汽车用动力锂离子电池发展现状时间

汽车用动力锂离子电池发展现状时间

1车用锂离子电池材料

1. 1理想的车用锂离子电池正负极材料要求

电池材料的物理结构和化学组成决定了它的性能,理想的车用锂离子电池材料应具备以下特征: (1) 具有层状或隧道的晶体结构,以利于锂离子的嵌入和脱出,以保证锂离子电池的循环寿命;(2)充放电过程中,应有尽可能多的锂离子嵌入和脱出,使电极具有较高的电化学容量; ( 3)在锂离子进行嵌脱时,电池有较平稳的充放电电压; (4)锂离子应有较大的扩散系数,以减少极化造成的能量损耗,保证电池有较好的快充放电性能; (5)材料应价格便宜,对环境无污染,质量轻,可回收。

1. 2车用锂离子电池正极材料

目前锂离子电池正极材料主要有:锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、磷酸铁锂等,负极材料主要有石墨、钛酸锂等。不同锂离子电池正极材料性能比较见表1。

从整车安全和电池成本考虑,磷酸铁锂是最有可能在汽车用动力电池上应用的锂电池正极材料,其优点有:

(1) 安全性好:稳定,即使在过充电情况下也不会产生游离氧,不和电解液反应; 可以放电到0 V,电池无大的损伤;与有机电解液反应活性低;热力学稳定状态, 400 ℃以下无变化。

(2) 稳定性高:充放电过程中,晶体结构不会发生变化;三维结构, L i +二维移动,利于锂的嵌入;充电电压低,电解液更稳定,电池副反应少;循环寿命长。

(3) 环保:整个生产过程清洁无毒,所有原料都无毒。

(4) 价格便宜:磷酸盐采用磷酸源和锂源以及铁源为材料,价格便宜。

但磷酸铁锂材料也存在以下缺点:

(1) 导电性差:磷酸铁锂不能得到大范围应用的主要问题,需往磷酸铁锂颗粒内部掺入导电碳材料或导电金属微粒,或颗粒表面包覆导电碳材料,提高材料的电子电导率。

(2) 振实密度较低:一般只能达到1. 3～1. 5,该缺点决定了在小型电池如手机电池等没有优势,主要用来制作动力电池。

(3) 电压平台低:一般为3. 2 V。

目前锂铁电池正极生产技术有以下三种: (1)在粉体颗粒表面以碳元素涂布; (2)用金属氧化物包覆颗粒;

(3)采用纳米制程技术细化材料颗粒,使之微粒化。

2车用锂离子电池系统

车用锂离子电池系统一般由电芯及电池组、电池管理系统(BMS) 、高压电安全系统(直流接触器、熔断器、预充电电阻) 、冷却系统和检测单元(电流传感器、电压传感器和温度传感器)等组成,如图1所示。

2. 1电芯及电池组

一个典型的锂离子电芯主要包括正极片、负极片、正负极集流体、隔膜纸、外壳及密封圈、盖板等,常用电芯形状主要有圆柱形和方形。

为了满足整个电池系统的电压、能量和功率要求,电池组一般是由若干个电芯按照串联或并联的方式组合起来,每个电芯之间由导线连接,同时,为了对电芯的温度、电流、电压、荷电状态(SOC)等信息进行实时监测,又可以把电池组分成若干个模块,各电芯和模块之间以一定方式科学合理组合,保证整个电池组的电性能、热平衡和散热要求。

2. 2电池管理系统BMS

电池管理系统(BMS)用来监控和保护电池的运行状态,应该能精确检测电池的参数,包括:单体电压、模块电压、电流、温度。利用电池模块和电池系统的信息计算并报告荷电状态SOC,寿命状态SOH ( State Of Health) ,当前可用充放电功率,并执行对接触器的控制。BMS系统由BMU(Battery Module Unit,又名

CECU, Center Electronic Controller Unit) , CSC (Cell Supervising Circuit,又名LECU, Local Electronic Control Unit) 、接触器、预充电电阻、保险丝、电压传感器温度传感器,以及电流传感器等模块组成。图2显示了电池及其管理系统与外部连接的典型例子。

在BMS中, CSC主要功能有:

(1) 单体/模块电压采集:一个模块由若干个电池单体串并联组成,并由一个CSC监控,每个CSC采集模块内各个单体的电压和整个模块的电压;

(2) 模块内平衡: CSC根据判断模块内各个单体的电压,通常是通过电阻放电的形式,消除模块间容量的差异;

(3) 电池模块温度检测: CSC测量若干点模块内电池的温度;

