车用三元动力电池技术路线及关键技术分析

2015-10-16 15:27:40 零排放汽车网-专注新能源汽车,混合动力汽车,电动汽车,节能汽车等新闻资讯 网友评论 0 条

车用三元动力电池技术路线及关键技术分析

惠州亿纬锂能股份有限公司 黄红良

动力电池作为新能源汽车的“心脏”，一直有着磷酸鉄锂和三元锂电池的技术路线之分。2015年以来，车用三元动力电池在我国迎来较大发展。北汽、江淮、奇瑞、众泰、吉利、东南汽车、一汽、郑州日产等大部分国内主流车企都纷纷推出采用三元动力电池的新能源车型，国内市场对三元锂电池的需求正快速增长。

以下对车用三元动力电池技术路线及关键技术进行分析，以供参考。

一、国内新能源汽车应用情况

根据中国汽车工业协会数据，1-9月新能源汽车生产144284辆，销售136733辆，同比分别增长2.0倍和2.3倍。其中纯电动汽车产销分别完成93032辆和87531辆，同比分别增长2.0倍和2.7倍；插电式混合动力汽车产销分别完成51252辆和49202辆，同比增长1.9倍和1.8倍。

2011-2015年我国新能源汽车销量走势图

新能源汽车产销的快速增长带动了汽车用动力电池的发展。据保守数据统计，今年上半年动力电池产量达2.72GWh，已达去年全年电池产量的7成之多，较去年上半年的0.94GWh增长近2倍。

二、锂离子动力电池技术路线

2.1国内外技术路线对比

（1）动力电池分类

目前，锂离子动力电池按材料不同可分为磷酸鉄锂电芯（LFP）、三元电芯（NCM /NCA）、锰酸锂电芯（LMO）、钛酸锂电芯（LTO）；按外观形态可分为圆柱金属壳电池（18650、26650、32650、20700/26800等）、软包电池、方形金属壳电池。

（2）国内外技术路线

关于汽车用动力电池技术路线，国内外各有不同。

在国内，2014年以方形铝壳+磷酸鉄锂为主，2015年开始，方形铝壳+磷酸鉄锂和18650+三元并驾齐驱。在国外，汽车动力电池以三元（或称锰系）体系为主。

2.2 磷酸铁锂与三元技术之争

（1）优缺点

磷酸鉄锂电池（LFP）

优点：安全性好、循环寿命长、高温性能好、在国内汽车上应用相对成熟

缺点：比能量低、成本高

适合应用领域：公交车、大巴车等

三元电池（NCM /NCA）

优点：比能量高、成本低

缺点：发热量大、循环寿命短、国内应用时间较短

适合应用领域：专用车、乘用车（包括微型车等）

（2）应用

磷酸铁锂和三元，优缺点非常明确，根据国内的pack水平，以及不同的应用领域，在今后几年内，磷酸铁锂和三元必定并驾齐驱。

三、三元动力电池技术路线

3.1 三元电芯的应用领域

结合其自身的特点，三元电池适合应用的场景为纯电动物流车、纯电动专用车（如环卫车）、新能源乘用车（如微型车）。

纯电动物流车具有如下特点：续航里程固定，在100-150公里之间；使用年限在3-5年，8-10万公里；使用区域：城市或城乡结合部，道路条件较好。纯电动物流车的这些特点正好与三元电池特性相吻合。

3.2三元电芯的发展路线

三元电池的类型又可细分为圆柱钢壳、软包、方形金属壳三种，三种类型的三元电池优缺点对比及生产厂家信息如下：

目前，国内三元电芯应用以18650为主；未来2-3年，随着pack技术、散热技术的成熟，三元电芯应用以方形金属壳为主。

3.3 18650三元电芯连接方式

目前，18650的成组方式有镍带连接（电阻焊）、铝丝连接（超声波焊接）等。其中，镍带连接是目前主流的18650电芯成组方式，其优点是标准化模组、连接可靠、便于热量管理，但是不便于维修。铝丝连接类似特斯拉结构，对每个单体电芯上保险丝，安全性高、成组成本低。但是铝丝连接对工艺要求高，在国内已有少量应用，未来将成为主流。

