新能源汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā)涉及材料、化學(xué)、機(jī)械、熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、電學(xué)、系統(tǒng)與控制多個(gè)學(xué)科，其關(guān)鍵技術(shù)包括電池組配技術(shù)、熱管理技術(shù)、電能管理技術(shù)和安全管理技術(shù)等。車(chē)用動(dòng)力電池系統(tǒng)技術(shù)己成為電動(dòng)汽車(chē)走向普及的瓶頸，需要從材料開(kāi)發(fā)、電池設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、系統(tǒng)集成、商業(yè)模式等多方面進(jìn)行探索和突破。
1、新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的分類
新能源汽車(chē)動(dòng)力電池可以分為蓄電池和燃料電池兩大類，蓄電池用于純電動(dòng)汽車(chē)（EV），混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）及插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（PHEV）；燃料電池專用于燃料電池汽車(chē)（FaV）。
1.1蓄電池
蓄電池在純電動(dòng)汽車(chē)中是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)唯一動(dòng)力源，主要有鎳鍋、鎳氫和鋰離子電池等。目前，鋰離子電池處于高速發(fā)展階段，在諸如日產(chǎn)Leaf、豐田普銳斯plug-in、特斯拉Model S、通用Volt、福特Focus EV以及寶馬i3等新能源汽車(chē)上都采用鋰離子電池。此外，鋰資源較為豐富，價(jià)格也不貴，可以說(shuō)鋰離子電池是蓄電池中目前最被市場(chǎng)看好的動(dòng)力電池。4類蓄電池的性能比較見(jiàn)圖1。
1.2燃料電池
燃料電池是燃料與氧化劑通過(guò)電極反應(yīng)將其化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池不需要充電，具有比能量高、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)工作量少以及能連續(xù)大功率供電等優(yōu)點(diǎn)。另外，燃料電池汽車(chē)可達(dá)到與燃油汽車(chē)相同的續(xù)駛里程。
根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、溶融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池5類。目前，質(zhì)子交換膜燃料電池在燃料電池汽車(chē)中的應(yīng)用較多，是未來(lái)新能源汽車(chē)動(dòng)力電池領(lǐng)域極具競(jìng)爭(zhēng)力的電池類型。
2、新能源動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)概況
由于不同類型新能源汽車(chē)中，車(chē)用動(dòng)力電池的使用方式有較大區(qū)別，因此對(duì)于其性能要求有較大區(qū)別。HEV有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，更強(qiáng)調(diào)加速性能和爬坡能力，因此更注重電池的比功率（要求高達(dá)800一1 200 W / kg）；PHEV和EV完全以電池作為動(dòng)力，更強(qiáng)調(diào)充電后的續(xù)駛能力，因而更關(guān)注電池的比能量（要求達(dá)到100一160 Wh/kg）（見(jiàn)表1）。
由于各自性能、材料、成本等存在顯著差異，因此不同類型動(dòng)力電池的使用前景不同。目前技術(shù)最成熟的是鎳氫動(dòng)力電池，但商業(yè)化最成功的是鋰離子電池，燃料電池則被廣泛視作遠(yuǎn)期目標(biāo)。
