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電動汽車動力電池及BMS發展

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2022年02月21日  

1.動力電池技術路線


動力電池是為電動汽車動力系統提供能量的蓄電池,主要包括鋰離子電池、鎳氫電池和鉛酸電池等。


(1)不同電池類型技術路線a.鉛酸電池由于安全性好,成本低,在微混和城市型純電動汽車上具有一定優勢。但由于能量密度低,無法在其它類型電動汽車上應用。


b.鎳氫電池技術成熟、安全性好,在近幾年內占據混合動力的主流地位,尤其是在輕混、中混和重混等車型上。但由于能量密度低,成本高,技術發展已接近極限,性能進一步提高的余地不大。


c.鋰離子電池性能優良,適用范圍廣,具有良好的應用前景,將逐步占據未來市場的主流地位。但由于安全性和成本問題,日前尚處于發展期。


(2)鋰離子電池技術路線鋰離子動力電池的正極材料主要包括錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰等。


a.錳酸鋰安全性較好,成本低,但高溫性能較差,壽命較低。


b.三元材料能量密度高,性能比較均衡,但成本較高。


c.磷酸鐵鋰安全性最好,循環壽命長,但低溫特性較差、能量密度較低。


目前國外多數電池企業,如松下、三洋、SBL、LG、JCS等,主要選擇錳酸鋰和三元材料;國內多數電池企業和美國A123,主要選擇磷酸鐵鋰。從近期來看,錳酸鋰和三元材料更為成熟,將首先產業化。從長期來看,磷酸鐵鋰可能逐步占據未來市場的主流地位。


2.國外發展情況


(1)國外主要材料企業技術先進,擁有相關發明專利,生產規模較大,材料售價較高。加拿大Phostech擁有磷酸鐵鋰原始專利,產品售價約為30萬~40萬元/噸。


(2)國外主要電池企業技術水平先進,尤其是動力電池一致性較好,使用壽命長,能滿足整車要求,但成本較高。銷售量已超過200萬輛的豐田Prius采用鎳氫電池,在歐洲保用8年,在美國保用10年,電池成本約為15~21元/Wh。


(3)國外汽車巨頭和專業汽車配件公司紛紛選擇與專業電池公司合作,利用電池企業的電芯專業制造能力,結合自身整車或配件的電控設計和系統集成能力,共同開發動力電池系統。如豐田和松下組建了PEVE公司,博世和三星組建SBL公司,日產和NEC組建AESC公司,JCI和SAFT組建JCS公司等,這一動向特別值得我們關注。


(4)政府重視動力電池與相關材料的研發,積極投入巨資資助企業開發。美國2009年投入24億美元支持電動汽車的研發與產業化,主要涉及動力電池、材料及系統等。日本計劃從2007年起,5年內投資245億日元,用于研發車用動力電池。


(5)國外企業投入巨資擴大動力電池產能。日本企業如AESC計劃投資1000億日元,三洋計劃投資800億日元;美國企業如JCS計劃投資2.2億美元,A123計劃投資6億美元,以擴大鋰離子動力電池生產規模。


(6)國外相關機構和企業已啟動下一代新型動力電池開發項目。日本于2007年啟動“發展新一代汽車和燃料計劃”,目標是2030年后,將動力電池的質量能密度提高到日前的7倍,成本降低到目前的1/40。


3.我國發展現狀


(1)動力電池材料


a.我國動力電池主要原材料資源豐富,產業化發展有保障。


動力電池主要原材料資源包括鋰、石墨、稀土、鉛等,這些資源在我國都有豐富的礦藏,都位居世界前三位,為動力電池產業化提供了有效保障。


b.鋰離子電池負極材料已實現國產化,產品性能處于國際先進水平。


我國負極材料主要包括天然石墨、人造石墨和MCMB中間相碳微球等,產品基本覆蓋國內市場,部分產品銷量已進入全球前三位。


c.磷酸鐵鋰材料生產企業眾多,能滿足動力電池使用的較少。


國內有一百多家企業能制造磷酸鐵鋰材料,但只有少數廠家的產品能基本滿足車用動力電池要求,且尚未完全解決產品穩定性問題。


d.鋰離子動力電池隔膜材料已研發出樣品,性能有待改進。


國內隔膜產品在傳統鋰離子電池市場已經部分替代進口產品,但動力電池隔膜全部采用進口,國產動力電池隔膜尚在樣品開發階段。


(2)動力電池a.鋰離子動力電池已形成產品系列,主要為1~50Ah產品,部分廠家已開發50Ah以上產品,能支持樣車和示范車型配套,但尚未形成產業化生產能力。鎳氫動力電池也已形成產品系列,主要為6~100Ah產品,部分產品可與量產車型配套。