(4) CAN通信: CSC将采集到的数据上传给BMU。

BMU主要功能有:

(1) 系统电压测量: BMU采集整个系统的总电压;

(2) 电流测量: BMU采集整个系统的电流,通常通过分流器( shunt)或者霍尔器件(Hall) ;

(3) 绝缘检测: BMU 测量电池组对车身地(vehicle chassis)之间的绝缘电阻,可通过三电压法等方式;

(4) SOC预测功能:在实时充放电过程中,能在线监测电池组容量,能随时给出电池组整个系统的剩余容量百分比;

(5) SOH预测功能:根据实际的运行累积状况,给出蓄电池组的当前容量,内阻,循环寿命,日历寿命等;

(6) 可充放电功率计算: BMU通过不同SOC,温度来计算当前整车可以放电和充电的功率;

(7) 故障保护:过电流、过压、欠压、过温、单体间电压/温度不平衡。在以上故障出现时, BMU通知给VMS整车管理系统,请求降功率运行或关断充放电回路;

(8) 预充电: BMU在闭合高压接触器时,先对高压母线预充电;

(9) 模块间平衡: BMU通过命令控制CSC,来补偿不同模块间的容量差异;

(10) 热管理: BMU通过电池温度,实现对散热装置的控制(如风冷,控制风扇的转速) ;

(11) 通讯功能: BMU采用CAN总线的方式分别与子系统模块、VMS整车管理系统及充电器进行通讯;

(12) 充电器控制: BMU控制充电器的输出,并监测整个充电过程。

2. 3电池安全及高压电

2. 3. 1电池安全

对于车用锂离子电池,国标和美国先进电池协会(USABC)有严格的滥用性能测试要求及测试项目。滥用测试性能等级要求从1到7级,当等级大于2级,电池即遭到了不可修复的损坏。滥用测试项目分为3大类,包括机械、热和电滥用总共16个项目。每个量产的电池产品都必须完成以上滥用测试。

如果车用锂离子电池系统使用不当,如过充、过放、过热、碰撞等条件下可能产生以下安全隐患: (1)内部短路,应用钴酸锂的锂电池在过充时(甚至正常充放电时) ,锂离子在负极堆积形成枝晶,刺穿隔膜,形成内部短路; ( 2)产生大电流,包括外部短路时,电池瞬间大电流放电,产生巨大热量,内部短路,隔膜穿透,温度上升,短路扩大,形成恶性循环; (3)气体排放,如有机电解液在大电流,高温条件下电解,产生气体,导致内压升高,严重时冲破壳体; (4)燃烧,金属锂在壳体破裂时与空气接触,导致燃烧,同时引燃电解质发生爆炸。如图3所示。

因此在设计车用锂离子动力电池系统时,应从电池材料(包括正负极材料、隔膜、电解液)、电芯的设计和制造(包括电池结构、安全设计、均一性)、电池系统的安全功能(包括电池管理系统、热管理系统、高压安全、外壳等)、整车安全功能等不同层面进行研究和分析,确保其在车上的安全使用。

2. 3. 2高压互锁回路HVL

车用锂离子电池系统设计时,电池管理系统要提供一个手动开关,手动开关内部集成主回路的保险丝及主回路的高压互锁电路。当手动开关从电池系统中拔出,此时要保证电池系统的输出端没有任何潜在的

危险电压。电池管理系统同时要为充电器提供另一个高压互锁电路。电池管理系统要实时监控高压动力母线以及充电器的高压互锁电路,电池管理系统提供高压互锁电路的输出源,同时在CAN网络上给出当前的高压互锁电路的监控信息。所有的高压部件都应提供高压互锁的连接装置,这些高压互锁连接装置通过串行方式进行连接。

2. 3. 3绝缘电阻测量

电池管理系统要实时测量高压动力母线正负极和车身的绝缘电阻状态,并通过CAN总线上报当前的绝缘电阻值。如果当前测量的绝缘电阻值小于设定值,如对于最高电压400V左右的系统,绝缘电阻为400 K Ω时,电池管理系统要给出报警信号,如果当前测量的绝缘电阻值小于设定值,如200 KΩ,电池管理系统要给出危险信号并切断所有的主接触器。

2. 3. 4碰撞安全

车辆在行使过程中,碰撞是不可避免的。出于安全考虑,电池系统主回路上必须安装碰撞开关,且要求车用锂离子电池管理系统的正极、负极主接触器及预充电接触器的电源由碰撞开关提供。同时,电池管理系统需要控制正极、负极主接触器及预充电接触器的电源负极。

