推动电动汽车蓄电池储能电源系统产业发展总体规划

推动电动汽车蓄电池储能电源系统产业发展总体规划
（2011年5月15日通过）

1、 背景
    “节能与新能源汽车产业”已列为国家重点支持的七大战略性新兴产业，并提出了未来十年推广应用纯电动汽车500万辆的战略目标和阶段目标。
    由工业和信息化部牵头，联合科技部等相关部委起草的《节能与心能源汽车产业规划》征求意见稿（以下简称《规划》）中对当前“节能与新能源汽车产业发展现状及面临的形势”的描述如下：
    “我国新能源汽车已具备一定的研发和产业化基础。…………但是，新能源汽车及核心零部件技术还有待进一步突破，产业化和市场化仍面临着产品成本较高、社会配套体系不完善等诸多挑战”。
    锂离子蓄电池储能技术是节能与新能源产业的技术关键；是节能与新能源产业竞争的战略至高点。掌握了新型蓄电池储能电源系统技术和产业主动权，就掌握了节能与新能源产业的主动权。
在国家产业政策和科技项目的重点支持下，我国锂离子等新型蓄电池关键技术、关键材料和产业发展都取得了重大进展。我国大容量锂离子蓄电池产业发展已经处于国际领先地位。大容量锂离子蓄电池的性能已经基本能够满足电动汽车的设计要求（即第一代锂离子蓄电池产品已经基本成熟），虽然制造成本仍高于铅蓄电池，但从全生命周期内经济性考虑，已经显著优于阀控铅蓄电池。从技术性能和经济性考虑，单体大容量锰酸锂、三元聚合物和磷酸亚铁锂蓄电池，已经基本具备了规模化推广应用和产业化的基本条件。
    当前的主要技术问题是:蓄电池成组后，安全性大幅下降、使用寿命大幅缩短，甚至存在发生蓄电池燃烧爆炸的危险。
    2011年4月11日在杭州街头发生的纯电动出租车燃烧恶性事件（见图1），再次提醒我们：锂离子等新型蓄电池成组应用技术、系统集成技术，是当前推动节能与新能源产业发展迫切需要解决的重大课题。

    当前问题虽就表现在蓄电池方面，其根源还在于蓄电池成组应用技术和系统集成技术不能适应蓄电池的要求，部分蓄电池发生过充电、过放电、超温和过流问题造成的。
    在节能与新能源汽车产业发展的推动下，我国锂离子等新型蓄电池成组应用技术和关键零部件的研究，也取得了重要进展。一些关键技术已经处于国家先进或领先水平。这些技术和知识产权，都分散掌握在大专院校、科研院所和中小型高技术企业手中。锂离子蓄电池储能源电源系统产业发展，需要行业和企业间广泛合作。但是，在市场环境下，企业间经济、技术和知识产权利益及产业竞争形成的壁垒，对行业和企业间的合作形成了难以逾越的障碍。
    美国电动运输协会试验规程ETA-HTP012 2001《电动汽车车载电池能源管理系统》中对蓄电池管理系统性能规定的描述如下：
    “车辆应装备电池管理系统（BMS）。该系统能控制动力电池包和模块的电压，温度和充电状态。而且，BMS能自动限制电池的放电不会低于预定的最低值。充电系统应包括维持电池包中所有模块在每个充电-放电循环中温度相同并在允许的温度范围内的装置”。
    蓄电池管理系统研究的基本目的是：蓄电池在运行过程中，对充放电过程进行科学管理，保证蓄电池组安全、高效运行。
    蓄电池管理系统研究的基本目标是：防止蓄电池在充放电过程中发生过充电、过放电、过电流和温度超过允许范围。
    实现上述基本目标的蓄电池管理系统，除蓄电池及监测系统（即当前称BMS）外，还应包括充电控制系统和放电控制系统。
    如前所述的蓄电池管理系统组成电路，如图2，是分别嵌入在蓄电池模块和总成、充电设备和用电设备中的。

