电动汽车动力电池分析.ppt

,超越客户期望引领未来发展,电动汽车用动力电池国内外发展状况及发展趋势摩锋网电,引言,能源短缺和环境污染是目前汽车工业发展面临的两大挑战，随着世界汽车保有量的急剧增长，传统内燃机汽车排放对环境的影响越来越严重。在这样的形势下，电动汽车作为新能源开发的突出代表已经成为取代传统动力汽车，引领汽车行业的新时代的发展方向。而电动汽车电池既是发展电动汽车的核心，更是电力工业与汽车行业的关键结合点。电动汽车以电力驱动，行驶无排放(或低排放)，噪音低，能量转化效率比内燃机汽车高很多，同时电动汽车还具有结构简单、运行费用低等优点，安全性也优于内燃机汽车。但电动汽车目前还存在价格较高、续驶里程较短、动力性能较差等问题，而这些问题都是和蓄电池技术密切相关的，电动汽车实用化的难点仍然在于电池技术，特别是化学电池技术。目前制约电动汽车发展的关键因素是动力蓄电池不理想，所以，电动汽车应用的关键在于对蓄电池的研究。,要点:,一.电动汽车电池种类，优缺点及应用车型二.电池性能指标分析三.当前电动汽车蓄电池的技术难题四.国内外的主要研究及发展动向,一电动汽车电池种类，优缺点及应用车型,1.磷酸铁锂电池：磷酸铁锂电池指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中钴酸锂是目前绝大多数锂离子电池使用的正极材料。优点：安全性能高、寿命长、高温性能好、大容量、无记忆效应、重量轻、环保。缺点：振实密度与压实密度很低，导致锂离子电池的能量密度较低；材料的制备成本与电池的制造成本较高，电池成品率低，一致性差。应用车型：比亚迪唐、腾势电动车、东风风神E30、江淮和悦iEV4、通用赛欧Springo、长安逸动纯电动、荣威550Plug-in等。,比亚迪秦的纯电动行驶里程为70km，磷酸铁锂电池组容量为13kWh。比亚迪唐的电池容量肯定会大于13kWh。比亚迪唐的电池采用的是比亚迪拥有自主知识产权的磷酸铁锂电池。与秦把电池组布置在尾箱不同，唐的电池组布置在车身地板下方，这是得益于SUV较高的车身。,比亚迪唐,腾势充分借鉴了比亚迪多年在电动车领域的经验，运用了多项创新技术，以满足消费者的日常需求。该车搭载容量为47.5千瓦时的磷酸锂铁（LFP）电池，续航里程为300公里。,腾势电动车,风神E30的动力系统由一台25kW的永磁直流电动机和18kWh的磷酸铁锂电池组成，最大扭矩80Nm，最高时速为每小时80公里。单次充电续航里程为160公里。可以在8小时内充满电，快速充电只要半小时。,东风风神E30EV,2.锂电池：,锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应：Li+MnO2=LiMnO2，该反应为氧化还原反应，放电。优点：能量密度高、使用寿命长、重量轻、高低温适应性强、绿色环保、额定电压高、具备高功率承受力、自放电率很低、生产基本不消耗水等特点，现在已成为了电动汽车的主流车用电池。缺点：安全性差、不能大电流放电、价格昂贵、生产要求条件高、成本高、使用条件有限制、高低温使用危险大。应用车型：福特福克斯EV、福特C-MAXEnergi、丰田普锐斯、三菱iMiEV、日产聆风、特斯拉ModelS等。,丰田全新普锐斯,丰田全新普锐斯将增配体积更小容量更大的锂离子，此外，未来在高配车型上或将配备四轮驱动系统。据悉，新一代丰田普锐斯入门级车型将采用镍氢电池，高端车型将采用锂离子电池，续航里程更长，高配车型还有望搭载四轮驱动系统。,钴酸锂电池：TESLA的专属电池,TESLA电动车的电池采用了松下提供的NCA系列（镍钴铝体系）18650钴酸锂电池，单颗电池容量为3100毫安时。TESLA采用了电池组的战略，85kWh的MODELS的电池单元一共运用了8142个18650锂电池，将这些电池以砖、片逐一平均分配最终组成一整个电池包，电池包位于车身底板。