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不同批次的电池模组,甚至来自不同厂家的电池模组,如何在同一系统中混用?这里面有几个系统集成技术必须着重考虑并解决:
1) 分组技术
需要对不同的电池模组建立数据库,根据材料体系、容量、内阻、剩余循环寿命等参数重新分组。分组参数设定要合理,过大不好,模组离散性大,成组为系统后,对系统性能和寿命影响很大;过小也不行,分组过于严格,会导致可匹配的模组少,系统集成困难,产品成本很高。
2) 成组技术
什么类型的电池模组可以成组为系统,这需要结合产品定位和目标市场(高端?中端?低端?),现有电池模组等级和类型,以及产品开发具体目标(性能,寿命等),建立一个系统级模型,推算出相关的匹配系数,确定产品的总体方案。
3) 系统柔性设计
这里有两个方面需要考虑:系统结构方面,需要充分考虑不同模组可能具有不同的尺寸,重量和串并联数,那么系统内部的结构设计应该是在X,Y,Z轴方向都有很大的弹性,以兼容不同的模组,固定方式既要考虑紧固性和可靠性,又要考虑弹性和便于快速装卸;模组的线束连接方面,多柔性化考虑,做到可快插和快换。
4. 电池管理系统的鲁棒性
(锂)电池管理系统的设计,一直是个世界级的难题,直到目前为止,也没有哪个公司在这个领域做到相当的成熟,最多实现了产业化而已。针对电池组的优化管理,尚无非常有效的解决方案,因为电芯并不是一个特性比较明确的物理系统,而是一个在不断变化的化学系统,其各项参数都与运行工况、外部环境、内部劣化速度相关,随时间在不断的变化。国外在算法和理论研究方面走的比较早,在工程方面也有深厚积累,所以产业相对成熟。国内在BMS软硬件研发方面,起步较晚(最近几年的事情),理论研究不足,工程应用是小步快跑,整体资源投入不足,各家企业都还没有非常稳定可靠的解决方案。
在梯次利用领域,BMS所要面对的情况,比汽车领域更为复杂。面对各种化学体系、各种规格和批次、各个生产厂家、各种健康状态的电池模组,如何进行有效的管理,确保他们在今后的岁月中健康工作,安度晚年?
在硬件方面,应确保BMS的硬件归一化设计,兼容各种不同的模组,而不必针对不同的模组和产品,开发多种规格的硬件产品。这样可以简化BMS的硬件开发、升级和维护,降低产品的成本。在软件方面,需要做到底层软件模块化、标准化和固定化,应用层软件做到模块化、标准化和智能化,能够自适应各种类型的模组,并能够自我学习,在运行过程中为模组和电芯建立模型,做到智能化的监控、预测、诊断、报警和各类在线服务。软件的升级可在线进行,并可远程升级。
5. 成本控制
毫无疑问,成本是梯次利用的最大优势,也是梯次利用经济效益的来源。那么如何做到良好的成本控制,将系统成本做到新电池产品的三分之一,甚至五分之一,将直接决定梯次利用是否能够发展成为一个庞大的产业。
在原材料环节,如何以较低的成本拿到电池pack,如何降低pack和模组拆解的难度,如何针对不同pack复用流水线和工艺,如何简化测试,如何建立电池模型等,都会影响后续的产品成本。
在产品开发环节,如上面所讲,系统集成是关键,电池模组混用、系统柔性化设计、BMS鲁棒性设计等,都能有效降低产品物料成本。
在产品的运维环节,如何确定合理的质保年限,做到智能化的管理,远程诊断和维护等,都会影响产品的生命周期成本。
6. 产业链整合
动力电池的梯次利用产业链,涉及到用户(车主或商业运营单位)、车企、动力电池企业、梯次利用企业,如何创造一个共生共赢的产业链生态圈,是必须要考虑的。
如果仅仅是后端的梯次利用企业获利,那么用户、车企、以及动力电池企业,就没有足够的动力去参与和推动动力电池的梯次利用,产业规模就难以起来。
这既需要政府层面建立相关规范和标准,也需要产业链各环节的企业,一起紧密合作,尝试成立电动汽车后市场的产业联盟,大家一起来参与,才能推动产业健康发展。
7. 商业模式创新
对于动力电池的梯次利用衍生产品,客户在知情的情况下,会对产品的性能、寿命、可靠性、安全性等心存疑虑,产品的推广会存在一定的阻碍。在产品的推广和应用方面,要充分考虑客户的现状和诉求,多种商业运作方式相结合,在充分帮助客户获利的基础上,获得自己的利益。可充分借鉴其他行业的一些成功经验,如分期付款、分时租赁、盈利后结算、托管运营、甚至免费供货(靠后续增值服务)等,探索梯次利用方面的有效商业模式。
六、 可靠性与安全性难题
1. 电芯的容量和内阻离散性
即使经过严格筛选的退役电池模组,在重新配对成组为系统之后,由于大多数电芯都已进入生命周期的中后期,其老化(劣化)速度不一,并且情况较刚出厂的电池要恶劣的多,突出表现为容量和内阻的差异越来越大,导致系统在可用容量和充放电功率方面越来越弱,可靠性问题严重。
这种老化速度的离散性变化趋势,严重时会使得产品的性能和寿命远低于预期,增加产品的售后风险。那么在技术研究上面,除了上述已经谈到了的分组和成组技术,还需要结合BMS的智能化管理和电力电子的功率变换技术,通过BMS在运行过程中去“感知”这种变化趋势,并找出系统的短板,再通过电力电子技术去平衡或弥补“缺陷”,一定程度而言,可以延缓这种加速老化的趋势,延长使用寿命。
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