中国纯电动客车电池分析

2014年12月,新能源动力电池分析,2,目录,新能源动力电池分析,一、动力电池概述,二、纯电动汽车动力电池介绍,三、锂离子电池性能分析,附件一、锂离子电池介绍,附件二、动力电池生产企业及产品分析,3,一、动力电池概述,电池是电动汽车的动力源泉，也是电动汽车的核心关键。动力电池需求特点：电池的可靠性达到车用需求；电池使用寿命长，深度放电时循环次数达到车用要求；充电时间短；蓄电池尺寸和质量小；环境适应性强；电池在使用过程中单体电池健康状态变化一致，不影响整体性能；功率密度和能量密度高；不存在环境污染问题；成本低。目前电动汽车应用的主要动力电池种类有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和氢燃料电池。,4,一、动力电池概述,容量：在规定条件下，完全充电的蓄电池能够提供的电量，通常用安时（A.h）表示。充电率：蓄电池充电时用安培表示的电流完全充电状态：当蓄电池内所有可利用的活性物质都已转变成完全充电的状态。过充电：完全充电后仍延续的充电。急充电：通常是以高倍率短时间的一种部分充电。涓流充电：为补偿自放电，使蓄电池保持在近似完全充电状态的连续小电流充电。热失控：在恒压充电期间发生的一种临界状态。此时，蓄电池的电流及温度发生一种累积的互相增强的作用并逐渐增强导致蓄电池的损坏。开路电压：开路时，蓄电池正、负极间的电位差。负载电压：蓄电池输出电流时端子间的电压。终止电压：认为放电终止时的规定电压。,5,目录,新能源动力电池分析,一、动力电池概述,二、纯电动汽车动力电池介绍,三、锂离子电池性能分析,附件一、锂离子电池介绍,附件二、动力电池生产企业及产品分析,6,二、纯电动汽车动力电池介绍,铅酸电池（VRLA），是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。自1859年法国人G.plante发明铅酸电池以来，经过一百多年的发展，技术不断更新，现已被广泛应用于汽车、通信、电力、铁路、电动车等各个领域，成为世界上产量最大、用途最广泛的蓄电池品种。优势：价格低廉、原料易得、性能可靠、容易回收和适于大电流放电等。劣势：能量、功率比较低，可能存在着严重的二次污染问题。汽车行业应用：被广泛用于车速小于50km/h的各种场地车、高尔夫球车、垃圾车以及送报车上。,7,镍氢电池（NiMH）是由氢离子和金属镍合成的电池，由镍镉电池（NiCd）改良而来的，其以能吸收氢的金属代替镉（Cd）。镍氢电池使用氢氧化镍为正极活性物质，贮氢合金为负极活性物质，氢氧化钾水溶液为电解液，为绿色环保型电池。由美国人StanfordOvshinsky发明于1960年左右，是目前技术最为成熟、应用最为广泛的动力电池。优势：能量密度较高，无记忆效应，循环寿命长；可大电流放电，承受过充电、过放电能力强；无污染。劣势：负极材料为稀土合金材料，成本较高；自放电速度大；比能量较小，使得镍氢动力电池续航能力较低。汽车行业应用：混合动力汽车、纯电动汽车。,二、纯电动汽车动力电池介绍,8,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。能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池。,优势：燃料电池是通过燃料与氧化剂的化学反应直接将化学能转变成电能，没有中间的能量转化环节，因而这种发电方式能量转化效率可高达50。燃料电池发电过程，机械部件很少，噪声低；化学反应的排出物主要是水蒸气等洁净的气体，不会污染环境。燃料电池中所使用的燃料，既可是天然气、煤气和液化燃料，也可以是甲醇、沼气乃至木柴。劣势：燃料电池造价偏高。如功率100瓦相当于1.8L排量的氢燃料电池汽车，仅氢燃料电池组的成本就接近100万元人民币；北京市引进的三辆“零排放”燃料电池公交车，每辆成本更是高达千万。