四、关于三元动力电池的三个关键技术

（1）安全性问题

引入“安全边界”概念，将电源系统的安全目标定义为：即使系统中单个或多个电池发生安全事故，整个电源系统仍是安全有效的。

（2）热量的管理

三元电芯发热量大，功率型电芯发热量相对较小。对三元电池的热管理，包括冷却和加热两方面，其中冷却方式又分为自然冷、风冷和液冷。对于专用车和乘用车，由于应用场景不同，所选三元电池也不尽相同。在专用车（环卫车和物流车）领域，由于其使用条件优良，建议用倍率型电芯，可以自然冷却。在乘用车领域，由于其使用条件相对恶劣，追求加速性能、比能量，建议用能量型电芯，采用空调风冷或液冷方式进行热管理。

（3）循环寿命问题

18650-2200mAh的电芯0%-100%SOC循环次数在800-1200次，10%-90%SOC循环次数在1000-1500次。成组后三元电池的循环寿命可达单体电芯循环寿命的80%，基本可以满足物流车和乘用车5年或12万公里的需求。

如何提高三元电池的循环寿命呢？这里提出三点建议：（1）建议SOC使用范围为10-90%SOC（即充电至4.15V，放电至3.0V）。（2）单体电芯循环寿命达到2000次以上。（3）全自动化生产，保障单体电芯的一致性。

五、预计2016年18650-2200mAh仍是车用三元电芯的首选

5.1 18650-2.2Ah电芯基本情况

18650-2.2Ah电芯具有5C倍率放电、内阻小、发热量小、性价比高等特点，生产制造有较好的基础，可大规模化生产。目前，18650-2.2Ah电芯供不应求，预计2016年18650-2200mAh仍是车用三元电芯的首选。

5.2 18650-2.2Ah电芯性能

车用18650三元电芯，国内厂家要在未来几年快速发展，必须要与韩系电芯进行直接的竞争，突出更高的性价比，即性能要全面超过韩系电芯。

（1）循环寿命

下图为常温循环性能对比1：

测试条件：@25℃；充电：0.5C CC/CV to 4.2V＆cutoff by 0.02C ；放电：1C DC to 3.0V；搁置：10min ；

单体电芯：EVE-22V1（亿纬电芯）、competitor（韩系电芯），以下所有测试样品相同。

常温循环性能对比1（标称容量：1C@2150mAh）

下图为常温循环性能对比2：

测试条件：@25℃；充电：0.5C CC/CV to 4.1V＆cutoff by 0.02C ；放电：1C DC to 3.0V；搁置：10min

常温循环性能对比2（标称容量：1C@2000mAh）

下图为常温循环性能对比3：

测试条件：@25℃；充电：0.5C CC/CV to 4.2V＆cutoff by 0.02C ；放电：10A DC to 3.0V；搁置：10min

常温循环性能对比3（标称容量：1C@2000mAh）

下图为高温循环性能对比1：

测试条件：@45℃；充电：0.5C CC/CV to 4.1V＆cutoff by 0.02C ；放电：1C DC to 3.0V；搁置：10min

高温循环性能对比1

从四个循环寿命测试来看，EVE-22V1电芯循环寿命全面超过韩系产品。

（2）倍率放电性能

下图为倍率放电性能对比与温升对比：

 从图表上可知，EVE-22V1电芯倍率放电容量要比韩系电芯好，且温升要低，特别是高倍率放电温升，如10A放电，温升要低10度以上。

（3）不同温度放电性能

下图为不同温度条件下的放电性能：

从图表上可知，EVE-22V1电芯，在-20℃条件下放电，容量可放出72.1%，能量可放出64.8%，低温性能也较为优秀

（4）不同温度充电性能

下图为不同温度条件下的充电性能：

从图表上可知，EVE-22V1电芯，在-20℃条件下充电，可充入95.8%能量，但考虑到锂离子电芯在低温充电的安全性，建议在0℃以上进行充电。

（5）高温储能性能

下表为高温储能性能：

从表中可知，EVE-22V1电芯，在60℃储存7天，容量保持率在96%，容量恢复在100%以上。

（6）安全性能

下表为安全性能测试：

 从表中可知，EVE-22V1电芯，可以通过标准规定的安全性测试，包括短路、过放、过充、重物冲击、振动、滥用等。