钴酸锂电池具有结构稳定、容量比高、综合性能突出、但是其安全性差而且成本非常高，主要用于中小型号电芯，标称电压3.7V。TESLA把这样的电池组合到一起，安全性就成了一个很需要关注的问题，TESLA的工程师在电池包内的保险装置分布到每一节18650钴酸锂电池，每一节18650钴酸锂电池两端均设有保险丝，当电池出现过热或电流过大时，保险丝会切断，以此避免因某个电池出现异常情况（过热或电流过大）时影响到整个电池包。那么，就此来看，钴酸锂电池虽然本身存在着缺陷，但是在TESLA的工程师的包装上安全性基本上可以忽略。显然，这样的解决方案还是很适合在纯电动汽车上发展。,从上面的表格里可以更加直观的比较几种用在电动车上的电池。钴酸锂电池组相对于其他的电池来说续航里程、电池总容量也相对于其他的电池要高，如果钴酸锂电池的安全性再提高一点，那么其在电动汽车上的推广便可以不仅在特斯拉上。电池技术目前仍在不断地进行着革新，目前三元锂电池的时代在慢慢到来（磷酸铁锰锂电池便是三元锂电池的一种）。,3.铁电池：,目前国内外研究的铁电池有高铁和锂铁两种，目前还没有厂家宣称其产品可以大规模实用化。高铁电池是以合成稳定的高铁酸盐（K2FeO4、BaFeO4等），可作为高铁电池的正极材料来制作能量密度大、体积小、重量轻、寿命长、无污染的新型化学电池铁电池。特点：体积小、重量轻、寿命长、无污染缺点：铁电池生产过程中对工艺要求非常高，如果把握不好，电池肯定会出现很多小问题。并且铁电池的价格也不菲，国内生产的40Ah容量磷酸铁锂电池组成本在3万元到4万元之间，如果是120Ah的磷酸铁锂电池组，市场价大约要12万元。应用车型：比亚迪e6、比亚迪F3DM,比亚迪e6,比亚迪e6动力电池和启动电池均采用比亚迪自主研发生产的ET-POWER铁电池，不会对环境造成任何危害，其含有的所有化学物质均可在自然界中被环境以无害的方式分解吸收，能够很好地解决二次回收等环保问题，是绿色环保的电池。铁电池经过高温、高压、撞击等试验测试，安全性能非常好，短路爆炸机会不高。在能量补充方面，e6可使用220V民用电源慢充，快充为3C充电，15分钟左右可充满电池80%。,4.燃料电池：,燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能储电而是一个发电厂。优点：能量转化效率高；安装地点灵活；负荷响应快，运行质量高；具有很强的过负载能力等。缺点：燃料电池造价偏高、碳氢燃料无法直接利用、氢气储存技术受限、氢燃料基础建设不足等。应用车型：丰田FCV,丰田从22年前就开始研发燃料电池汽车，直到2002年才把第一台SUV型的FCV销售出去，对象还是日本、美国的政府及教育机构。丰田FCV氢燃料电池车有望提前在今年年底前正式开始量产。借助氢燃料动力这款车型将有着最高达300英里(约482公里)的续航里程。,丰田FCV,5.液态电池：,液体电池由一将电化学活性电极浸泡在装满电解液的玻璃容器组成的电池。大多数电池，包括笔记本电脑和电视机遥控器上使用的电池，都使用固体材料如锌或钴锂充当阴极，石墨充当阳极，液体盐溶液充当电解质膜。而此液体电池则不同，其阴阳和膜都是液体的，且都是炽热的熔化的像稀泥似的液体。优点：能量密度高、稳定耐用、充电速度更快、更加环保、可以维持超过14000次循环。缺点：成本高。应用车型：Quant.e-Sportlimousine概念超跑,Quant.e-Sportlimousine概念超跑,由列支敦士登能源公司NanoFlowcellAG开发的Quant.e-Sportlimousine概念超跑动力系统十分强劲，最大功率680kW，最高350km/h。并且只需要2.8s就可以从0加速到100km/h，性能远超特斯拉堪比McLarenP1。Quante-Sportlimousine使用NanoFlowcell-AG公司开发的一种新型液态电解质电池。