氢气储存技术、氢燃料基础建设不足等。,二、纯电动汽车动力电池介绍,9,锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池，是现代高性能电池的代表。锂电池目前在汽车行业里应用最为广泛，发展前景广阔，未来电池发展可能在锂电池上突破；主要有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂及三元材料电池，下文着重介绍锂电池。1970年美国人M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂离子电池。优势：单体电池工作电压高达3.7V，是镍镉电池，镍氢电池的3倍，铅酸电池的近2倍。重量轻，比能量大，高达150Wh/Kg，是镍氢电池的2倍，铅酸电池的4倍。体积小，高达到400Wh/L，体积是铅酸电池的二分之一到三分之一。循环寿命长，循环次数可达1000次，使用年限可达3-5年，寿命约为铅酸电池的两到三倍。自放电率低，每月不到5%。无记忆效应，可以随时随地进行充电。无污染，锂电池中不存在有毒物质，因此被称为绿色电池。劣势：电池高温或低温性能差，电池性能衰减严重等。汽车行业应用：涵盖纯电动车、油电混合车、电动摩托车、电动自行车等。,二、纯电动汽车动力电池介绍,10,锂离子电池现阶段内更符合动力电池的需求标准。,注：比能量和比功率，分别代表电池的可持久性（续航里程）和力量大小（加速性能）。,动力电池性能比较,二、纯电动汽车动力电池介绍,11,目录,新能源动力电池分析,一、动力电池概述,二、纯电动汽车动力电池介绍,三、锂离子电池性能分析,附件一、锂离子电池介绍,附件二、动力电池生产企业及产品分析,12,锂离子电池组成成分主要包括正极、负极、隔膜和电解液四大类材料，其中正极材料是锂离子电池中最为关键的原材料，直接决定了电池的安全性能和电池能否大型化，约占锂离子电池电芯材料成本的30%-40%左右。锂电池的分类主要依据电池的正极材料，根据锂电池正极材料对锂电池进行命名（如钴酸锂电池，锰酸锂电池等），目前常用的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂四种；负极材料一般采用碳类材料及钛酸锂。,锂离子电池主要材料构成,三、锂离子电池性能分析,13,不同正极材料锂离子电池性能比较,三、锂离子电池性能分析,14,磷酸铁锂安全性好，中国企业以磷酸铁锂为主。锰酸锂能量密度高，未来在效率提升上较有发展，日韩企业以锰酸锂和三元材料为主。,中日韩美动力电池企业采用不同的材料体系,三、锂离子电池性能分析,15,目前影响电动汽车商品化和实用化进程的关键因素是电动汽车的续驶里程和电池的使用性能(包括电池的充电时间、安全性、价格和使用寿命等)。在选择电池的容量时，既要满足汽车的续驶里程的设计要求，又要考虑整车的空间结构和底盘承载能力；磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料是目前在纯电动客车领域已经产业化的三种正极材料，各有优缺点，各有支持者。比克、比亚迪、力神和ATL被称为锂电行业四大巨头，仅比克以三元材料电池为基础，其它三家均坚持磷酸铁锂路线；锂离子电池，尤其是把磷酸铁锂作为正极材料的技术路线，产业化配套逐步成熟、产业渐成规模、技术水平逐步提升，性价比较高，再加上其他材料动力电池的应用经验不足，因此，磷酸铁锂电池是目前纯电动客车配套使用最广泛的的电池类型，达到80%以上；,小结,三、锂离子电池性能分析,16,目录,新能源动力电池分析,一、动力电池概述,二、纯电动汽车动力电池介绍,三、锂离子电池性能分析,附件一、锂离子电池介绍,附件二、动力电池生产企业及产品分析,17,最先实现商品化的锂离子电池优势：生产工艺简单、放电电压高、充放电电压平稳、比能量高等优点，在小型消费品电池领域中具有重要应用。