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1、第三章第三章 国内外电动汽车电池、电机及电控国内外电动汽车电池、电机及电控 等关键零部件产业调研等关键零部件产业调研 如图 3-1 为电动汽车系统关键零部件互联框图， 电动汽车关键零部件包括电池、 驱动电机及电控系统等三个主要部分， 简称“三大电”， 本章主要对国内外“三大电”的生产企业、产品与技术路线进行调研和评析。 电池（含电池管理系统）功率变换器 DC/DC DC/AC驱动电机电压、电流、转速、 转矩等各种传感器动力电源信号控制信号流向档位杆 加速踏板 制动踏板电动空调 电动助力转向 电动助力制动 电控图 3-1 电动汽车系统关键零部件互联框图 3.1 3.1 动力电池动力电池产业产业调
2、研调研 动力电池系统由电池电芯和电池管理系统 （Battery Management System, BMS）组成，主要为纯电动汽车、混合动力汽车及燃料电池汽车等提供动力支持，是电动汽车的绿色心脏。目前，动力电池无法满足电动汽车大规模应用的首要矛盾在于能量密度、寿命、经济性三个方面无法取得完美平衡。本节主要对国内外动力电池产品、电池材料的发展与技术现状进行调研和评析。 3.1.1 动力电池动力电池的的分类分类 目前可以作为车载动力的电池类型很多，主要有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池（磷酸铁锂动力电池、锰酸锂动力电池、三元复合材料动力电池、钛酸锂动力电池、硅负极电池等）和燃料电池、超级电容器（锂
3、离子复合超级电容器、石墨烯超级电容器等）等，如下表 3-1 所示为主要电动汽车用电池的工作原理与特点， 表 3-2 所示为不同类型锂离子电池与燃料电池性能参数,表 3-3 所示为 HEV公交车用典型超级电容器的性能指标。 表 3-1 主要电动汽车用电池的工作原理与特点 类型 工作原理 主要特点 铅酸 电池 正极：+ 4224PbSO +2H OPbO +3H +HSO +2e充电放电负极： + 424PbSO +2H +2ePb+H SO充电放电总反应式：422242PbSO +2H OPbO +Pb+2H SO充电放电性能可靠，价格低廉，技术成熟，但质量重，过充电、过放电性能差，在比能量、深
4、放电循环寿命等方面不够理想，快速充电困难，仅应用于速度不高、线路固定的车辆。 镍氢 电池 正极： 22Ni(OH)OHNiOOH+H O+e充电放电负极：2M+H O+eMH+OH充电放电总反应式：2Ni(OH)MNiOOH+MH充电放电高比能量、高比功率、适合大电流充放电、使用寿命长、过充电和过放电性能好且无污染，但具有记忆效应，在混合动力汽车中应用较多。 锂离子电池 正极： + 21 x2LiCoOLiCoO +xLi +xe充电放电负极：+ x66C+xLi +xeLi C充电放电总反应式：21 x26LiCoO +6CLiCoO +LiC充电放电电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效
5、应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠性高，但耐过充电能力差，广泛应用于混合动力和纯电动汽车中。 超级 电容 利用静电计划电解溶液，通过介质分离正负电荷的物理储能方法 节能、超长使用寿命、安全、环保、宽温度范围、充电快速、无需人工维护等优点，适用于电动汽车启动或爬坡运行；缺点：泄漏，超级电容器安装位置不合理，容易引起电解质泄漏等问题，破坏了电容器的结构性能。电路。超级电容器仅限于直流电路的使用，这是由于与铝电解电容器相比，超级电容器的内阻更大，不适合交流电路的运行要求。价格。由于超级电容器是新一代高科技产品，其刚刚推向市场时价格相对较高，增加了设备运行的成本投入。 燃料 电
