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张宝华博士:汽车低压锂电系统的机遇和挑战

2021年6月7日-9日,第四届先进高功率电池国际研讨会The 4th International Conference on Advanced High Power Battery(CHPB-4)在苏州顺利成功召开。本届研讨会由 中国化学与物理电源行业协会、中国电子科技集团公司第十八研究所共同主办,先进电池材料/北京中联毅晖国际会展有限公司承办,并得到 了无锡先导、骆驼集团、欣旺达、天鹏电源、新能安科技、青岛蓝科途、OCSiAl (奥科希艾尔)、沁新集团、 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所等协办单位的支持。本届会议邀请了来自国内外汽车领域、无人机、电动工具、动力电池、BMS及相关关键材料、大专院校和科研院所等270家单位,600位嘉宾出席了此次国际研讨会。会议共安排了10场分会42篇报告两个圆桌讨论会(1、先进高功率电池在电动工具应用讨论会,2、“碳达峰、碳中和”对混合动力车辆市场发展影响及其高功率先进电池技术发展与应用趋势)。分别在第一天的主会场和第二天的二个分会场进行。

在Session2《下一代xEV与电动工具电池创新技术研究与应用进展》分会主题上,来自 骆驼集团新能源电池有限公司副总经理 张宝华博士做了“汽车低压锂电系统的机遇和挑战”的主题发言。

骆驼集团新能源电池有限公司副总经理 张宝华博士

各位领导,各位专家,大家上午好。我来自骆驼集团新能源电池有限公司,我们公司是专注做汽车启停电池的企业,我今天的报告题目是汽车低压锂电系统的机遇和挑战,我将会从公司介绍,低压电池基本概念介绍,低压锂电的机遇和挑战,未来展望这几个方面展开。

首先介绍一下我们集团公司,骆驼集团始创于1980 年,到现在做了40多年汽车用启停电池,目前在国内市场份额48% 左右,基本上2-3辆新车,其中有1 辆是骆驼配的电池,我们集团公司有30 多个子公司,其中包括新能源电池有限公司。新能源电池公司成立于2007 年,以前也做纯电动动力电池,后来调整了战略,现在聚焦于低压启停电池领域。公司有三个研发中心,襄阳、武汉、美国密西根;测试中心2019年底取得CNAS实验室认可证书;同时有专注低压电池产品的48V专线,48V 产品目前已经量产供货了。

现在介绍一下低压电池基本概念。每辆汽车都有一套低压电池系统,包括纯电动汽车。动力系统和低压电池系统相当于人的心脏和大脑一样,心脏提供动力,大脑提供信号判断以及控制等,两者不是共用一套系统,心脏出问题了大脑可以判断并指示肢体执行挽救动作;纯电动汽车动力系统出了故障,12V低压系统可以允许车门打开人出去,属于两套系统,理一下概念。低压系统包括12V,24V,48V,其中12V 和24V比较像,24V主要用在油罐车,工程车,重汽、重卡等,12V 主要是应用在商用车乘用车,48V 前面各位专家介绍过了,我就不再介绍了。

接下来我主要以12V电池为例,介绍一下低压锂电的机遇与挑战。目前国内汽车保有量2-3 亿辆,年汽车销售量约2.5 千万辆,每辆车上都有一套低压12V电池,市场还是比较巨大的,当前使用的都是铅酸电池。

现在比较一下铅酸和锂电,可以看出锂电有很多性能方面的优势,比如循环寿命,如图所示,即使用铅酸里面性能比较好的富液电池,以及AGM电池和锂电相比,差距都是数量级这种级别的,一个是百级,另一个是千级甚至万级。另一方面是重量,同样一块40Ah的启停电池,铅酸EFB或者AGM是11~12 公斤,锂电是7.5公斤左右,并且锂电可以深度放电。在快速充电方面,锂电优势也非常明显,一般我们12V锂电可以5C/5C充放做循环,但铅酸电池则比较困难,还有冷启动方面差距也很大,对于零下18℃冷启动测试,同样容量的铅酸电池,放电时间只能达到锂电的1/4。但这并不是说锂电可以完全取代铅酸,两种电池属于不同的领域,偶有交集,相互可以是一个补充,比如铅酸电池环境适应度比较大,耐高温,耐低温,又安全,价格成本比较低,回收利用率高,整个产业链很成熟完善,可以用在各种车型各种场景上。而锂电,我们认为可以用在部分高端乘用车上,政策,性能是主驱动力,比如欧洲方面的禁铅指令,预计在2024~2025年会落地,这样很多车厂提前布局用锂电来取代铅酸。还有高端乘用车对成本要求不那么敏感,对性能要求高,所以可以用锂电。另外高端车还可以给电池提供比较温和的使用环境,这样用锂电还是比较合适的。还有就是自动驾驶的车型,自动驾驶包含激光雷达传感器和计算机系统等,不断地计算传输信息,耗电量很大,如果用铅酸,一个是很重,另外频繁深度放电对铅酸不是很友好,所以锂电和铅酸是两种领域且互相补充。