劣势：成本高，且不利于环保。钴资源短缺价格昂贵，并且钴有放射性，不利于环保。比容量利用率低。电池正极实际利用比容量仅为其理论容量274mAh/g的50%左右。电池寿命短。钴酸锂的循环寿命一般只有500次左右，因为其抗过充电性能较差，轻微过充即可引起电池循环寿命迅速降低，不适合用于电池组。安全性差。钴酸锂电池剧烈过充可能发生锂枝晶短路，引起安全事故。由于安全问题和高昂的价格，钴酸锂正极材料始终没有完全进入动力电池领域。Tesla旗下首款车型Roadster推出时使用的是18650钴酸锂电池，特斯拉采用钴酸锂电池的一个重要原因是：电池能量密度高。但其第二款量产车型ModelS使用的是松下定制的三元材料电池，即镍钴铝三元正极材料电池。钴酸锂电池成本高的特征在Tesla前后两款车型的对比中表现得十分明显。ModelS使用的电池数量达到8000以上，比Roadster高出一千多节，但是成本却下降了30%，这正是得益于三元电池较好的成本控制。,附件一：锂离子电池介绍,18,较有前景的锂离子正极材料之一优势：相比钴酸锂等传统正极材料，锰酸锂具有资源丰富、成本低、无污染、倍率性能好等优点，具有较高的氧化还原放热稳定性，充放电循环300多次后，容量保持率仍达到90%以上，在工业化成熟度、成本、一致性上，远优于磷酸铁锂，是理想的动力电池正极材料，因此多用于和其它材料混合使用，以降低电芯成本。劣势：比容量较低，这是由锰酸锂电池制备过程决定的，在电极制备中有LiMn2O4与碳黑和粘结剂的混合，这使得其120mAh/g的比容量要丧失20%左右。寿命相对短，循环寿命衰减较快。高温性能较差。材料本身电化学稳定性较差，容易分解产生气体，发生鼓胀。耐热冲击和穿刺能力强，但短路会引起防爆膜破裂，而过充则会发生起火、爆炸。新能源汽车要想获得市场认可，安全性至关重要。新能源汽车生产企业宁愿放弃一定的技术性能，也要确保产品的安全性能。因此，锰酸锂要想赢得市场，还需要在安全性领域加大研发。,附件一：锂离子电池介绍,19,可能成为将来市场的主流一般是指镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2），是以镍盐、钴盐、锰盐为原料制备而成，其含有镍钴锰的比例可以根据实际需要调整。优势：三元材料综合了钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂三类材料的优点，由于存在明显的三元协同效应，使其综合性能优于单组合化合物，且价格便宜，合成容易，被认为是最有可能取代目前商用钴酸锂的新型正极材料，也是现今锂离子电池研究的一大热点。与钴酸锂正极材料相比，三元材料具有价格优势，同时在循环稳定性、热稳定性和安全性能上有所改善，具有广阔的市场前景。劣势：其应用主要受到钴价格的影响，当钴价格处于高位时，三元材料价格较钴酸锂低，具有较强的市场竞争力；但当钴价格处于低位时，三元材料相较于钴酸锂的优势就大大减小。虽然三元材料有很高的比容量，但压实密度不高的“硬伤”决定了其能量密度一直无法超越钴酸锂；三元材料高温易胀气的问题也一度让业内人士头疼不已。因循环寿命不长和用于动力电池的安全性（很难通过针刺和过充等安全性测试）尚未得到根本解决，因而与磷酸铁锂电池比较处于劣势。,附件一：锂离子电池介绍,20,目前最理想的正极材料电池锂离子动力电池的性能主要取决于正负极材料，磷酸铁锂作为锂离子电池材料是近几年才出现的，国内开发出大容量磷酸铁锂电池是2005年7月。其安全性能和循环寿命是其它材料所无法相比的，这也正是动力电池最重要的技术指标。优势：超长寿命：在室温下1C充放电循环2000次，容量保持率80%以上。安全性高：不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧。