动力电池系统电芯选型分析对比报告.docx
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动力电池系统电芯选型分析对比报告
电芯选型分析对比
报告
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1综述4
2对比分析4
2.1单体性能4
2.1.1容量4
2.1.2电压5
2.1.3内阻5
2.2一致性5
2.3能量密度6
2.4安全性6
2.4安装性7
2.5寿命8
2.6成本8
2.7技术难关9
3总结11
1综述
根据制作材料的不同,新能源纯电动汽车所选用的动力电池也各式各样,目前应用
的主流选择是18650圆柱形锂离子电芯与层叠式锂离子电池。
本次电池包采用的是18650圆柱形锂离子电芯做为新能源电动汽车电池的技术路线,之所以采用18650圆柱形锂离子电芯,是因为它在各方面都有着其他类型电芯不可比拟的优势。
首先,我们从认识18650圆柱形锂离子电芯开始。
18650其实是指电池的外形规格,是日本SONY公司当年为了节省成本而定下的一种标准电池型号,其中18表示直径为
18mm65表示长度为65mm0表示为圆柱形电池。
18650电池原指镍氢电池和锂离子电池,由于镍氢电池现在比较少用,所以现在多指锂离子电池。
18650锂离子电池单节标
称电压一般为3.6V或3.7V,最小放电终止电压一般为2.5〜2.75V,常见容量为1200〜3300mAh下图为18650圆柱形锂离子电芯与一种方形层叠式锂离子电池。
18650圆柱形锂离子电芯层叠式锂离子电池
2对比分析
2.1单体性能
2.1.1容量
18650锂电池的容量一般为1200mah~3600ma之间,而一般电池容量只有800mah
左右,如果组合起来成18650锂电池组,那18650锂电池组是随随便便都可以突破5000mah的。
2.1.2电压
18650锂电池的电压一般都在3.6V、3.8V和4.2V,远高于镍镉和镍氢电池的1.2V
电压。
2.1.3内阻
聚合物电芯的内阻较一般液态电芯小,国产聚合物电芯的内阻甚至可以做到35mQ
以下,极大的减低了电池的自耗电,完全可以达到与国际接轨的水平。
这种支持大放电电流的聚合物锂电更是遥控模型的理想选择,成为最有希望替代镍氢电池的产品。
2.2一致性
18650电池是最早、最成熟、最稳定的锂离子电池,广泛应用在电子产品中。
多年来,日本厂商在18650电池的生产工艺上积累了大量的经验,使得产出的18650电池的
一致性、安全性都达到了非常高的水准。
业界有这样一段有趣的话:
如果你从日本某厂商直接购买了同一批次的电池,然后用你的电池充放电测试仪器去同时测试它们,如果发现不同通道测出的放电曲线不一样,你应该怀疑你的设备而不是电池的一致性。
相比之下,层叠式锂离子电池远远没有成熟,常见的有方形电池、软包电池,甚至连尺寸、大小、极耳位置等都不统一,电池厂商所具备的生产工艺也不能满足条件,大多数以人为控制为主,电池的一致性达不到18650电池的水准。
如果电池的一致性达不到要求,大量电池串、并联形成的电池组的管理也将不能让每个电池的性能更好地发挥,而18650电芯可以解决这一问题。
尽管18650电池的单体容量小,所需的单体数量会很多(本次电池包有4095只),但是一致性很好;层叠式电池的容量可以做得较大(20Ah到60Ah),单体数量可以降低,但是一致性差。
相比之下,现阶段很难投入大量的人力物力与电池供应商一起去改善层叠式电池的生产工艺。
并且,在研发本次应用于物流车的电池包的时候,我们的唯一选择就是从市场上去购买电池,自行开发电池系统。
开发一套管理4000多节单体一致性
很好的电池系统与开发一套几百节一致性很差的电池系统,相比之下,前者的技术难度应该更低一些。
即使单体电池数目增多,但是如果这些电池的性能是可靠的,管理起来还是容易一些。
所以,从一致性方面对比下来,采用18650电芯是合理的。
下图为多种
车用锂离子电池
方形电池三元电池软包电池
由图可见不同的车用锂离子电池尺寸外观等差异是很大的,难以保证一致性,换而言之,需根据具体设计指定生产电池,易形成供货渠道的单一性。
2.3
能量密度
锂离子电池的能量密度很高,它的容量是同重量的镍氢电池的1.5~2倍,而且具有很低的自放电率。
就单体电池的能量密度来看,18650电池要高于层叠式锂离子电池。
例如,日产LEAF所用的33Ah锂离子电池的能量密度是157Wh/kg,GMVolt所用的层叠式电池的能量密度约为150Wh/kg;特斯拉Roadster所用的18650电池的能量密度约为211Wh/kg。