现在说一下挑战,挑战主要是客户需求带来的设计层面和产业链成熟度不匹配问题,比如需要的电池系统体积很小,功能很多,这样有限空间内设计很复杂,材料,工艺,设备要求都很高,但目前高功率材料厂商并不是很成熟,量也小,规模效应也没起来。还有加工精度要求高,但配套设备不成熟,这样带来选材工艺制造测试众多方面的挑战。

尽管面临很多挑战,我们还是克服技术难题,开发了多款低压产品,接下来介绍一下公司产品,48V 一代产品目前已经大量出货了,但是节油率暂时没有达到我们预期,原来预期>15%,但是后来测下来~10%左右,所以我们开发了第二代,预期节油率能达到1 5%~20%。一般时候我们评估电池性能,会看一对矛盾点,比如低温和高温,短期和长期,这样可以很迅速的了解综合表现。如图所示,我们低温放电,包括零下40 度放电曲线是比较平滑的,没有DCR过大产热导致的发热峰,这是短期,长期我们自己也要做耐久路试,这里是18 万公里的测试数据,目前还是可以继续跑的。同时冬标夏标都要做,有一年冬天去黑河做冬标,发现温度不够低,继续驱车北上去的漠河,做电池我们是认真的。

我们还开发了12V 产品,目前有三代,一代比一代体积小,逐步要考虑兼顾高温80 度,低温零下30度的要求。目前有些启停的标准是不适合锂电的,所以欧洲一些客户会自己做一些标准。比如说扩展温度冷启动等等,目前我们这个电池开发到B样阶段,有幸获得欧洲一些知名客户的认可。

上面说的是机遇和挑战,接下来说一下公司未来发展以及规划。以前我们也做纯电动,后来发现和集团业务关联度不强,因为我们集团业务是低压启停电池系统,所以目前就聚焦在低压电池上。同时为了响应政府的号召,公司兼顾制造和回收,我们还成立了资源循环公司,目的是为了打造行业闭循环产业链,实现无缝经济。

总结起来,低压锂电行业机遇很大,挑战也很大,我们一直在努力,希望为这个行业发展贡献我们自己一份力量。

这是我汇报的主要内容,谢谢大家。

主持人:看看大家有没有什么问题可以举手示意。

提问:张博您好,骆驼主要是做铅酸电池,现在又开始做12V 锂电,您觉得在未来一段时间内,12V 锂电和铅酸是什么样的竞争态势呢?

张宝华:我们现在12V 锂电都是在和车厂联合开发中,我认为未来几年内主要还是以铅酸为主的。锂电和铅酸并不是谁取代谁的关系,而是各个不同的领域,很长一段时间一定是以铅酸为主,毕竟铅酸电池有很多锂电不具备的优势,而锂电池应该是逐渐用在高端车和智能车上。像Tesla 是逐渐把铅酸转换成了锂电,因为它的各种运算系统,传输系统耗电量特别大,前面我也说过,这就不很适合用铅酸了。

提问:锂电容量未来会向多大发展呢?

张宝华:12V 我们主要是做60Ah的,一般来讲这个容量对成本是很敏感的,如果达到它的功率要求,大家可以把容量降下来,我估计后面可能会低于60 Ah,60 Ah是启停,12V 还有备用电源和辅助电源30Ah,甚至低于30Ah差不多就够了,这个视客户具体需求。

提问:在价格上来说,同样容量下,锂电和铅酸价格是什么样的比例呢?

张宝华:现在锂电高功率材料整个产业链我认为不是特别成熟,铅酸已经很成熟了,铅回收,硫酸回收,橡胶回收很成熟,铅酸很大优点就是成本低,所以锂电和铅酸相比,我们估计差不多是5 倍左右,后面随着行业成熟度的变化应该会有降本空间的。

提问:张博士你好,我请问一下12V 锂电和铅酸相比,它的产品稳定性大概能有多大差别?比如正常来讲它的索赔达到多高呢,就是它的质量和铅酸故障比例大概是多少?

张宝华:铅酸很抗造,并且里面没有BMS 管理系统,锂电是有管理系统的,但这不是说有管理系统就很厉害。反思一下纯电动,你会发现出货后前一两年很多问题都是BMS和PACK 出问题,所以锂电后面需要锤炼,把结构,BMS管理系统稳定了可能会好一些,我用两个字来形容锂电就是“ 娇-贵” ,很容易出问题,但现在说索赔额多少,暂时还难以回答。

提问:对于整车厂来讲对产品稳定性是要求最高的,新产品卖给整车厂以后,你们应该要提前考虑售后服务怎么做。

张宝华:售后成本和稳定性我们是需要考虑的,我们现在给一家客户开发12V ,现在已经进行快两年了,这里要求测试特别多,我们估计差不多要四年左右才开发完,产品稳定性要求非常高。上车之后我估计可能还是会有些问题的,毕竟是一个新的东西,新的东西前面一定会有一些问题,但是还是要看它毕竟还有很多优点,另外骆驼发展40年,全国甚至海外都有售后网点,可以给客户提供便捷的售后服务,这个也是我们的优势之一。