【《车用动力电池参数数据库分析综述》4700字】

车用动力电池参数数据库分析综述在中国，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。表3.1本研究选用的车用动力电池整体参数车用动力电池磷酸铁锂电池镍钴锰三元锂电池（以NCM523为例）来源总质量（kg）232.2188.7计算获得能量密度（Wh/kg）116143汽车厂商公布参数[126]一次电池循环寿命10001000本研究假设充放电深度（%）最低20%最低20%本研究假设在表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电池技术路线图以及GREET模型中电池性能模型（BatteryPerformanceandCost,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。表3.2本研究选用的车用动力电池技术参数车用动力电池质量统一单位：kg磷酸铁锂电池镍钴锰三元锂电池（以NCM523为例）总计232.2188.7正极活性材料55.147.5石墨/碳32.129.7粘合剂4.64.1铜24.122.1锻铝53.645.0电解质：LiPF65.73.0电解质：碳酸亚乙酯15.98.5电解质：碳酸二甲酯15.98.5塑料：聚丙烯2.22.1塑料：聚乙烯0.70.7塑料：聚对苯二甲酸乙二醇酯0.50.4钢铁1.61.2隔热层1.10.9冷却液：乙二醇11.88.1电子零件7.06.9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，计算时将包括在内。表3.3主要材料生产与转化环节材料生产环节转化环节钢铁铁矿石开采冲压铁矿石精炼处理机加工焦炭生产热轧烧结冷轧球团切割高炉-转炉炼钢连续铸造电炉炼钢（回收钢）铝铝土矿开采冲压电解铝阳极生产铸造氧化铝生产挤压铝金属冶炼机加工铝锭铸造铸造铸铁铁矿石开采铸造铁矿石精炼处理锻造机加工塑料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铜线绕组对钢铁来说，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，这些加工环节大多是并列关系而非先后关系，用于加工成不同零部件需要的不同类型的铝材料。铸铁的生产工艺相对简单，主要是对铁矿石的开采与精炼，转化环节包括了铸造、锻造和机加工三部分，从而符合车用动力电池的材料要求。塑料的转化环节较多，根据塑料种类的不同包括了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、高密度聚乙烯吹塑等，从而将不同种类的塑料加工成零部件需求的材料。铜的加工转化主要是将铜线绕组，一般用于车用动力电池的导线。在明确各类材料的生产和加工转化工艺之后，本研究采集了所有材料每吨最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。钢铁的生产和加工转化中最大的能源消耗环节是炼钢环节，同时整个过程中主要消耗的能源是煤炭和焦炭，平均每吨消耗煤炭超过21.3GJ，焦炭超过12.1GJ，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化剂。在本研究中钢铁冶炼相关的能源消耗数据参考了《中国钢铁工业年鉴2018》[132]以及中国的钢铁冶炼工厂数据[133]，并与GREET模型中的数据做了对标参考。除此之外，钢铁冶炼过程也需要电力和天然气用于工艺中的设备能源需求，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中的产物，属于能源回收利用的过程，虽然总计消耗了1.5GJ左右，但并不需要额外输入，只是需要考虑其燃烧导致的碳排放。铁的生产和加工转化主要消耗天然气、焦炭和电力，分别达到了每吨5.7GJ、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铸造，每吨铁的锻造消耗超过34.3GJ的天然气，接近铸造工艺总能源消耗量的10倍。铝的生产过程中主要消耗的是煤炭和电力，两者分别达到了每吨45.5GJ和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通过电解工艺大量生产，这对电力的消耗是非常巨大的。本研究的数据来源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GREET模型中的数据作为确认[123]。车用的铝材料也包括铸铝和锻铝，两者的区别主要是对铝材的转化加工上工艺不同。铸铝需要通过铸造加工和机加工两道工序，其中铸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，相比之下机加工仅消耗每吨0.569GJ的电力。锻铝则需要通过冲压冷轧或挤压成型两道工序中的一种，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，高于钢铁的冲压工艺，极大地提高了锻铝的能源消耗，且这一工艺消耗的主要是电力和天然气，分别达到了每吨2.4GJ和6.5GJ。