并且,即使成组的安装之后18650锂离子电池组的能量密度会有所下降,但是在电池组层次,与层叠式锂离子电池相比,两者的能量密度仍然不相上下。
所以,在能量密度不输于层叠式锂离子电池的前提下,并且具备了大规模成组安装便利的优点,
采用18650圆柱形锂离子电芯是合理的。
下图为多种电池能量密度对比以及不同材料电池的性能。
不同材料电池容量与电压的关系
表1不同类型普电池对比
电池种类
电II;
5
(Wh/kR>
仃龙记忆%
.I-*1
1(}罷汚诛
料醜电池
2
200〜300
35〜40
400、
500
有
餵锚电池
1.2
150-
-:
祐0
40^60
600-
1200
仃有
锲爼堆池
1.2
1A0*■300
60〜R0
600〜
1200
无
操离子电池
3.6
250
-150
90〜1.50
W00〜
rooo
2%无
>1000
1"-20
100000
燃料电池
L2
500
■
輕无
2.4安全性
18650锂电池安全性能高,不爆炸,不燃烧,无毒,无污染,经过RoHS商标认证;各种安全性能一气呵成,循环次数大于500次;耐高温性能好,65度条件下放电效率达100%为防止电池短路现象,18650锂电池的正负极是分开的。
所以它发生短路现象的
可能已经降到了极致。
可以加装保护板,避免电池过充过放,这样还能延长了电池的使用寿命。
相比较之下,层叠式锂离子电池一般是采用铝塑膜封装的,而铝塑膜的厚度薄,机
械强度差,在汽车发生碰撞等极端情况下,铝塑膜很容易发生破损导致安全事故产生。
在应对这些18650电池可能出现的安全事故上,我们也可以采取很多办法。
例如,如果一个单体电池出现温度过高等异常情况,根据异常情况的恶劣程度,这枚电池或其所在的模组会断电以防止事故的蔓延。
由于单体容量小,只要不发生蔓延,事故的严重程度将是较低的。
下图展示了某次实验中18650锂离子电池的安全性能。
高温下电池表面温度变化短路时电池温度变化
此次试验结论:
以锰酸锂和包覆镍酸锂的复合材料为正极活性物质的18650型锂离
子电池具有良好的循环性、高温热稳定性和耐过充性,在短路实验中,也可满足安全性的要求。
随着LiMn2O4比例的增加,电池的安全性得到提高。
在设计电池时增加一些有效的安全装置(如PTC),安全性能更好。
2.4安装性
相对于一些指定电池规格的产品来说,18650锂电池的最大的优点就是他的体积已经固定好了。
无论是成组编排安装或者串并联组合成18650锂电池组都是非常方便的,
并且18650单体体积很小却电压高并且稳定,所以组合起来非常便利。
本次应用于物流车的电池包尽管使用了4000多颗18650圆柱形锂离子电池单体,但是体积却并不算过大,总体重量也完全符合国标规定。
下图为18650电芯成规模安装形成的模组以及层叠式锂离子电池的模组。
显而易见,18650成组安装非常可行,并不亚于层叠式锂离子电池的成组安装性。
2.5寿命
7'陆聲9*狂妁
18650电池寿命理论为循环充电要是锰酸锂大约500次循环,改性锰酸锂大约1000次,磷酸亚铁锂2000次,钛酸锂12000次。
但是随着技术的进步,工艺的不断完善,这个数值依然可以增加,足以满足开发电动汽车的需要。
下图展示了不同电极材料对电池寿命的影响。
Ino
2.6成本
随着人们对18650电池技术研究的不断加深,使得电池的一致性、安全性都达到了非常高的水准。
作为最早的锂离子电池,18650电池也是目前世界上最成熟、最稳定的电池组合,至今仍然占据领先位置。
我国每年生产18650电池约几十亿节,远远超出其
他材料的电池,所以在供货上是无需担心的,来源广泛。
若是放弃使用国内也已经技术成熟的18650锂离子电池而去选择只有国外技术实力雄厚的层叠式电池必然会导致价格壁垒。
并且工业生产有一个规模效应,当生产产品的规模达到一个量级之后,成本会大大降低。
一辆新能源汽车就需要成千上万节18650电池,因此单体的采购成本可控。
而相比较于层叠式锂离子电池,尽管层叠式电池的厚度薄、表面大,均热、散热能力都不错,但是层叠式锂离子电池目前来说工艺水准较低,并且从各方面得到的信息可以看出,美国、德国、日本、韩国走在电动汽车、动力锂离子电池技术开发的前沿;在产业布局方面,日本将在本轮汽车工业革命中占据显著的优势地位,这些国家的公司在层叠式电池上的技术较为成熟,对比国内拥有技术优势。
例如日产的LEAF作为一款很成功的纯电动汽车,采用的是层叠式锂离子电池,但这是因为日产与NEC合作多年,在
电池技术方面积累很深厚,在品质控制方面有相当的功力。