当碰撞开关断开后,正极、负极主接触器及预充电接触器的电源会被切断。

2. 4电池热管理系统

根据不同的油电混合程度以及纯电动续驶里程,车用锂离子电池系统无论是功率、能量还是体积、重量都有所不同。当车辆在不同运行工况下,电池系统由于其自身有一定的内阻,在输出功率、电能的同时产生一定的热量,使电池温度升高,当电池温度超出其正常工作温度区间时,必须限功率工作,否则会影响电池的寿命。为了保证电池系统的电性能和寿命,车用锂电池系统都必须具有热管理系统。在设计电池热管理系统时,一般的要求有:

(1)电池满功率工作的温度区间定义,电池降功率工作区间定义;

(2)电池低温启动性能要求;

(3)电池隔热功能;

(4)电池主动制冷和主动制热功能;

(5)制冷和制热方案,如风冷或液冷。

风冷方案设计主要考虑电池系统结构的设计,风道,风扇的位置及功率的选择,风扇的控制策略等。液冷方案设计主要考虑冷却管道,流场,进出口冷却剂的流量、温度、压降。水泵及整车空调压缩机的控制策略等。

2. 5电池系统外形设计及布置

根据汽车制造企业的要求进行设计,因不同的车型和可用空间大小要求而设计,形状可适当灵活设计,一般做成一个整体比较好,有利于电池的热管理,降低成本,提高电池的热均衡性,提高电池的寿命。对于乘用车,一般放置位置在车身底盘、车后座椅及后备箱之间或备胎空间里。

3车用锂离子电池系统主要国内外供应商

国外主要的车用锂离子电池供应商及主推体系、合作企业相关信息见表2。

从发展趋势看,大型动力锂离子电池企业与大型汽车公司合作开发车用动力电池系统已成为潮流。强强联手一方面将加强动力电池开发的资本实力,保障了产业化所需要的资金,另一方面加快了汽车与动力电池的接口融合,将加速其产业化。

4锂离子电池系统存在的技术难题和解决措施

锂离子电池是未来车用动力电池的首选技术。但锂离子电池仍然处于实验、限量生产水平,短期应用还存在风险, 锂离子电池应用到混合动力车上面临的主要挑战是产量和可靠性,包括寿命和潜在安全问题,从而导致电池生产商和汽车制造商同时面临很大的经济风险,很多化学和电池机构正在进行该项研究。如图4所示,对于混合动力车,使用寿命、工作温度范围和价格还有很大挑战,但在延长使用寿命方面已经

取得了显著进展并仍在继续。

对于电动车用电池, 使用寿命、工作温度范围和价格仍然有很大的挑战,另外能量密度和比能量也存在挑战,如图5所示。为了达到能量需求目标,在先进的电极方面必须有大的发展和突破。

另外,包括锂离子电池系统的高压安全、电池材料的回收、电池充电技术等也还面临着很大的挑战。

5展望

目前全球电动车电池技术发展有两大方向:一是从现有的二次电池加以改良,另一则是开发新的燃料电池。目前车用动力电池多数仍停留在价格相对便宜的铅酸电池等传统产品上,但随着技术突破和生产成本有效控制,锂电池质轻、续航里程长以及高能量密度和输出功率的优势逐渐浮现,长期来看将成为发展主流,整车厂与锂离子电池生产厂商合作共同开发电池系统是必然趋势。

但在锂离子电池系统本身存在的价格、寿命、安全等主要问题解决之前,其在新能源汽车上的大规模应用还需要2～5年。

锂电池现状：低端饱和高端不足

到2014年，全球汽车用锂电池市场的规模将上升至248亿美元，比2008年增长215倍。目前70%的锂离子电池应用于手机和笔记本电脑，随着混合动力车和电动汽车的普及，全球新能源汽车市场有望急速扩大，各国也开始加入到这场事关本国未来新能源汽车发展的“锂电大战”之中。目前世界上在新能源车技术上走在前列的是日本、德国以及美国。中国锂电池厂家虽然数量并不比国外逊色，但是真正能生产出高品质锂电池的企业并不多。