其他87%的锻铝通过挤压成型，这一工艺以消耗天然气为主，达到每吨5.5GJ。铜在动力电池上主要用于导线及绕组，其生产、加工转化工艺相对简单，且能源消耗主要来源于生产过程。铜的生产和加工转化以消耗电力为主，达到了每吨19.6GJ，其余的能源中主要消耗的是柴油、渣油和煤炭，分别为每吨9.5GJ、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GREET模型中关于铜线绕组相关的能源消耗数据。塑料种类繁多，塑料的详细分类对全生命周期分析区别较小，因此本研究根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模型中各类塑料的能源消耗数据[123]。塑料的生产及转化加工以消耗天然气为主，达到了每吨19.7GJ，其余还有电力和渣油消耗，分别达到了每吨5.3GJ和3.5GJ。表3.4材料生产转化各环节能源消耗（a）钢铁单位：MJ/t铁矿石开采精炼焦炭生产钢材生产冲压机加工总计应用比例1.0001.0001.0000.9000.100损失系数1.0001.0001.0001.3401.000煤0.00.016309.60.00.021300.3电1461.0115.23138.81206.8569.17202.1天然气204.90.030044540.10.08277.0焦炭0.00.09278.30.00.012117.4油残渣193.50.00.00.00.0252.7汽油2.20.00.00.00.02.8柴油29.90.00.00.00.039.0高炉煤气0.02421.90.00.00.01086.9焦炉煤气0.01101.60.00.00.0494.4（b）铁单位：MJ/t铁矿石开采精炼铸造锻造机加工总计应用比例1.0000.8500.1501.000损失系数1.0001.0001.0001.000煤0.00.00.00.00.0电1461.0324.01246.8569.12492.5天然气204.9447.734375.10.05741.7焦炭0.03105.00.00.02639.3油残渣193.50.00.00.0193.5汽油2.20.00.00.02.2柴油29.90.00.00.029.9高炉煤气0.00.00.00.00.0焦炉煤气0.00.00.00.00.0（c）铝单位：MJ/t铝材生产铸造成型（铸铝）机加工（铸铝）冲压冷轧（锻铝）挤压成型（锻铝）铸铝总计锻铝总计应用比例1.0001.0001.0000.1300.870损失系数1.0001.1071.0001.3801.000煤45551.50.00.00.00.050425.547801.7电49463.90.0569.12400.5640.155325.652776.3天然气0.07976.80.06530.85574.47976.85698.7焦炭0.00.00.00.00.00.00.0油残渣0.00.00.00.00.00.00.0汽油0.00.00.00.00.00.00.0柴油0.00.00.00.00.00.00.0高炉煤气0.00.00.00.00.00.00.0焦炉煤气0.00.00.00.00.00.00.0（d）铜单位：MJ/t铜材生产铜材加工转化总计应用比例1.0001.000损失系数1.0001.000煤4374.413.14387.4电17938.81718.519657.3天然气0.00.00.0焦炭0.00.00.0油残渣5927.5884.16811.6汽油0.00.00.0柴油9565.70.09565.7高炉煤气0.00.00.0焦炉煤气0.00.00.0（e）塑料单位：MJ/t平均塑料生产平均塑料加工转化总计应用比例1.0001.000损失系数1.0001.000煤433.30.0433.3电3660.31711.25371.5天然气19221.8562.619784.4焦炭0.00.00.0油残渣3565.60.03565.6汽油61.90.061.9柴油196.90.1197.0高炉煤气0.00.00.0焦炉煤气0.00.00.0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数据。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。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。表3.5材料生产转化环节总计能源消耗（a）电池相关固体材料单位：MJ/tNCM523LFP石墨保温层电子零件煤0.00.09611.00.00.0电243729.1232933.314695.23322.8127656.0天然气0.00.00.010318.088620.0焦炭0.00.00.00.00.0油残渣0.00.00.00.00.0汽油0.00.00.00.00.0柴油0.00.00.00.00.0高炉煤气0.00.00.00.00.0焦炉煤气0.00.00.00.00.0（b）电池相关液体材料单位：MJ