6、池 由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。 转换效率高、燃料可适用范围广，没有尺寸效应，无运转部件，噪音小，环保等；成本较高。 表 3-2 不同类型锂离子电池与燃料电池性能参数表 磷酸铁锂 锰酸锂 三元复合材料 钛酸锂 燃料电池 质量比能量 （wh/kg） 100120 80100 150200 6080 500 平台电压 （v） 3.2 3.8 3.6 2.2 0.60.8 工作温度 （） 充电：045 放电：-2055 充电：040 放电：-2055 充电：050 放电：-2060 充电：045 放电：-206
7、0 20205 循环寿命 （次） 2000 次 80%SOC 100%DOD1C/1C 1500 次；70%SOC、100%DOD；1C/1C 2000 次；80%SOC、90%DOD；1C/1C 10000 次；80%SOC、100%DOD 6C/6C 优点 无毒、无污染、安全性能好、寿命长 工艺简单，价格低廉，充放电电压高，对环境友好，安容量比较高，价格相对便宜，安全性比较好，循环性能优异 循环性能好，放电电压平稳，安全性能好 比能量高，能量转换率高，性能稳定安全性好 全性能优异 缺点 导电性差，振实密度较低 比容量较低，高温下容量衰减较严重 材料的合成相对困难，材料的电压平台较低，充放电
8、效率较低 比容量很多，导电性差，振实密度比较低 成本很高寿命短，电流小，比功率小，难充电 表 3-3 HEV 公交车用典型超级电容器的性能指标 型号 BCAP0010 型号 BCAP0010 电容（F） 2600 峰值电压（V） 2.8 串联电阻（m） 0.7（直流） 额定/最大电流（A） 400/600 连续电压（V） 2.5 循环寿命（次） 5105 1 1、动力铅酸电池动力铅酸电池 近二十年来，得益于汽车、通信、牵引车辆等的市场快速增长需求，铅酸电池在我国电池产业中所占比例最高。从技术上看，我国铅酸电池技术发展从无到有， 通过自主开发和引进技术， 在我国已形成了一个独特的铅酸电池分支产业
9、群。 随着技术的进步，铅酸电池的污染已经变得很小，同时，铅酸电池相比锂离子电池成本优势明显，目前，铅酸电池除已广泛应用于通信、电力、不间断电源（UPS）与机车外，也已经成为电动自行车与微型/低速电动汽车的动力电池。 2 2、磷酸铁锂电池、磷酸铁锂电池 磷酸铁锂动力电池主要以美国的 A123 和中国的比亚迪、力神、中航锂电等企业为代表。A123 磷酸铁锂动力电池是采用纳米电子技术生产，单体最大可持续充电倍率为 1.3C，30C 的放电倍率，持续放电电流 6070A，瞬间放电倍率为50C，使用温度范围-30至 60，循环寿命高达 2000 次以上。随着生产设备和工艺的提高，比亚迪 3.2V/200
10、Ah 磷酸铁锂电池的能量密度目前已经逐渐提升到了 135Wh/kg，与此同时，磷酸铁锂电池一致性也明显提高。 2013 年深圳投入 580 辆 K9 纯电动汽车，总电量为 324kWh，电池系统质量能量密度为 80wh/kg，最大可持续充电电流为 1C，最大可持续放电电流为 2C。中 航 锂 电 目 前 所 生 产 的 电 芯 容 量 为 10Ah 500Ah ， 循 环 2000 次（70%SOC,100%DOD） ， 成组后最大可持续充电倍率为 0.8C， 成组后质量密度为 80Wh/Kg。根据节能与电动汽车产业发展规划的要求，截止到 2015 年，动力电池模块比能量达到 150Wh/kg
11、 以上。由于磷酸铁锂能量密度低，所以无法满足电动汽车未来的发展需要。 3 3、三元电池、三元电池 此种电池电芯由三元材料制成，具有高度安全性、优异的电压一致性和长循环寿命。三元材料是最近几年发展起来的新型锂电正极材料，具有容量高、成本低、安全性好等优异特性，其在小型锂电中逐步占据一定的市场份额，并在动力锂电领域具有良好的发展前景。三元材料综合了钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂三类材料的优点，具有价格优势，成为最具潜力的替代钴酸锂的正极材料。 特斯拉采用了松下的“18650 型”镍钴酸锂三元电池 NCR18650，该电池的名义伏特数为 3.6V，名义最小容量为 2.750AH，重量为 45.5g，电芯的能