當(dāng)前，動(dòng)力電池類別中增長(zhǎng)最快的是鋰電池。2012年以來(lái)，鋰電池行業(yè)保持高速增長(zhǎng)并加快了對(duì)傳統(tǒng)電池的替代。業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)，鋰電池的增長(zhǎng)速度依然能保持年均近25%且成本會(huì)不斷下降。
近幾年來(lái)，燃料電池技術(shù)也己取得了重大進(jìn)展。豐田、現(xiàn)代研發(fā)的燃料電池車(chē)也己處于上市的前夜。在國(guó)內(nèi)，上汽集團(tuán)的燃料電池車(chē)處于領(lǐng)先地位。2010年上海世博會(huì)期間該車(chē)型被用作貴賓接待用車(chē)。2011年，在德國(guó)柏林舉行的第十一屆必比登挑戰(zhàn)賽上，上汽集團(tuán)在燃料電池汽車(chē)組拉力賽中位列總分第三，僅次于豐田和奧迪。
目前，國(guó)內(nèi)外燃料電池的技術(shù)現(xiàn)狀見(jiàn)表2。
國(guó)內(nèi)外新能源汽車(chē)動(dòng)力電池發(fā)展及供求現(xiàn)狀
截止2014年8月，各大車(chē)企的燃料電池車(chē)尚處于試驗(yàn)驗(yàn)證狀態(tài)，還未有一款燃料電池車(chē)真正量產(chǎn)上市。下文將以市場(chǎng)上發(fā)展較快的鋰動(dòng)力電池為例，對(duì)其產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀進(jìn)行分析。
2.1新能源汽車(chē)動(dòng)力電池主流:鋰離子電池
在現(xiàn)有的新能源汽車(chē)動(dòng)力電池中，鋰離子電池生產(chǎn)成本相對(duì)較低，重復(fù)充電利用非常方便，相比其他可攜帶能源具有更高的成本優(yōu)勢(shì)。因此，這類電池成為了目前最受歡迎的動(dòng)力源（見(jiàn)表3）。
2.2鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
目前鋰離子電池的主要生產(chǎn)國(guó)是日本、韓國(guó)和中國(guó)。其中，日本和韓國(guó)占全球動(dòng)力電池市場(chǎng)近70 %，主要是因?yàn)槠鋵I(yè)分工明確，行政壁壘較少，整車(chē)廠和系統(tǒng)集成商的系統(tǒng)集成能力遠(yuǎn)高于中國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)商。
近年來(lái)，我國(guó)新能源汽車(chē)中使用鋰離子電池比例不斷升高，鋰電池市場(chǎng)空間廣闊。按照新能源汽車(chē)發(fā)展規(guī)劃路線，2015年國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量達(dá)到50萬(wàn)輛，混合動(dòng)力占全部汽車(chē)銷(xiāo)量的30 % ； 2020年，純電動(dòng)汽車(chē)將突破500萬(wàn)輛，以混合動(dòng)力為代表的節(jié)能汽車(chē)達(dá)到全部汽車(chē)銷(xiāo)量的75 %。
2.3鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
鋰離子動(dòng)力電池主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液和電池隔膜4部分組成（見(jiàn)表4）。
當(dāng)前正在使用和開(kāi)發(fā)的鋰電池正極材料主要包括鉆酸鋰、鎳鉆酸鋰、鎳錳鉆三元材料，尖晶石型的錳酸鋰，橄欖石型的磷酸鐵鋰等。根據(jù)正極材料分類發(fā)展鋰離子動(dòng)力電池路線主要有3條:改性錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰。目前鉆酸鋰依然是小型鋰電領(lǐng)域正極材料的主力，主要用于傳統(tǒng)3C （Computer， Communication和Consumer E-lectronic）領(lǐng)域等；三元材料和錳酸鋰主要用于電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域，在日本與韓國(guó)其作為動(dòng)力電池的技術(shù)較成熟；磷酸鐵鋰主要在國(guó)內(nèi)的動(dòng)力電池領(lǐng)域應(yīng)用，另外還用于基站和數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能、家庭儲(chǔ)能、風(fēng)光電儲(chǔ)能等領(lǐng)域。
