1.动力电池技术路线
动力电池是为电动汽车动力系统提供能量的蓄电池,主要包括锂离子电池、镍氢电池和铅酸电池等。
(1)不同电池类型技术路线a.铅酸电池由于安全性好,成本低,在微混和城市型纯电动汽车上具有一定优势。但由于能量密度低,无法在其它类型电动汽车上应用。
b.镍氢电池技术成熟、安全性好,在近几年内占据混合动力的主流地位,尤其是在轻混、中混和重混等车型上。但由于能量密度低,成本高,技术发展已接近极限,性能进一步提高的余地不大。
c.锂离子电池性能优良,适用范围广,具有良好的应用前景,将逐步占据未来市场的主流地位。但由于安全性和成本问题,日前尚处于发展期。
(2)锂离子电池技术路线锂离子动力电池的正极材料主要包括锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂等。
a.锰酸锂安全性较好,成本低,但高温性能较差,寿命较低。
b.三元材料能量密度高,性能比较均衡,但成本较高。
c.磷酸铁锂安全性最好,循环寿命长,但低温特性较差、能量密度较低。
目前国外多数电池企业,如松下、三洋、SBL、LG、JCS等,主要选择锰酸锂和三元材料;国内多数电池企业和美国A123,主要选择磷酸铁锂。从近期来看,锰酸锂和三元材料更为成熟,将首先产业化。从长期来看,磷酸铁锂可能逐步占据未来市场的主流地位。
2.国外发展情况
(1)国外主要材料企业技术先进,拥有相关发明专利,生产规模较大,材料售价较高。加拿大PhosTECH拥有磷酸铁锂原始专利,产品售价约为30万～40万元/吨。
(2)国外主要电池企业技术水平先进,尤其是动力电池一致性较好,使用寿命长,能满足整车要求,但成本较高。销售量已超过200万辆的丰田Prius采用镍氢电池,在欧洲保用8年,在美国保用10年,电池成本约为15～21元/Wh。
(3)国外汽车巨头和专业汽车配件公司纷纷选择与专业电池公司合作,利用电池企业的电芯专业制造能力,结合自身整车或配件的电控设计和系统集成能力,共同开发动力电池系统。如丰田和松下组建了PEVE公司,博世和三星组建SBL公司,日产和NEC组建AESC公司,JCI和SAFT组建JCS公司等,这一动向特别值得我们关注。
(4)政府重视动力电池与相关材料的研发,积极投入巨资资助企业开发。美国2009年投入24亿美元支持电动汽车的研发与产业化,主要涉及动力电池、材料及系统等。日本计划从2007年起,5年内投资245亿日元,用于研发车用动力电池。
(5)国外企业投入巨资扩大动力电池产能。日本企业如AESC计划投资1000亿日元,三洋计划投资800亿日元;美国企业如JCS计划投资2.2亿美元,A123计划投资6亿美元,以扩大锂离子动力电池生产规模。
(6)国外相关机构和企业已启动下一代新型动力电池开发项目。日本于2007年启动“发展新一代汽车和燃料计划”,目标是2030年后,将动力电池的质量能密度提高到日前的7倍,成本降低到目前的1/40。
3.我国发展现状
(1)动力电池材料
a.我国动力电池主要原材料资源丰富,产业化发展有保障。
动力电池主要原材料资源包括锂、石墨、稀土、铅等,这些资源在我国都有丰富的矿藏,都位居世界前三位,为动力电池产业化提供了有效保障。
b.锂离子电池负极材料已实现国产化,产品性能处于国际先进水平。
我国负极材料主要包括天然石墨、人造石墨和MCMB中间相碳微球等,产品基本覆盖国内市场,部分产品销量已进入全球前三位。
c.磷酸铁锂材料生产企业众多,能满足动力电池使用的较少。
国内有一百多家企业能制造磷酸铁锂材料,但只有少数厂家的产品能基本满足车用动力电池要求,且尚未完全解决产品稳定性问题。
d.锂离子动力电池隔膜材料已研发出样品,性能有待改进。