这种电池采用盐水作为存储能量的介质。盐水会通过两个水箱之间的隔膜形成电荷，电力被储存和分配给超级电容器。它的能量密度比特斯拉的锂电池大5倍。而且它更稳定耐用，充电速度更快、同时也更加环保。,6.镍镉电池：,应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池；比能量可达55Whkg，比功率超过190Wkg；可快速充电；循环使用寿命较长，是铅酸蓄电池的两倍多，可达到2000多次，但价格为铅酸蓄电池的45倍。初期购置成本虽高，但由于其在能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。使用中要注意做好回收工作，以免重金属镉造成环境污染。,7.镍氢电池：,镍氢蓄电池不含镉、铜，不存在重金属污染问题。目前生产电动汽车镍氢蓄电池的公司主要是Ovine公司，它现有80Ah和130Ah两种单元电池，并由此构成30kwh和50kwh两种规格的电池。其比能量达75-80Wh/kg，比功率达160230Wkg，循环使用寿命超过600次。这种蓄电池曾装在几种电动汽车上试用，其中一类车一次充电可行驶345km，有一辆车一年中行驶了8万多公里。由于价格较高，目前尚未大批量生产。估计随着镍氢蓄电池技术的发展，其比能量可超过80whkg，循环使用寿命可超过2000次，远景价格可降至150美元/Kwh。通用汽车公司已把它作为今后几年电动汽车优先考虑蓄电池。,8.钠硫电池：,钠硫电池，是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。在一定的工作度下，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。优点：一个是比能量(即电池单位质量或单位体积所具有的有效电能量)高，另一个是可大电流、高功率放电。缺点：其工作温度在300-350，所以，电池工作时需要一定的加热保温。,二.电池性能指标分析,电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。要使电动汽车具有竞争力，就要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。,各类电池指标比较：,充电时间：,充电技术影响充电站发展的关键。一般而言给车用动力蓄电池进行一般充电需要2h以上，目前的快速充电技术可以将充电时间缩短到20min以内（即在短时间内给电池充60%以上的电量），充电模式影响分析见表。,三当前电动汽车蓄电池的技术难题,(1)电池安全性得不到保障。目前中小容量锂离子电池的产业化已经非常成功，但大容量、高功率锂离子动力电池的安全性问题得不到有效解决。而电池容量愈大，其一旦失控所造成的危害就愈大。,(2)电池容量有限，未能实现突破。目前市场上使用的电动汽车一次充电后的续驶里程一般为100km300km，并且这还需要保持适当的行驶速度及具有良好的电池调节系统才能得到保证，而绝大多数电动汽车一般行驶环境下续驶里程只有50km100km。,(3)电池循环寿命短。普通蓄电池充放电次数仅为300400次，即使性能良好的蓄电池充放电次数也不过700900次，按每年充放电200次计算，一个蓄电池的寿命最多为4年，与燃油汽车的寿命相比太短。,(4)电池质量和尺寸制约。现有电动汽车电池的外体积一般要达到550L。当把这么大体积的电池用于家庭轿车上时，就必然要挤占轿车的行李厢空间。现有电动汽车所使用的电池都不能在储存足够能量的前提下保持合理的尺寸和质量。,(5)电池价格昂贵。电动汽车蓄电池的价格约为100美元/kwh，有的甚至高达350美元/kwh，成本太高，用户难以承受。,(6)对环境的污染严重。目前使用的动力电池主要为铅酸动力电池、镍氢电池、镍镉电池。