b.國內鋰離子電池企業技術水平己取得一定進步,尤其是安全性指標進步明顯。但企業技術水平參差不齊,產品一致性較差,總體與國際先進水平存在一定差距,且存在差距繼續擴大的趨勢。


在售后服務方面,國內多數鋰離子電池廠家只提供1年質量保證期,個別廠家能提供3年質量保證期,而國外部分鋰離子電池廠家能提供10年質量保證期。在產品價格方面,國內產品具有優勢,鎳氫電池成本約為10元/Wh左右,鋰離子電池成本約為2.5~5元/Wh。


c.國內動力電池成組技術較落后,離產業化尚有較大差距。


個別廠家在電池成組技術方面已有一定基礎,初步得到整車企業的認可。但與國際先進水平相比,在熱管理、均衡、空間利用率等方面還存在較大差距。


d.國內企業規劃擴大投資,積極進行產業化準備。


近年來,電池企業對產業化的投入急劇增加,如ATL、力神、比克、萬向都計劃超過10億元的投資,以擴大鋰離子電池產能。湖南神舟、湖南科霸、中炬森萊也都計劃超過5億元的投資,以擴大鎳氫電池產能。但多數廠家在投入初期仍重點發展傳統電池產品。


(3)電池管理系統a.經過“十五”和“十一五”的研究,我國在電池管理系統方


面已取得一定進展,產品功能較為完備,能支持示范車型配套,但尚未達到產業化程度。


b.電池和整車行業對電池管理系統都缺乏設計和生產經驗,雙方缺乏緊密合作。國內電池企業一般委托專業電子公司或高校開發相關系統,但對電池內部規律研究不夠深入,缺乏數據積累,無法與設計公司進行深入溝通,影響產品性能。


c.目前產品功能較簡單,雖具有基本的檢測監控功能,但在數據采集的可靠性、SOC的估算精度、熱管理、均衡、安全管理等方面與國外存在很大差距。


d.電子元器件多為非車用級,而且由于批量較小,多采用手工焊接的方式制造,產品電磁兼容性差,穩定性和可靠性低。


(4)動力電池回收與處理現狀a.動力電池中所含的鉛、強腐蝕溶液會對環境有嚴重的污染作用,廢電池必須同收。而且動力電池中的鉛、鎳、稀土、鋰等金屬及其它材料具有回收價值,廢電池回收有利于資源循環利用。


b.美、歐、日等發達國家已形成完整的回收體系。不僅制定了專門的法規制度,而且建立了專業性、規模性的電池回收再利用公司。國內尚未建立完善的回收制度與體系,部分回收公司不注意環保,造成二次污染。


c.由于車用動力電池的要求較高,部分動力電池雖然無法為車輛提供動力,但剩余容量還能滿足一些儲能裝置的要求,所以采用梯級利用模式,能擴大部分動力電池的使用范圍,降低使用成本。


4.我國動力電池及其管理系統存在的主要問題


(1)磷酸鐵鋰材料由于工藝控制困難,批次穩定性差,使電池制造工藝控制困難,造成電芯成品率低,導致電芯的制造成本高。且材料原始專利涉及核心問題,無法回避,面臨較大風險。


(2)同前動力電池隔膜均采用進口,國內動力電池隔膜尚處于樣品階段,很難在短期內取代進口產品。


(3)隔膜和磷酸鐵鋰電池的關鍵生產設備依賴進口。


(4)動力電池單體樣品的循環壽命可以達到較高水平,但由于產品一致性較差,電芯成組后,系統的循環壽命降低很多。


(5)在電池管理系統方面,缺乏熟悉電池和電池管理系統的復合型專業人員;產品系統功能簡單,性能與國外存在很大差距;產品工程化設計能力較弱,產品可靠性差。


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