环保且不需要稀有金属。劣势：导电性差、锂离子扩散速度慢。高倍率充放电时，实际比容量低，这个问题是制约磷酸铁锂产业发展的一个难点。一致性问题严重。单体磷酸铁锂电池寿命目前超过2000次，但是制作出来的电池一致性不佳，进而影响到电池组的使用性能和整体寿命，因此应用在动力汽车上存在一定障碍。低温性能差。磷酸铁锂材料的固有特点，决定其低温性能劣于锰酸锂等其他正极材料。当工作温度低于-20，其电池容量大幅衰减。,附件一：锂离子电池介绍,21,钛酸锂电池锰酸锂、三原材料、磷酸铁锂等电池分类是按照正极材料区分，这些电池的负极一般采用碳类材料，而钛酸锂电池的负极材料采用的是钛酸锂。钛酸锂区别于其它传统电池的特点在于它具有出色的快速充电性能和超过万次长寿命性能。不过成本较高和在实际使用中会发生胀气现象是钛酸锂电池的最大短板。总结：钛酸锂电池是目前快充模式的首选技术路线；多元复合锂电池多元复合锂电池采用微宏专利技术的多孔复合碳作为负极材料，弥补了快充型钛酸锂电池能量密度不高与能量型磷酸铁锂、三元电池不能快充的缺点，区别于磷酸铁锂纯电动车辆需装配全天所需电池、钛酸锂纯电动车辆需频繁进站充电的方案。采用多元复合锂电池只需载半天运营所需电池，在上午运营结束后，午间15分钟快速补电一次即可满足全天满勤运营（晚间回到站场则可选择快充或利用电网波谷电慢充）。为纯电动车产品真正达到公交运营的实际需求提供了革新性、更可行、更经济的解决方案。总结：多元复合锂电池是未来快充模式的理想技术路线，但目前技术尚未成熟，配套纯电动客车还处于试运行阶段。,附件一：锂离子电池介绍,22,目录,新能源动力电池分析,一、动力电池概述,二、纯电动汽车动力电池介绍,三、锂离子电池性能分析,附件一、锂离子电池介绍,附件二、动力电池生产企业及产品分析,23,成立日期2002年5月,投资规模注册资本：5600万元,产品结构32650及26650、22650、18650等型号磷酸铁锂电池、电池组，动力系统集成,占地面积生产场地8万平方米,员工构成员工人数：1300余人研发人员：300余人,产能日产10万支5AH磷酸铁锂电池，约200万WH的生产能力,客车合作伙伴深圳五洲龙安徽安凯山东沂星厦门金旅南京金龙一汽客车南车时代扬州亚星北汽福田恒通客车成都客车,营业收入3亿元（2011年）,附件二、动力电池生产企业及产品分析,24,主要类型磷酸铁锂电池技术参数,附件二、动力电池生产企业及产品分析,25,企业/产品优势“八个一致”装配原则。确保电池组中各串电池性能指标完全一致，从而确保电池组的高度稳定性及安全性，并显著延长电池组寿命；“纵向过流、横向保护”功能。同时通过独特的连接设计，有效避免电池反击、寿命减损等问题，有效保护每一个并联单体电芯，确保电池组结构的最佳性能；通过针刺、振动、短路、挤压、整车碰撞、自由跌落等多项安全测试，电池组不冒烟、不起火、不爆炸；自主研发BMS电池管理技术，率先使用主动无损式均衡功能；组合灵活多样，可根据客户需求任意配置；沃特玛磷酸铁锂电池采用国际成熟的圆柱型结构设计，并以最佳的电池材料和最优化的工艺配方，生产出高一致性和高稳定性的单体电芯。,附件二、动力电池生产企业及产品分析,26,成立日期2000年4月,投资规模注册资本：5000万元,员工构成员工人数：1000余人,产能年产9000万Ah,客车合作伙伴北汽福田中通客车郑州宇通上海申沃中通客车厦门金龙苏州金龙大连客车广汽客车东风客车尼奥普兰,营业收入3.2亿元（2012年）净利润813.7万元,占地面积100亩,产品结构能量型动力电池、电池组；功率型动力电池、电池组；储能电池,附件二、动力电池生产企业及产品分析,27,主要锂电池产品技术参数,附件二、动力电池生产企业及产品分析,28,企业/产品优势盟固利是国内唯一实现规模化生产电动汽车用大容量锰系动力电池的生产厂家，公司率先在世界上实现了大容量锰系动力电池的规模化应用；对核心技术体系有用完全自主的知识产权；成功为北京奥运会、上海世博会、广州亚运会的纯电动公交车提供锂离子动力电池。