——汽油燃料为动力的汽油车(1887年)。石油时代的到来,并没有给电动汽车的成长带来太多的发展契机,当时的电动汽车以采用传统电池为主的“笨重”败给了后来居上的汽油车。汽车文化的普及更给燃油车添上了起飞的翅膀。目前几乎世界上所有的动力机械都离不开以石油为燃料做动力源的身影。汽油的比能量高、转换效率高、使用便捷,用在汽车等动力机械上几乎无可匹敌。但同时另一个问题不可避免的出现了,仅仅一百多年的石油史,随着人类贪婪且过度的开采利用,造成了石油资源似乎也要离人类渐渐远去。随着石油资源的日渐枯竭,“梦魇”中的石油危机似乎就在面前。同时城市交通所带来的道路拥挤和汽车所带来的汽车尾气污染,带给人们以各种呼吸道疾病,并随之带来的大气污染所造成的全球性的温室效应。
人类呼吁低碳,呼吁环保,呼吁节能,呼吁绿色能源,也给新能源汽车带来了新的发展良机,新能源汽车作为此商机的最大受益者即将形成新的的市场拉动力,面对新能源汽车技术路线和技术创新的重大变革,用以适应市场化的新需求,人们在翘首以待。
三、锂动力电池的安全和寿命
以能量型动力锂离子电池(锂动力电池)为突出代表的新能源汽车的新型动力源在世纪初问世了。做为新能源时代的能量载体可谓应运而生,以其相对于传统铅酸电池体积更小、重量更轻、比能量比功率更高、循环寿命更长,可高倍率充\放电等突出特点,迅速成为了新能源汽车的首选。
从客观事物的发展分析,事物总是一分为二的,锂动力电池也不例外,在给人们带来更多欣喜的同时,其安全性相对于传统电池偏弱的特点也逐渐暴露出来,近年来见诸媒体报端的多起电动车燃烧事故,以及今年1月16日发生的日本全日空航空公司一架波音787客机舱内锂电池着火事件似乎给人们带来了些许苦涩的味道。人们不断在追问锂动力电池电动车到底安不安全?因此如何评价并解决电动车的安全性成为了对锂动力电池应用的必要条件。当然随着技术的进步以及锂动力电池安全标准的出台,这个令人苦恼的问题似乎已经在各方的努力下有了质的改进,从客观上分析,锂动力电池自身的安全性目前已经有了大踏步的提高。
但一个更为令人难以破解的问题又摆在了世人的面前,电动汽车相对于汽油车仍面临着跑不快、跑不远、体积重量比大、价格贵等不利因素,仍在阻碍着其迅速发展。
尤其是各电池厂向用户承诺的千次以上的锂动力电池循环寿命也仅限于单体电池,而成组应用时寿命往往会大打折扣。究其原因之一,是因为电动汽车并不像手机电池那样是单只电池应用,而需要多只电池的串并联,但电池只要一成组应用,其“一致性趋减”的问题就凸显出来了,即使在电池出厂时一致性偏好的情况下,只要在电动汽车特有工况的环境(电池在电动车的摆放位置不同、温度场不同)下应用一段时间,因电池组串并联引起的的电化学特性的改变,电池串并联成组后的差异性就会显现,从而导致电池组中某一单体电池由于“过充电”或“过放电”等原因率先失效,形成“多米诺效应”,致使电池组综合性能下降和电池组被超限使用,势必影响了电池组的安全性和循环寿命。所谓的锂动力电池的长寿命因此被打上了大大的引号,这恰恰是人们最不愿看到的现象。
此问题得不到真正的解决将会极大的“拖住”新能源汽车产业化的前进步伐。
四、BMS是解决电池成组应用的关键
问题究竟出在哪呢?经过电化学专家学者及电池生产厂家大量的理论分析与实践,业界普遍认可的说法是“电池的串并联成组应用一致性的好坏”是问题的关键,其应用结果的好坏会直接导致电池成组应用寿命的下降。此结果的产生是由于电池本身的电化学特性使然,此现象应该是电池成组的必然特性不可避免。有解决此类“电池电化学成组一致性特性变差”问题的办法吗?
电池管理系统:一种系采用电子线路的办法来解决此类问题,业界习惯称为BMS的专为管理锂动力电池串并联成组应用的配套产品诞生了。
BMS既可以通过控制充电机和电机控制器的管理手段,来防止锂动力电池的“过充电”和“过放电”,解决人们担心的电池安全问题,我们简单的称其为“限两头”;又可以通过利用电池电化学“拐点”特性的合理管理策略来解决所谓的电池“长寿命”问题,可谓是一举两得。
经过几年来北京奥运会和上海世博会BMS在电动车上的示范运行,其作用目前已被业界广泛认可,更多的BMS参与电动车示范运行成功的典型案例也不胜枚举。
但有关BMS的技术论争从没停止过。由于锂动力电池种类品种繁多,国内各主流电池厂又各自为战,导致国内难以形成统一的技术标准,(在此值得一提的是小型卷绕式圆柱电池,国内外的外形尺寸技术标准是统一的)。BMS由此很难形成针对不同电池的技术标准。大量的重复性工作浪费在定制开发上,使得锂动力电池与BMS之间由于技术不够成熟配套争议较大,相关技术标准难以出台并试行。这不能不说是一件憾事。
与此同时,锂动力电池仍处于产业化发展初期,限于各种工艺路线不够完善、锂动力电池生产设备自动化程度不够高等原因,许多中小型电池厂的产品品质还停留在相对原始的初级阶段,动力电池出厂时的初始一致性就很难保证。更不要说为电动汽车配套应用后的电池一致性了。针对BMS的功能扩展,就不得不增加了有关专门为解决电池一致性问题而涌现出的各种平衡手段。
五、几种解决方案的比较
许多有关BMS解决锂动力电池“一致性”方案的初衷还是好的。单纯从功能性解决问题的效果也是各有千秋,比如说有关解决锂动力电池差异性的各种平衡方法,随着锂动力电池的产业化呼声不断高涨而迅速涌现。但这些方法是否真的能解决上述问题还有待商榷。为此,我们针对目前几种主流的解决方案做以分析。