因此,如果采用层叠式锂离子电池容易形成供货渠道单一,价格过高,付出高昂的成本的同时,却仅仅只是达到与18650电芯等同的水准,这样对比下来,18650电芯在成本上有着巨大的优势。
下图展示了动力电池的产业链。
會周埼料主賢林料
崔电池半
;吒举制蓮齊
瞬件
动力锂离子电池产业链
2.7技术难关
动力锂离子电池目前的发展方向是使用三元材料,虽然锂离子电池工作原理虽然简单,但在实际生产中,需要考虑的问题还很多,:
正负极材料在电池充放电过程中要保持足够的结构稳定性,正极材料要具有良好的电导性,负极材料需要在分子结构上优化设计以容纳更多的锂离子,填充在正负极之间的电解液需要具有良好的导电性和出色的稳定性,隔膜需要具有很好的电绝缘性能和锂离子通过性能。
正极材料的采用仍是当前面临的最大技术难题,虽然有钻酸锂(LCO)、镍酸锂(LNO)、镍钻锰酸锂(NMC,简称三元材料)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)等多种选择,但是各自所具有的优劣势仍旧让致力于正极材料技术发展的研究人员难以抉择。
目前,AESC、LG化学、LEJ等企业以锰酸锂为主流材料,PEVE、JCS主要应用三元材料,比亚迪、中航锂电、万向电动车使用磷酸铁锂。
但是,日本和韩国在三元材料领域处于领先地位,日本厂商提供的三元材料品质在全球最好,美国3M公司掌握三元
材料核心专利。
隔膜也是一个技术难点,隔膜材料分为两大类:
聚合物隔膜和无纺布隔膜。
常用的聚合物隔膜大多采用微孔聚烯烃隔膜,因为聚烯烃化合物在合理的成本范围内可提供良好的机械性能和化学稳定性,而且具有高温自闭性能,能够加强电池的安全性。
无纺布膜又分为玻璃纤维、合成纤维和陶瓷纤维纸。
目前,隔膜材料的主流产品是以美国Celgard>日本宇部兴产以及日本旭化成为代表的经双向精密拉伸的聚乙烯、聚丙烯微孔薄膜和聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯三层微孔复合膜,孔隙率在40%左右,厚度在25〜40^m。
隔膜的性能直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性。
主要研究内容:
①采用控制隔膜的参数能够提高
电池容量、改善电池循环性能、以及隔膜的强度和渗透性;②采用混合方法制备隔膜
可以提高电池容量、隔膜的强度、以及电池的安全性;③通过在隔膜制备过程中掺入
无机颗粒,则可以实现改善电池的循环性能,提高电池的安全性以及提高隔膜的耐热性、强度以及渗透性;④通过形成多层隔膜可以提高隔膜的耐热性,同时也能实现防止电池短路、提高电池的安全性和循环性能以及隔膜的强度和渗透性;⑤通过共嵌方式形
成隔膜,贝U可以提高隔膜的耐热性、防止电池的短路,同时也能实现提高隔膜的强度和渗透性。
众所周知,隔膜是技术壁垒最高和国产化率最低的锂电池材料,至2013年,中国市场的高端隔膜产品仍需要大量进口。
我国目前的生产企业虽然为数并不少,也有少数企业取得了一些技术上的突破,如深圳星源材质在干法工艺上取得突破并实现量产,但是总体上仍处于低端产能严重过剩、高端隔膜依赖进口的状况。
下图展示了国内的正极材料主要生产单位
表丨国内主要正根材料生产单位
rahk11hemainposithematerialm^nulaclurersinChina
金业简称
产品
比亚迪
碼酸铁锂、钻酸锂
中倍国安盟固利
谥、披、钻锂电迪正扱
湖南杉杉
钻醴锂、锚螫锂
湖南瑞翔
钻酣锂.其他正极材料
北大先行
钻酸锂•磷酸铁锂
天津斯特兰
磷醴鉄迴
新乡中科
谥酸锂、鐵酸铁锋
深圳天骄
三元材料■磷酸铁锂
深圳贝特瑞
铺酸鉄锂
临沂杰能
锚醴锂、磷醴铁锂
湖南浩润
璘酸铁锂
宁波金和
三元材料、钻酸锂
结论:
本次应用于物流车的电池包开发必然是一个长期的产业,若是选用上述的层叠式锂离子电池或者三元材料电池等国内技术尚缺火候的产品,将会导致设计固定之后未来电池供货更换的困难,并且当行业技术取得突破时,若想要更新本产品必然形成巨大的困难,而选用18650圆柱形锂离子电池即无这方面的隐患,由于技术成熟,电池的热管理系统技术也成熟,设计的产品必然可靠稳定,不像层叠式锂离子电池或者三元材料电池,设计困难,并且技术难题很多,稳定性也难以保证。
所以从未来的发展趋势以及可靠性上考虑,18650锂离子电池仍然是目前的最有选择。
3总结
综合了上述多方面的考虑,采用18650圆柱形锂离子电芯确实是本次电池包设计的最优选择。
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