国内隔膜产品在传统锂离子电池市场已经部分替代进口产品,但动力电池隔膜全部采用进口,国产动力电池隔膜尚在样品开发阶段。
(2)动力电池a.锂离子动力电池已形成产品系列,主要为1～50Ah产品,部分厂家已开发50Ah以上产品,能支持样车和示范车型配套,但尚未形成产业化生产能力。镍氢动力电池也已形成产品系列,主要为6～100Ah产品,部分产品可与量产车型配套。
b.国内锂离子电池企业技术水平己取得一定进步,尤其是安全性指标进步明显。但企业技术水平参差不齐,产品一致性较差,总体与国际先进水平存在一定差距,且存在差距继续扩大的趋势。
在售后服务方面,国内多数锂离子电池厂家只提供1年质量保证期,个别厂家能提供3年质量保证期,而国外部分锂离子电池厂家能提供10年质量保证期。在产品价格方面,国内产品具有优势,镍氢电池成本约为10元/Wh左右,锂离子电池成本约为2.5～5元/Wh。
c.国内动力电池成组技术较落后,离产业化尚有较大差距。
个别厂家在电池成组技术方面已有一定基础,初步得到整车企业的认可。但与国际先进水平相比,在热管理、均衡、空间利用率等方面还存在较大差距。
d.国内企业规划扩大投资,积极进行产业化准备。
近年来,电池企业对产业化的投入急剧增加,如ATL、力神、比克、万向都计划超过10亿元的投资,以扩大锂离子电池产能。湖南神舟、湖南科霸、中炬森莱也都计划超过5亿元的投资,以扩大镍氢电池产能。但多数厂家在投入初期仍重点发展传统电池产品。
(3)电池管理系统a.经过“十五”和“十一五”的研究,我国在电池管理系统方
面已取得一定进展,产品功能较为完备,能支持示范车型配套,但尚未达到产业化程度。
b.电池和整车行业对电池管理系统都缺乏设计和生产经验,双方缺乏紧密合作。国内电池企业一般委托专业电子公司或高校开发相关系统,但对电池内部规律研究不够深入,缺乏数据积累,无法与设计公司进行深入沟通,影响产品性能。
c.目前产品功能较简单,虽具有基本的检测监控功能,但在数据采集的可靠性、SOC的估算精度、热管理、均衡、安全管理等方面与国外存在很大差距。
d.电子元器件多为非车用级,而且由于批量较小,多采用手工焊接的方式制造,产品电磁兼容性差,稳定性和可靠性低。
(4)动力电池回收与处理现状a.动力电池中所含的铅、强腐蚀溶液会对环境有严重的污染作用,废电池必须同收。而且动力电池中的铅、镍、稀土、锂等金属及其它材料具有回收价值,废电池回收有利于资源循环利用。
b.美、欧、日等发达国家已形成完整的回收体系。不仅制定了专门的法规制度,而且建立了专业性、规模性的电池回收再利用公司。国内尚未建立完善的回收制度与体系,部分回收公司不注意环保,造成二次污染。
c.由于车用动力电池的要求较高,部分动力电池虽然无法为车辆提供动力,但剩余容量还能满足一些储能装置的要求,所以采用梯级利用模式,能扩大部分动力电池的使用范围,降低使用成本。
4.我国动力电池及其管理系统存在的主要问题
(1)磷酸铁锂材料由于工艺控制困难,批次稳定性差,使电池制造工艺控制困难,造成电芯成品率低,导致电芯的制造成本高。且材料原始专利涉及核心问题,无法回避,面临较大风险。
(2)同前动力电池隔膜均采用进口,国内动力电池隔膜尚处于样品阶段,很难在短期内取代进口产品。
(3)隔膜和磷酸铁锂电池的关键生产设备依赖进口。
(4)动力电池单体样品的循环寿命可以达到较高水平,但由于产品一致性较差,电芯成组后,系统的循环寿命降低很多。
(5)在电池管理系统方面,缺乏熟悉电池和电池管理系统的复合型专业人员;产品系统功能简单,性能与国外存在很大差距;产品工程化设计能力较弱,产品可靠性差。
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