鋰電池產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)如下趨勢(shì)。
?。?）鉆酸鋰將逐漸被三元材料替代。三元材料綜合了鉆酸鋰、鎳酸鋰和錳酸鋰三類材料的優(yōu)點(diǎn)，具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。雖然特斯拉旗下首款車(chē)型Roadster推出時(shí)使用的是18650鉆酸鋰電池，但其第二款量產(chǎn)車(chē)型Model S使用的是松下定制的三元材料電池，即鎳鉆鋁三元正極材料電池。鉆酸鋰電池成本高的特征在特斯拉前后兩款車(chē)型的對(duì)比中表現(xiàn)得十分明顯。Model S使用的電池?cái)?shù)量達(dá)到8 000節(jié)以上，比Roadster高出1 000多節(jié)，但是成本卻下降了30%。目前，高性能動(dòng)力鋰電池用NCM三元材料己在國(guó)外大量使用，但中國(guó)企業(yè)尚無(wú)量產(chǎn)產(chǎn)品出現(xiàn)。
?。?）錳酸鋰占比將上升。相對(duì)于鉆酸鋰正極材料，錳酸鋰具有原料豐富、價(jià)格低廉及無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)。層狀錳酸鋰LiMnO:用作鋰離子電池正極材料的缺點(diǎn)是雖然容量很高，但在高溫下不穩(wěn)定，而且在充放電過(guò)程中易向尖晶石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致容量衰減過(guò)快。錳酸鋰材料的應(yīng)用集中在消費(fèi)類電池市場(chǎng)，動(dòng)力電池以電動(dòng)自行車(chē)電池為主。
?。?）磷酸鐵鋰仍存較大技術(shù)提高空間。磷酸鐵鋰正極材料的低溫性能和倍率放電己經(jīng)可以達(dá)到鉆酸鋰的水平，目前同樣是有希望的動(dòng)力電池材料。但是受制于技術(shù)瓶頸，磷酸鐵鋰電池一致性和單位能量密度較低。在國(guó)內(nèi)，己有較為成熟的磷酸鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)，但目前中國(guó)磷酸鐵鋰材料產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展仍低于發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。
在動(dòng)力電池正極材料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，中、日、韓、美動(dòng)力電池企業(yè)采用不同的材料體系；中國(guó)企業(yè)以磷酸鐵鋰為主，日韓企業(yè)以錳酸鋰和三元材料為主。預(yù)測(cè)到20巧年三元材料在正極材料中的占比將上升至35 %錳酸鋰占比將上升至30%，而鉆酸鋰將下降至25% 。
2.4國(guó)外新能源汽車(chē)車(chē)載鋰電池廠商及其產(chǎn)品供求現(xiàn)狀2012年起，各大車(chē)企都陸續(xù)上市了PHEV和HEV。PHEV方面，繼豐田2012年1月開(kāi)始銷(xiāo)售“普銳斯PHEV”之后，2012年秋季至2013年初，本田推出新款雅閣的PHEV款、福特推出C-VIAX Energin和Fusion Energi、沃爾沃上市V60 PHEV等。HEV方面，德國(guó)廠商開(kāi)始逐漸全面推出產(chǎn)品。2012年，寶馬上市ActiveHybrid 5和ActiveHybrid 3戴姆勒上市E400 Hybrid和E300 B1ueTEC Hybrid大眾上市“捷達(dá)混合動(dòng)力車(chē)”。
與此同時(shí)，車(chē)載鋰離子充電電池市場(chǎng)也開(kāi)始形成，引領(lǐng)市場(chǎng)發(fā)展的正是EV用鋰電池。這是因?yàn)橐匀债a(chǎn)的聆風(fēng)為首，三菱汽車(chē)的i-MiEV、豐田iQ、特斯拉的Model S和寶馬i3等配備鋰電池的EV相繼上市的結(jié)果。