    对于充电设备、用电设备、蓄电池模块和总成中的相关电路，都不能称为管理系统。对与大功率蓄电池储能电源系统，蓄电池管理系统不可能形成独立的产品。而是分别存在于包括充电系统、蓄电池模块和总成及用电系统的蓄电池储能电源系统中的。当前所谓“蓄电池管理系统”紧是蓄电池管理系统中的蓄电池监测电路，并不具备ETA-HTP012规定的蓄电池管理功能。
    蓄电池的运行安全依赖于蓄电池管理系统。由于蓄电池管理系统嵌入在蓄电池模块和总成、充电设备及用电设备中。只有将蓄电池系统与充电系统和放电系统为一个不可分割的整体进行研究，才有可能实现防止蓄电池在充电过程中发生“过充电、过放电、过电流和超温”问题。
    对于电动汽车应用，如图3，蓄电池管理系统则分别存在于充电设备、蓄电池模块及总成及电机和驱动器组成的电动汽车动力集成系统之中。

当前存在的问题是：
   （1）如电动汽车领域，将蓄电池储能电源系统，分割成为充电设备、电机、电池、电控等相关零部件研究。虽然充电设备、电机、电池、电控等关键零部件研究都取得进展。从相关零部件独立考虑，技术性能和产品质量都能够满足设计要求。但从蓄电池储能电源系统需要考虑，则不能实现蓄电池运行过程中的安全管理。
   （2）将蓄电池管理系统中的蓄电池监测电路定义为“蓄电池管理系统”。造成的后果是，用户认为安装了蓄电池管理系统，而疏于其他安全措施，而用户信赖的“蓄电池管理系统”，并不具备基本的充放电管理功能。安全问题更严重。
   （3）目前普遍采用的，随阀控铅蓄电池产业发展而发展起来的，适用于单体蓄电池的基于端电压“恒压充放电模式”、“恒流限压充放电模式”，不能满足包括铅蓄电池组、阀控铅蓄电池组在内的所有蓄电池组对充电的基本要求，也不能满足锂离子等新型蓄电池组对充电的基本要求。而目前蓄电池管理系统和充放电设备的研究，基本都是基于现有不能适用于所有蓄电池组的充电技术和充电模式。
   （4）以为用户提供蓄电池荷电状态信息为目的的基于蓄电池容量的蓄电池荷电状态（SOC）研究是必要的。但是将防止发生蓄电池过充电、过放电、超温和过流问题寄希望于准确的SOC估计，则是没有任何技术可行性的可能。准确的SOC不能防止发生蓄电池过充电、过放电、超温和过流问题。
   整合充电设备、蓄电池系统、放电系统相关资源，推动蓄电池储能电源系统和电动汽车动力集成系统技术研究和产业化体系，形成具有我国特色和民族知识产权的蓄电池储能电源系统和电动汽车动力集成系统品牌和产业化体系，是当前推动节能环保产业、新能源产业和节能与新能源产业发展迫切需要解决的重大课题。
    《规划》指出的“集中全行业科技资源，共同开展系统集成、动力总成、电磁兼容、高压安全等关键共性技术研究，…。建立有效的共性技术平台共享机制。根据“整合、共享、完善、提高”的原则，……，针对不同类型共性技术平台的特点，采用灵活多样的共享模式，打破目前相互封闭、重复分散的格局”，是突破目前蓄电池技术瓶颈的重大战略抉择 。
在市场条件下，受企业间利益的制约，依靠企业或企业集团不可能实现“打破目前相互封闭、重复分散的格局”。
    探索在市场环境下，利于行业和企业合作的机制，充分整合现有资源，推动我国锂离子等新型蓄电池储能电源产业健康、有序、快速发展，是当前具体落实我国节能与新能源产业战咯的重大课题。
    在市场环境下，行业组织具有整合资源、推动产业发展的特殊优势,同时也有推动蓄电池储能电源系统产业发展的责任和义务。
    为了探索在市场环境下利于资源整合的模式，中国电子商会电源专业委员会与中华环保联合会新能源和节能与新能源汽车储能系统行业委员会、北京电源行业协会合作，制定了我国推动锂离子蓄电池储能电源系统行业发展的规划（如图4）。