,附件二、动力电池生产企业及产品分析,29,附件二、动力电池生产企业及产品分析,成立日期1997年12月,主要股东中国海洋石油总公司42.16%国投高科技投资有限公司14.03%天津蓝天电源公司11.23%普天新能源有限责任公司11.18%,投资规模注册资本：12.5亿元总资产：60亿元,占地面积40万平方米,员工构成员工人数：6000人学士及以上：1000人,产品结构及产能圆型、方型、聚合物电池、动力电池、光伏、超级电容器等年产能力5亿Ah锂离子电池,客车合作伙伴一汽客车东风汽车深圳五洲龙北汽福田山东沂星金龙联合金华青年广汽集团郑州宇通天津客车装配厂,营业收入30亿元（2012年）净利润1.46亿元,30,动力电池主要产品型号及参数,附件二、动力电池生产企业及产品分析,31,企业/产品优势天津力神进入动力电池领域的优势：丰富的小型高端锂离子电池制造经验及生产能力；雄厚的动力电池技术储备；政府支持及雄厚的资金。动力电池系统性能1.安全性多冲几多级保护；电压、电流、温度、防水、碰撞、翻滚、排气等保护；电池组热量失效监控；高压绝缘与底盘绝缘；故障保护。2.可靠性热量管理（风冷与水冷系统、温度控制）；数据备份；电池均衡；稳健设计。,附件二、动力电池生产企业及产品分析,32,成立日期2006年5月,参股机构深圳金涌泉上海显实珠海国轩贸易蚌埠皖北金牛等,产能1000吨磷酸铁锂正极材料生产线年产1.25亿AH的电芯生产线及配套的电池成组生产线,投资规模注册资本：2.02亿元占地面积：270亩,员工构成员工人数：1100人专职研发：150人,产品结构磷酸铁锂正极材料、储能电池和动力型铁锂电池、电池组、BMS管理系统、电动汽车电池远程监控系统,客车合作伙伴上海申沃南车时代安徽安凯山东沂星南京金龙金龙联合湖南江南东风扬子江,营业收入6亿元（2012年）净利润1亿元,附件二、动力电池生产企业及产品分析,33,主要动力电池产品技术参数,附件二、动力电池生产企业及产品分析,34,企业/产品优势合肥国轩高科动力能源有限公司成立于2005年6月，2012年11月份进行股份制改造，注册资本为1.74亿元，主营业务集中在磷酸铁锂正极材料、BMS管理系统以及储能型和功率型铁锂电池等领域；合肥国轩高科是由珠海国轩贸易有限公司和合肥国轩营销策划有限公司发起设立。经过转股和配股，现在股东数量已经超过了4个；公司设有研究院，由17名博士领衔的120余人研发团队，截止2013年2月20日，合肥国轩在中国拥有139专利，发明专利76项，实用专利51项，外观专利12项；2011年，合肥国轩高科的营业收入为2.25亿元。2012年，公司顺利为江淮汽车生产的第三代纯电动轿车供应了2700套电池，营业收入突破6亿元。公司的目标是实现碳酸锂提取、锂电池材料、锂电池生产的纵向一体化。,附件二、动力电池生产企业及产品分析,35,成立日期2009年9月,主要股东中国航空工业集团公司中国空空导弹研究院四川成飞集成科技股份有限公司中航投资控股有限公司等,投资规模注册资本：8亿元占地面积：575亩总资产：20亿,产能年产能6000万Ah,员工构成员工人数：1600人学士及以上：550人,产品结构磷酸铁里动力电池、家用储能电源模块、移动电源系统、储能电源模块、电动大巴车标准模块等,客车合作伙伴郑州宇通河南少林湖南江南江苏常隆上海万象桂林客车厦门金龙宁波神马长春华奥四川汽车江西博能上饶客车,营业收入2.6亿元（2013年）,附件二、动力电池生产企业及产品分析,36,主要类型磷酸铁锂电池产品技术参数,附件二、动力电池生产企业及产品分析,37,企业/产品优势单体容量大：产品从40AH500AH，同时可批量生产更大容量电池；低温性能优异：下侧图分别是SE180AHA在-20条件下，0.3C和1C放电时测量得到的放电特性