隨著電動(dòng)汽車(chē)全面投放市場(chǎng)，各家汽車(chē)廠商所使用的電池廠商陣容也變得豐富與明朗起來(lái)（圖2）。在車(chē)載鋰離子充電電池領(lǐng)域，除了獨(dú)立廠商韓國(guó)LG化學(xué)、三星和日立外，還有AESC，Lithium Energy Japan，Primearth EV Energy（PEVE）和Blue Energy等與汽車(chē)廠商合資成立的車(chē)載電池公司，并己向多家汽車(chē)廠商供貨。如，松下2012年起為福特的Fusion Hybrid和Fusion Energi分別供貨5 Ah單元和20. 5 Ah單元鋰離子充電電池；此外，松下還為特斯拉汽車(chē)的EV "Model S”和"Model X”供貨鎳鉆鋁酸鋰18650單體鋰電池。
日本電池廠商?hào)|芝的車(chē)載鋰離子充電電池負(fù)極材料采用欽酸鋰，具有安全性高、壽命長(zhǎng)、低溫特性出色的特點(diǎn)。缺點(diǎn)是單元的平均電壓只有2. 5 V左右，比以往的鋰離子充電電池低1 V以上。因此，配備200 } 400 V高電壓電池組的EV需要大量串聯(lián)電池單元，電池行業(yè)認(rèn)為“難以采用”。但實(shí)際上，該單元除了己經(jīng)用于三菱汽車(chē)的i-VIiEV和MINICAB MiEV的部分車(chē)型上，本田的“飛度EV”也己采用，因?yàn)樵撾姵氐腟OC即使在變動(dòng)較大的范圍內(nèi)使用也很少發(fā)生劣化，低溫特性較高、電池的極限值高等特點(diǎn)也適合EV使用。
在獨(dú)立的日本廠商中，日立車(chē)輛能源除了為通用的HEV "Lacrosse”和“Regal”供貨外，還為日產(chǎn)新一代HEV供貨。
美國(guó)廠商方面，美國(guó)A123Systems（被萬(wàn)向集團(tuán)收購(gòu)后更名8456 Systems）的鋰離子充電電池用于寶馬的ActiveHybrid 5和ActiveHybrid 3、美國(guó)菲斯克汽車(chē)的PHEV "Karma”以及新款EV "Spark EV”上。A123 Systems的鋰離子充電電池的特點(diǎn)是，正極材料采用磷酸鐵鋰（ LFP），向?qū)汃R供貨圓筒型單元，向菲斯克和通用供貨層壓型單元。
隨著鋰電池產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用，各公司在電池組設(shè)計(jì)方面的思想逐漸出現(xiàn)差異。豐田、日產(chǎn)和本田等日本廠商的電池組趨于采用空冷式，并盡量簡(jiǎn)化構(gòu)造從而降低成本，而歐美廠商大多傾向于采用水冷式，并以特定的小范圍管理單元的充電狀態(tài)和溫度。其中，德國(guó)廠商表現(xiàn)出了使單元容量和外形尺寸等標(biāo)準(zhǔn)化，從而實(shí)現(xiàn)各車(chē)型通用的想法。而豐田等仍然堅(jiān)持認(rèn)為，不同車(chē)輛的配備空間各不相同，應(yīng)該從多種單元中選擇最合適的產(chǎn)品配備，實(shí)現(xiàn)單元的標(biāo)準(zhǔn)化比較難。
3、我國(guó)動(dòng)力電池發(fā)展需克服的問(wèn)題
我國(guó)目前車(chē)用動(dòng)力電池技術(shù)路線選擇的是與美國(guó)相同的磷酸鐵鋰路線，但鋰電池技術(shù)整體水平仍落后于美國(guó)、日本。例如日本電池平均能量密度要高出中國(guó)平均水平的30% } 40%，充電次數(shù)也能達(dá)到中國(guó)的幾倍。我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚需克服以下問(wèn)題。
（1）知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題。磷酸鐵鋰的正極材料專利由美國(guó)德州大學(xué)Goodenough團(tuán)隊(duì)在1996年獲得。加拿大H-Q和Phostech則取得其獨(dú)家專利和商業(yè)授權(quán)。目前陸續(xù)發(fā)展出了敷碳、金屬氧化物包覆、納米化等改性和制備技術(shù)，藉此提高磷酸鋰鐵粉體的導(dǎo)電性，并派生出更多專利。因此，專利問(wèn)題是國(guó)內(nèi)磷酸鐵鋰制造企業(yè)難以避開(kāi)的問(wèn)題。