 
   该规划（如下图）的要点是：以行业协会专家委员会为平台，充分汇集大专院校、科研院所所和相关企业资源，以标准化研究为切入点，在产业联盟的框架内，依托储能电源系统技术创新产业化示范基地，采用现代市场机制，充分汇集国内优势资源，采用以集成创新为主的方式，首先从电动汽车蓄电池储能电源系统、电动汽车动力集成系统入手，推动我国锂离子蓄电池储能电源系统产业健康、有序、快速、持续发展。 
    作为规划的第一步，依据国家发改委《发改工业办〔2008〕1242号》文的安排，联合电源行业三十余家大专院校、科研院所和相关企业，制定了“锂离子蓄电池储能电源系统”七项行业基础标准（如图5），并于2009年12月12日正式成立锂中国锂离子蓄电池储能电源系产业统技术创新联盟（以下简称“联盟”经在科技部备案）。

图5、蓄电池储能电源系统行业基础标准体系

     与相关企业协商，拟在产业联盟的框家内，以“统一规划、统一标准、协力合作、规模效应、有序竞争”为原则，在联盟的框架内，依托相关企业建设珠三角、长三角、环渤海地区三个蓄电池储能电源系统和电动汽车动力系统集成、一个城市电动客车动力系统集成和一个兆瓦级蓄电池储能系统五个技术创新产业化示范基地，以风电场用大功率蓄电池储能电源系统和电动汽车储能电源系统为切入点，采用技术创新和集成创新相结合，以集成创新为主的方法，汇集行业资源，利用两年左右的时间，基本突破蓄电池成组后安全性大幅下降、使用寿命大幅缩短的技术难题，完成符合三项基本要求和五项具体要求的标准化、系列化蓄电池储能电源系统及电动汽车动力集成系统关键技术和产品研究和产业化建设。
2、 总体目标
   在产业联盟的框架内，以“产业联盟技术服务中心“为支撑，以示范性基地为依托，采用现代市场机制，充分汇集国内资源，采用技术创新与集成创新相结合,以集成创新为主的方法，争取在2年左右，完成包括充电系统和放电系统在内的蓄电池储能电源系统和电动汽车动力系统关键技术和产品研究，实现突破蓄电池成组应用技术和蓄电池储能电源系统集成技术瓶颈。
用3～4年的时间（即十一五期间），初步完成每个产业化示范基地年产20万套（产业联盟年产联盟50～80万套）以上蓄电池储能电源系统、电动汽车动力集成系统和用于建立电动汽车公共能源供给系统的蓄电池租赁站系列产品生产配套能力建设及初步产业化。
在2～3年内，以风电场用大功率蓄电池储能系统为切入点，在兆瓦级蓄电池储能系统关键技术和产品研究方面取得实质进展。
争取将联盟发展成为贯彻落实《规划》目标的电动汽车动力集成系统技术创新产业化基地和推动我国蓄电池储能电源产业发展的核心力量。   
   根据《规划》制定的项目目标为分三个阶段完成：
2.1 第一阶段-技术准备阶段（2013年3月前）
本阶段的阶段目标是:以行业基础为技术基础,采用技术创新与集成创新相结合,以集成创新为主的方法，在产业联盟的框架内，利用市场机制,汇集相关行业资源，以纯电动汽车蓄电池储能电源系统和电动汽车动力集成系统(包括充电系统、电池总成和电机及驱动器)为切入点,通过研究试验运行,完成蓄电池储能能电源系统、电动汽车动集成系统和电动汽车公共能源供给系统关键技术和产品研究，基本突破蓄电池成组后安全性下降、使用寿命缩短的技术瓶颈，为第二阶段奠定技术技术。
本阶段，依托兆瓦级蓄电池储能系统产业化示范基地，基本完成研究试验平台建设。基本完成风光电场用大功率蓄电池储能系统关键技术、关键零部件研究，为系统集成奠定基础。
2.2 第二阶段-初步产业阶段（2013年～2015年）
在完成第一阶段目标的基础上，依据《规划》第一阶段产业化目标，开展系列化产品研究、市场开发和规模化推广应用，争取实现完成每个产业化示范基地5万套以上蓄电池储能电源、电动汽车动力集成系统和电动汽车公共能源供给系统用蓄电池租赁系统产销量，实现初步产业化建设。
拟在本阶段完成研究试验用风电场大功率蓄电池储能系统的系统集成，按项目规划开展初步研究，争取完成原型机研究和系统集成。
2.3 第三阶段-产业化发展阶段（2016年～2020年）
在完成第一阶段和第二阶段目标的基础上,结合《规划》进展情况,实现每个产业化基地20万套以上蓄电池储能电源系统、电动汽车动力集成系统和蓄电池租赁站成套设备的配套能力。
争取在2020年前，完成产业化研究和产业化建设，形成规划化生产能力。
3、 阶段任务和基本目标
3.1 第一阶段主要任务和基本目标:
以纯电动乘用车用蓄电池储能电源系统和动力集成系统为切入点，建立贴近实用工况，基于纯电动汽车的研究试验平台，通过15万公里全程研究运行试验，基本完成锂离子蓄电池储能电源系统、电动汽车动力集成系统和以电池租赁系统为重点的电动汽车公共能源供给系统关键技术研究，为第二阶段和第三阶的工作奠定技术基础。