去年，上汽集团考察了全国的锂电池厂，最后下定决心和美国A123公司合作，原因就是在国内几乎没有能够满足汽车需求的电池。中国锂电池厂的规模并不小，例如，在锂电池技术领域，比亚迪、力神集团、深圳比克电池等企业，都置身于锂电池的深度研发。在新能源汽车领域，无论是上游还是中游和下游，国内已经涌现出一大批勇敢的“试水者”。其中，比亚迪、奇瑞、长安已经开始进入新能源汽车的产业化阶段，中游和上游企业如宁波杉杉、浙江万向、科力远（600478）和中信国（000839）、西部矿业（601168）等，也在加快步伐改进原材料的生产工艺水平，以提升质量，增加产能。但是，之所以还是会出现上汽事件，“那是因为中国的锂电池厂家基本上都是在低端电池上下工夫，真正迈入高端科技的厂家很少。”恒正科技苏州公司董事长董明如是说。究其原因在于，手机、笔记本用锂电池技术简单，而车用锂电池则是一项复杂的工艺。没有高额投资和先进的技术力量，成功研发车用锂电池很难。

目前业内的主流观点认为，新能源汽车将沿着“镍氢-锂电-燃料电池”产业化路径发展。因此，无论如何，锂电池都是必须经历的阶段。而中国现在的最大症结，董明认为是低水平重复建设。

1、一般来说，满足汽车需要的锂电池，成品率应该在60%以上，成品率能够达到80%的，就可以盈利，如果能达到90%的成品率，则可以实现40%的毛利。而国内如今的平均水平也只能达到60%的成品率，一旦新能源汽车大量生产，中国目前的锂电池市场是无法满足需求的。说到这里就不难理解，为什么明明未能满足需求的车用锂电池，却被专家称产能过剩。

2、国内现在做得较好的电池企业，当属比亚迪，它是目前国内唯一掌握车用磷酸铁锂电池组规模化生产技术的企业，该技术在世界上也处于领先地位，比亚迪纯电动车E6和混合动力车F3DM已正式推出搭载其自主研发的锂动力电池。但是，除了比亚迪、风帆股份（600482）这样少数的几家资金雄厚的企业外，如前所述，大多数的企业还都在低端领域徘徊，因此，中国的锂电池市场就变成了低端产能过剩，高端供不应求。

3、考察一个锂电池厂是否具备良好条件，除了资金实力之外，技术水平很重要。而考察技术水平一个重要的标准是，电池的材料和设备是厂家提标准还是供应商提标准。中国目前的市场现状是，基

本上都是供应商在提标准，因此厂家很被动，不能实现真正意义上的独立研发、创新。

4、一般而言，要想成功投资一家锂电池生产厂，高端的至少需要三五个亿，如今，中国是三五百万就起家了，很多人都想着等赚钱了再投资扩大规模。实际上，三五百万起家和三五个亿起家相差很远。人员、装备、技术、环境的差别，导致了中国的锂电池成品率低。日本之所以走在锂电池生产的前沿，是因为日本的设备后期维护人员都会参与到设备研发的环节，对设备的构造和应用了如指掌，而中国设备基本上都是依靠进口，就导致了后期管理的不完善，对设备的利用和保养不到位，使得电池的成品率也无法跟上，更别谈高端生产品牌竞争力，在中国目前这样的大环境下，后期成长较难。

5、除了资金和技术因素之外，对市场的了解和把握也决定着投资者投资的成败。比方说，原材料的购买，市场的需求能力等。十年前，美国、德国和日本就已经完成了锂电池革命，目前世界领先的技术都在这几个国家。如今他们想要转战中国市场，因此引来中国市场的热捧，对此，经济学家郎咸平一度称，这是一场阴谋。高污染的事都让中国做了，发达国家直接享受干净的电池，实际上是对中国资源的掠夺和环境的伤害

6、锂电池核心材料依赖进口也是中国企业面临的一个问题。目前锂电池的核心材料隔膜和电解质里的盐，中国都是依赖进口，这样的话，和国外相比，一是成本较高，二是如果出现断货，中国市场的大量生产就要受到影响。因此解决好这个问题，企业才能进一步生产。

7、另外就是资源，生产一台电动汽车，需要200斤左右的锂电池，需要耗费大约60公斤的磷酸铁锂，假设年产100万辆电动汽车，那么就需要6万吨磷酸铁锂，但是目前全球可查的磷酸铁锂产能是1500吨，因此缺口很大，让人们对未来不免有些担忧。正因如此，所以磷酸铁锂的利润很高，高达70%。

中国目前的锂电池生产主要集中在京津地区、山东、江西、深圳，去年最热的山东地区，如今也平静很多。董明称，只有投资，没有产出，让山东的投资看起来并不美丽。如今最热的江西地区也是，江西的优势在于有锂矿，但是如果管理、技术跟不上，锂电池产业园也无法让人乐观。

不过，就算锂电池市场有诸多的不如意，人们还是认为电动车的未来是值得期待的，是大势所趋。因此只要能掌握好投资要素，锂电池的风景应该还是不错的。