?。?）制造一致性問(wèn)題。電動(dòng)汽車(chē)所用的鋰電池都是串聯(lián)或并聯(lián)在一起，如果一致性問(wèn)題得不到有效解決，所生產(chǎn)的鋰電池也就無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)。
?。?）成組后安全性和壽命問(wèn)題。大功率充放電的大容量鋰離子動(dòng)力電池組，在苛刻的使用條件下更易誘發(fā)電池某個(gè)部分發(fā)生偏差，從而引發(fā)安全問(wèn)題。單體磷酸鐵鋰電池壽命可超過(guò)2000次，但由上百塊單體電池串并聯(lián)后，整個(gè)電池組的壽命可能只有500次，必須使用電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)電池組進(jìn)行合理有效的管理和控制。
（4）高能量和高功率兼容問(wèn)題。鋰離子動(dòng)力電池雖然具有高能量密度，可使電動(dòng)汽車(chē)勻速行駛更長(zhǎng)時(shí)間，但卻存在著起動(dòng)時(shí)功率不夠，啟動(dòng)加速較慢的問(wèn)題。在電化學(xué)體系中只有超級(jí)電容器才能獲得非常高的充放電倍率（1000 C），但其能量密度只有鋰電池的1 /20。若不輔以超級(jí)電容，尚無(wú)理想的高容量高功率動(dòng)力電池出現(xiàn)。
?。?）原材料篩選問(wèn)題。現(xiàn)在用于鋰電池生產(chǎn)的原材料不可能全部進(jìn)口，主要還是取自國(guó)內(nèi)。但是國(guó)內(nèi)的原材料要通過(guò)國(guó)際認(rèn)證，生產(chǎn)出的鋰電池才能被國(guó)際認(rèn)可，所以目前還需要解決在原材料認(rèn)證環(huán)節(jié)上所存在的一些問(wèn)題。
在燃料電池方面，要實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化，必須使其產(chǎn)生的電力成本（當(dāng)前為49美元//kW）低于或接近化石燃料的價(jià)格（30美元//kW）。除電池關(guān)鍵組件的優(yōu)化和組裝等基礎(chǔ)層面的難題外，還需要克服如下一些制約燃料電池產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)壁壘。
?。?）貴金屬成本。燃料電池產(chǎn)業(yè)化后，其生產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致貴金屬的資源短缺問(wèn)題。而當(dāng)前研發(fā)的替代型催化劑和多元催化劑還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)要求。（2）燃料電池堆的穩(wěn)定性。車(chē)用燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行壽命與國(guó)際水平還有很大差距，且燃料電池堆的低溫性能還有待提高。（3）燃料電池產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)設(shè)施必須建立和完善。在解決成本和性能穩(wěn)定性問(wèn)題后，還須建立一個(gè)可維持運(yùn)轉(zhuǎn)的液態(tài)氫技術(shù)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前我國(guó)氫燃料補(bǔ)給站僅60座左右，在氫能領(lǐng)域，我國(guó)缺少布局規(guī)劃，資金投入不足，且沒(méi)有制定清晰的路線圖和時(shí)間表。（4）進(jìn)一步加大政府支持力度。國(guó)家應(yīng)繼續(xù)加大對(duì)燃料電池研究機(jī)構(gòu)的扶持和重視，并鼓勵(lì)和引導(dǎo)有實(shí)力的企業(yè)進(jìn)入燃料電池行業(yè)，并運(yùn)用資本和政府投資的帶動(dòng)效應(yīng)，引起民間和國(guó)際資本的跟進(jìn)，全面進(jìn)入燃料電池產(chǎn)業(yè)。
CONTACT US
ICC APP