3.1.1本阶段主要任务是:
(l) 基本完成锂离子蓄电池成组应用技术、成组技术和系统集成关键技术研究，为关键零部件和产品研究奠定技术基础。
(2) 完成锂离子蓄电池模块和蓄电池储能电源系统关键零部件研究。
(3) 完成符合电池租赁要求的纯电动汽车蓄电池模块和总成关键技术和产品研究。
(4) 完成锂离子蓄电池充电设备和充电系统关键零部件及产品研究，完成电动汽车蓄电池租赁系统关键技术、关键零部件和产品研究。基本完成用于建立电动汽车公共能源供给系统的标准化蓄电租赁站成套技术、关键零部件和产品研究，为建立电动汽车公共能源供给体系提供成套技术和设备支撑。
3.1.2 本阶段的基本目标是:
   锂离子蓄电池成组后安全性下降、使用寿命缩短、甚至发生蓄电池燃烧、爆炸等恶性事故，是当制约电动汽车产业发展的技术瓶颈，也是锂离子蓄电池产业及节能与新能源产业发展的技术瓶颈。
技术准备段的基本目标是：争取利用两年左右的时间，基本突破锂离子蓄电池成组后安全性下降、使用寿命缩短等技术瓶顾：    （1） 在防止蓄电池成组后安全性下降，使用寿命缩短关键技术和产品研究取得实质进展；    （2）在蓄电池储能电源系统和电动汽车动力系统集成方面取得实质进展；    （3）在蓄电池储能电源系统兼容性、标准化、系列化研究方面取得实质进展。
具体目标是：
   （1）突破“相互隔离，重复分散的格局”

     以建立符合三项基本要求和五项具体要求的蓄电池储能电源系统，和电动汽车动力系统集成关键技术和产业化体系为切入点。首先在产业联盟内实现突破“相互隔离，重复分散格局”。这也是实现项目基本目标的关键。    

   （2）突破蓄电池成组安全性和使用寿命下降问题

    以电动汽车动力系统集成为切入点，采用先进的蓄电池成组应用技术，完成先进的蓄电池管理系统和蓄电池储能电源系统集关键技术和产品研究。    
实现蓄电池成组后的安全性和使用寿命与单体电池安全性和使用寿命水平基本相同的基本目标。