【车用动力电池参数数据库分析综述4700字】

在中国，不同类型的电动汽车所装载的车用动力电池类型与规格有所不同，为了便于统一计算，本研究采用中国电动汽车中销量最高的A0-A级汽车作为计算参考。同时，本研究考虑了低行驶里程的存在可能，由于交通事故、意外情况、电池失效等不确定事件的发生，可能使得车用动力电池在循环寿命终止前提前退役。本研究以年交通事故率为提前退役率，计入每年全体车用动力电池中可能出现意外情况的电池数量。在电池方面，根据中国的新能源汽车产业发展规划，目前磷酸铁锂电池和镍钴锰三元锂电池占据市场份额较大，且未来的发展空间巨大，因此本研究的参考电池选用了磷酸铁锂电池与镍钴锰三元锂电池。由于镍钴锰三元锂电池中正极材料Ni、Co、Mn的摩尔数比例不尽相同，故本研究对不同摩尔比的镍钴锰电池也做了比较，整体上采用目前发展进度中所占份额最大的NCM523电池作为宏观数据来源。车用动力电池(以NCM523为例)总质量(kg)能量密度(Wh/kg)一次电池循环寿命充放电深度(%)在表3.1中，本研究采用的电池能量密度是根据中国电动汽车百人会公布的BatPaC)的数据。电池容量主要根据汽车生产商对于A0-A级小型电动汽车公布的官方数据，并参照BatPaC模型的数据得到。根据电池能量密度及容量计算得到电池的质量。本研究中的一次电池循环寿命则是根据实验室数据进行假设得到，未来随着技术进步，循环寿命有望得到进一步提升。本研究中的充放电深度则是根据用户使用心理进行假设，假定用户在电量下降到最低20%时会选择进行充电直至满电状态。车用动力电池(以NCM523为例)总计石墨/碳粘合剂铜锻铝电解质：LiPF₆电解质：碳酸亚乙酯电解质：碳酸二甲酯塑料：聚丙烯塑料：聚乙烯塑料：聚对苯二甲酸乙二醇酯隔热层电子零件在表3.2中，本研究采用的数据参考了BatPaC模型中电池材料质量分布的数据，并根据中国的电池类型及能量密度做了总体质量的修正。在车用动力电池中，材料构成的核心是正极活性材料LiFePO₄及Li(Ni₁-x-yCoxMny)O₂,其质量占比约为整个电池的25%。在其余材料中，负极活性材料石墨的质量占比约为16%,锻铝的质量占比约为24%,一般用于集流体、极耳、轻量化的结构和外壳使用，铜的质量占比约为12%,一般用于集流体、极耳、制作导线和绕组使用。在车用动力电池各零部件及材料的质量分布基础上，需要根据各材料工艺的能源消耗情况计算全生命周期的能源消耗及排放结果。表3.3所示为各核心材料或零部件的制造及转化工艺，正极活性材料由于制造工艺仍在发展中故在后续特别介绍。其中钢铁、铝和铸铁包括了原材料矿石的生产环节和材料转化环节，塑料、铜等材料因为生产环节多样性大，故表中只包括了转化环节，计算时将包括生产环节焦炭生产球团高炉-转炉炼钢热轧切割电炉炼钢(回收钢)铝电解铝阳极生产氧化铝生产高密度聚乙烯管挤压压缩成型注塑成型聚氯乙烯压延聚丙烯部分成型高密度聚乙烯吹塑铜对钢铁来说，生产环节包括了铁矿石开采及精炼处理、焦炭生产、烧结、球团后通过高炉炼铁及转炉炼钢工艺，从而获得原始钢材。其中，BF-BOF工艺主要是针对原产钢，回收钢只需要通过EAF炼钢即可获得可加工的钢材。钢铁的转化环节包括了冲压、机加工、连续铸造、热轧、冷轧、切割后获得零部件所需要的各类钢材。对于铝，锻铝的生产环节包括铝土矿开采、电解铝阳极生产、氧化铝生产、铝金属冶炼、铝锭铸造等工艺，其中主要是通过电解工艺生产铝材料，且此工艺需要消耗大量的电能。铝材料的转化环节包括冲压、锻造、挤压、机加工等，这铸铁的生产工艺相对简单，主要是对铁矿石的开采与精塑料的转化环节较多，根据塑料种类的不同在明确各类材料的生产和加工转化工艺之后，本研究采终产物的各环节能源消耗数据。