12、量密度为 220Wh/kg。特斯拉对松下 NCR18650 电池的耐久性测试，发现即便是经历了2600 次的充放电循环，电池仍保持了 70%的容量。 4 4、锰酸锂电池、锰酸锂电池 中信国安盟固利主要以锰酸锂电池为主， 生产的车用锂离子动力电池单体容量为 90Ah、 35Ah 和 8Ah。 以 35Ah 电芯为例， 电芯能量密度为 120Wh/kg 左右，最大充电电流为 4C，最大可持续放电电流为 8C，1C 满电充放电循环 2000 次以后，剩余容量不低于 70%。组装成 355V/70Ah 动力电池系统以后，电池系统能量密度为 90Wh/kg 左右，最大充电电流为 2.5C，最大可持续放电
13、电流为 2.5C。 5 5、钛酸锂电池、钛酸锂电池 虽然钛酸锂电池能量密度降低， 但它的倍率性能和安全性能优越于其他各种动力电池，也将是未来的一种发展方向。目前国内、外钛酸锂动力电池的研究情况如下：单体质量能量密度可以达到 60Wh/kg，体积能量密度为 200Wh/L；在6C/6C、 100%DOD、 容量衰减不大于 20%的情况下， 单体电池充电寿命大于 10000次；最大充电倍率为 6C，最大放电倍率为 12C。 6 6、硅、硅负极电池负极电池 硅负极电池是采用硅为负极材料的锂离子电池， 在理论上的能量密度比碳高出一个数量级，并具有良好的功率特性，不过因为充放电过程中材料形变大，材料容易
14、粉化，严重影响使用寿命。业界一直在进行硅负极的改性研究，之前，己经有厂商采用合金方式掺加而小幅度提高负极特性。2012 年美国斯坦福大学及斯坦福国家加速器实验室的学者联合开发出一种全新结构的锂离子电池用硅负极，使用硅负极材料的锂离子电池具有比容量高、寿命长等特性。 采用硅合金负极材料的电池已经有日本公司量产， 但是目前仍只是小幅度提升能量密度指标。2010 年，市场曾经流传 Tesla 计划采用的硅负极的松下电池，这可能表明硅负极距离产业化比较接近。 有技术潜力的硅负极发展方向包括硅纳米颗粒碳包裹技术、硅单晶技术等，这些技术的关键都在于解决内部应力对硅结构的破坏。 硅负极电池能够解决动力电池瓶
15、颈， 其理论的能量密度可以解决目前制约电动车普及的续航里程问题，理论上可广泛适用于各类新能源汽车应用。 7 7、动力镍氢电池动力镍氢电池 我国氢镍电池产业规模较小，相关电池数量仅有几十家，其中涉及动力电池的主要有湖南科力远、江苏春兰、湖南神力及上海万宏等企业。此外，山东淄博国利公司正在生产公交车用的电容电池也是基于镍氢电池技术发展起来的。 从氢镍电池产业配套能力看，我国具有了向 HEV 车辆提供高功率氢镍电池产品的配套能力。 8 8、燃料电池、燃料电池 燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电极反应直接转换为电能的装置，是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。燃料电池具有能量转换效率高
16、、使用寿命长、比能量高等优点。燃料电池包括氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融盐燃料电池和再生燃料电池。各种燃料电池的技术发展状况如下表 3-4 所示。 表 3-4 各种燃料电池的技术发展状况 燃料电池 的类型 碱性 燃料电池 （AFC） 磷酸 燃料电池 （PAFC） 熔融碳酸盐 燃料电池 （MCFC） 固体氧化物 燃料电池 （SOFC） 质子交换膜 燃料电池 （PEMFC） 比功率 （W/kg） 35105 100220 3040 1520 3001000 单位面积的功 率（W/cm2） 0.5 0.1 0.2 0.3 12 燃料种类 H2 天然气、甲 醇、液化石 油气 天然气、液 化石油气 H2、CO、HC H2 氧电极的氧化 物种类 O2 空气 空气 空气 空气 电解质 有腐蚀、 液体氢氧 化钾 有腐蚀、液 体磷酸水溶 液 有腐蚀、液 体碳