原料从开采到生产，再到废弃后的处理，都会对环境造成污染。,四国内外的主要研究及发展动向,1.发展重点及目标：(1)近期：以改进型铅酸和Cd-Ni电池为主铅酸电池便宜，并在叉车、观光车或者短途公共汽车上作为动力源应用，但新一代铅酸电池的比能量和循环次数仍存在严重的限制。未来使用铅酸电池来驱动在高速公路上行驶的电动汽车是不实际的，但价格优势使其在轻度混合或者短途行驶的电动汽车中仍占一席之地。然而，有文献指出近期美国的“下一代电池和电动车”中有一种超级电池是超级电容器与铅酸电池的并联使用。这种电池具有双电层电容器的高比功率、长寿命以及铅酸电池价格便宜的优势，将具有市场竞争力。,(2)中期：以MH-Ni电池和Na-S电池为主,镍氢电池虽然具有较高的比能量和比功率等优点；目前，大量地应用于混合动力车，随着锂离子电池的大规模生产和成本的降低，镍氢电池终将退出。镍氢电池是电动汽车过渡阶段使用的电池，但在近期和中期仍然是非常关键的动力电池之一。锂硫电池为二次锂电池，由单质硫、金属锂和有机电解液组成，具有比能量高、成本低、环境友好的特点。,(3)远期：以Li离子电池和燃料电池为主,目前，越来越多的研究人员选用锂离子电池作为电动汽车的动力电池，因为锂离子动力电池有以下优点：工作电压高（是镍镉电池氢-镍电池的3倍）；比能量大（可达165WH/，是氢镍电池的3倍）；体积小；质量轻；循环寿命长；自放电率低；无记忆效应；无污染等。如果采用锂离子电池，电动汽车成本难以降低。据有关资料显示，全球汽车锂电池的生产企业主要有二十多家，而日本则走在全球前列，有美国的A123、江森自控(JohnsonControls)；中国的比亚迪、韩国的LG化学，而仅仅日本就有东芝、日立制作所、日本电气(NEC)、GSYuasa、丰田汽车和松下电器产业的合并公司PanasonicEVEnergy等十来家相关企业。中投顾问产业研究中心数据显示，据目前在混合电动汽车上所使用的镍氢电池几乎大部分是由日本企业制造的，日本的丰田公司与本田公司主导着与混合电力汽车相关的技术，两家公司在世界市场上的占有率超过85%。以现代汽车公司与LG化学公司为主力的韩国企业从2004年开始的5年以来，作为第二代电池成长动力产业的一环，在混合电动汽车用高输出动力的锂电池开发方面已经投入了160亿韩元的预算。另外，去年韩国知识经济部决定在5年内，对内置型混合电力汽车用的移动电池与相关系统的开发方面援助400亿韩元，并在2013年开始大规模生产。,2.我国电池企业研发现状：,动力电池研发产品的主要性能居国际先进水平，电池产业基础雄厚，但需要解决一些薄弱环节。我国动力电池关键技术、关键材料和产品研发取得重大进展，与日本、美国、德国等国际先进水平比较，总体水平相当，比亚迪、力神、雷天等企业开发出的镍氢和锂离子两种类型、多个系列的车用动力电池，能量密度、功率密度(能量密度、功率密度是指单位重量的能量和功率，前者决定了电动汽车的续航里程和重量，后者决定了汽车的动力性)等主要性能指标居国际先进水平。电催化剂、复合膜、双极板等关键材料也取得重要进展。,主要国产电动汽车的电池供应商,NO.1惠州比亚迪主要产品是方形磷酸铁锂动力电池，主要供给比亚迪旗下的秦、E6、K9等新能源汽车。NO.2CATL主要从事动力锂电池、储能锂电池等高新技术产品的研发、制造和销售。CATL动力电池的主要合作客户是宇通、宝马、一汽等。NO.3力神公司动力电池的主要合作客户是天津公交集团、宇通、东风扬子江、一汽客车、康迪、江淮汽车等。NO.4国轩主要产品是磷酸铁锂动力电池。公司动力电池的主要合作客户是安凯、江淮、金龙、申沃、新大洋等。,NO.5沃特玛国内最早成功研发磷酸铁锂新能源汽车动力电池，并率先实现规模化生产和批量应用的磷酸铁锂电池企业之一。公司动力电池的主要合作客户是五洲龙、金龙、扬州亚星、郑州海马、中联重科等。NO.6万向主营业务为锂离子电池及