如表3.4与表3.5所示，前者是一些所占比例较高的材料分解到各个工艺过程的不同能源消耗，后者是其余材料(包括正极活性材料)的能源消耗数据。在表3.4中，应用比例指该工艺对于每吨该材料的应用比例，例如钢铁生产中，有90%需要通过冲压获得，有10%需要通过机加工获得，这两种工艺的应用比例分别为0.9与0.1。损失系数是由于材料在经过某工艺后可能会有损失，这一系数即为前文所述的产率的倒数，例如钢铁冲压的损失系数为1.34,意味着通过冲压产出1吨钢材需要在投入1.34吨的钢材进行冲压。主要原因是炼钢过程中需要大量的煤炭作为燃料以及大量的焦炭作为燃料和氧分别达到了7.2GJ和8.2GJ。高炉煤气和焦炉煤气是在生产焦炭和高炉炼铁过程2.6GJ和2.4GJ,其中焦炭主要是处理铁矿石用，由于对铁矿的处理与对钢铁生产的前期工艺基本是一致的，本研究采用了相同的数据并参考了GREET模型中铸造和锻造工艺的能源消耗数据[123]。车用铁的加工方式分为铸造和锻造，其中85%的铁通过铸造获得，15%通过锻造获得，而锻造工艺的能源消耗量远大于10倍。铝的生产过程中主要消耗的是煤炭和电力，49.4GJ,其中煤炭主要用于处理铝土矿，而电力的大量消耗是由于原产铝材料主要是中国铝生产加工工厂的能源消耗数据[134],同时也对标了的数据作为确认[123]。车用的铝材料也包括铸铝和锻铝，两者的区别主要是对造加工工艺损失系数为1.107,且需要消耗超过7.9GJ的天然气，相比之下机加的一种，13%的车用锻铝是通过冲压冷轧成型的，这一工艺的损失系数达1.38,6.8GJ和4.3GJ。本研究采用了中国炼铜工厂的实际生产数据[135],并参考了塑料种类繁多，塑料的详细分类对全生命周据各类塑料在动力电池上的质量分布对其加权平均计算，并参考了GREET模型(a)钢铁单位：MJ/t焦炭生产总计应用比例天然气焦炭应用比例煤电天然气焦炭油残渣汽油柴油高炉煤气(c)铝单位：铝材生产铸造成型(铸铝)机加工(铸铝)(锻铝)挤压成型(锻铝)应用比例煤电天然气焦炭油残渣汽油柴油高炉煤气煤电(e)塑料单位：MJ/t平均塑料生产总计应用比例煤电天然气焦炭油残渣汽油柴油高炉煤气焦炉煤气在表3.5中，列出的是其余材料总计每吨的能源消耗，包括正极活性材料、石墨、粘合剂、电解液：LiPF6、碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯、保温层、冷却剂：乙二醇、电子零件等。表中这些材料的应用比例与损失系数已计入各项能源消耗正极活性材料生产的主要消耗能源为电力，NCM523的电力消耗达到了每吨243.7GJ,LFP的电力消耗为每吨232.9GJ。这一数据来源为中国的电池生产企业[136],未来随着中国的锂离子电池技术不断发展，三元材料NCM中的摩尔比将会继续变化，其全生命周期能源消耗也会受到影响而改变。乙二醇、电子零件等材料的国内相关工艺研究较少，本研究中直接采用GREET模型中的数据。由于其占比相对较小，因此其因中美技术水平差别而对最终计算结果影响的误差值也较小。(a)电池相关固体材料单位：MJ/t保温层电子零件煤电天然气焦炭油残渣汽油柴油高炉煤气焦炉煤气(b)电池相关液体材料单位：MJ/t粘合剂乙二醇碳酸亚乙酯碳酸二甲酯煤电天然气焦炭除了材料以外，还要考虑动力电池装配到电动汽车上消耗的能源，如表3.6所示。NCM电池的装配和LFP电池的装配的能源消耗均为电力与天然气消耗，由于LFP的电池质量较大，故装配的能源消耗略高于NCM电池装配的能源消耗，其数据来源于一项针对电动汽车电池的全生命周期研究[139]。单位：MJ/块电