锂单体电池及其管理系统可行性分析报告20100910

-1-春兰（集团）公司科研开发新可行性分析报告项目名称：锂单体电池及其管理系统承担单位：江苏春兰清洁能源研究院有限公司二○一○年九月十日产品技术编号：密级：附件2-2-一、项目市场可行性分析：1.产品的主要用途锂离子动力电池现在越来越广泛使用于电动自行车、电动工具、电动摩托车、电动汽车医用辅助车、家庭用UPS、野外作业用能源包等领域。在矿灯电池，高尔夫球车电池，游览车电池，医用辅助车，储能装置，仪器设备以及航模电池等方面，锂离子动力电池的市场销售也越来越大,同时2Ah以上容量的锂离子动力电池在军工及特殊场合也有广泛的用途。加之，随着全球能源问题日益突出，电动车已经成为国内外竞相开发的热点，作为电动车技术瓶颈的电池开发亦随之成为热点，急需高性能、安全、环境友好的电池解决方案。而本项目所述锂离子动力电池产品亦将成为电动车用电池的更优选择，从长远看，锂离子动力电池在电动车方面的应用将随着电动车的发展而日趋显著。2.市场需求分析a)电动自行车市场据全国自行车工业信息中心统计，2000年全国电动自行车为35万辆，2001年近100万辆，2004年底为500万辆，2005年底为800万辆，预计到2011年将突破2000万辆。按照这样计算，平均每年将有4-5亿安时的潜在市场。具体数据见图。由上述可见，国内电动自行车的潜在市场十分巨大,前景乐观，国内电动自行车企业的不断发展壮大很好地证明了这一点。这也昭示着国内电动自行车用锂离子动力电池市场潜力巨大。b)矿灯市场-3-全国有五百万煤矿职工，加上金银铜铁等金属矿以及其它非金属矿的矿工，总数可达一千万以上，以每支矿灯二百元计算有二十亿元的市场容量。矿灯电池目前采用的是铅酸电池，但是体积大、质量大，携带不方便，而且存在漏酸等问题，给矿工的井下工作带来很多不便，相同容量的锂离子二次电池的体积和质量可以降低到铅酸电池的1/3，如果以锂离子二次电池矿灯替代传统的铅酸电池矿灯，其社会意义和经济效益将是十分明显的。c)电动工具市场目前，在全球销售的电动工具中，绝大部分是从中国生产并出口的，因此，中国已经成为世界电动工具的生产大国和外贸出口大国。行业统计资料显示：2004年，中国的电动工具产量已达到1.55亿台，中国向161个国家和地区出口了电动工具产品，销售额达30亿美元，约占全球电动工具总产量的80%。海关统计数据表明，中国电动工具出口额已超过全球出口量居第二位的德国一倍以上，稳居出口世界第一。以前电动工具中的电池一般是以镉镍电池为主，但随着对环保的要求越来越高，由于镉镍电池的污染，很多国家已经明令禁止镉镍电池的使用，比如在欧洲从2006年7月1日起，投放于市场的新电子和电气设备将不能包含铅，汞，镉，六价铬，聚溴二苯醚（PBDE）或聚溴联苯（PBB）。而替代镉镍电池的产品主要就是锂离子电池和镍氢电池，因此锂电池为电源的电动工具需求量大幅度增长。由锂离子电池供电的工具已经进入了市场，2005年Sanyo、SDI、LGC和E-One等公司将开始有锂离子产品上市，Sony和Bosch紧随其后。d)电动汽车市场自1993年开始，中国已经成为了石油净进口国，国内原油产量近几年不可能大增，而需求正逐年增加，其中汽车对石油的消耗量占到了石油总消耗量的2／3。为了实现节能减排计划、各国政府相继发布电动汽车发展战略和国家计划，进一步为产业发展指明了方向。美国奥巴马政府实施绿色新政，把电动汽车作为国家战略的重要组成，计划到2015年普及100万辆插电式混合动力电动汽车（PHEV）。日本把发展电动汽车作为“低碳革命”的核心内容，并计划到2020年普及包括电动汽车在内的“下一代汽车”达到1350万辆,为完成这一目标,日本到2020年计划开发出至少17款纯电动汽车、38款混合动力车。德国政府在08年11月提出未来10年普及100万辆纯电动汽车和插电式混合动力汽车，并宣称该计划的实施，标志德国将进入电动汽车时代。国家战略的发布实施，对产业发展有着十分重要的导向作用，必将进一步加快国际电动汽车产业发展的进程。-4-动力电池得到高度重视，研发投入急剧增加，电动汽车技术瓶颈突破的预期大大增强。美国总统奥巴马09年8月宣布安排24亿美元支持PHEV的研发与产业化，其中20亿美元用来支持先进动力电池的研发和产业化。日本政府提出“谁控制了电池，谁就控制了电动汽车”，并组织实施国家专项计划，在2011年以前将投入400多亿日元用于先进动力电池技术研究，2010年左右新型锂电池将规模应用于下一代电动汽车。德国从今年起启动了一项4.2亿欧元的车用锂电池开发计划，几乎所有德国汽车和能源巨头均携资加入。各国政府加大政策支持力度，全力推进电动汽车产业化。一方面，政府加大对消费者的政策激励，加快电动汽车的市场培育。美国对PHEV实施税收优惠，减税额度在2500美元和15000美元之间。日本从09年４月１日起实施新的“绿色税制”，对包括纯电动汽车、混合动力车等低排放且燃油消耗量低的车辆给予税赋优惠，一年的减税规模约为2100亿日元，是现行优惠办法减税额的10倍。英国从09年4月1日起执行新汽车消费税，对纯电动汽车免缴消费税。法国对购买低排放（二氧化碳）汽车的消费者给予最高5000欧元的奖励，对高排放汽车进行最高2600欧元的惩罚。另一方面，政府通过加大信贷支持等措施，鼓励整车企业加快电动汽车产业化。美国政府对电动汽车生产予以贷款资助。09年6月23日，福特、日产北美公司和Tesla汽车公司获得80亿美元的贷款，主要用于混合动力和纯电动汽车的生产。欧盟在2009年上半年发放70亿欧元贷款，支持汽车制造商发展电动汽车；此外，美国新的汽车燃油经济性法规和欧盟新车平均二氧化碳排放法规，对汽车的技术要求大幅提高，如果不发展电动汽车技术，汽车制造商将很难达到新法规的要求。当前许多知名的汽车制造商都致力于开发动力锂电池汽车，如美国福特、克莱斯勒，日本丰田、三菱、日产、韩国现代、法国Courreges、Ventury等。中投顾问根据多年的监测数据以及和相关厂商的沟通，对汽车锂电池的发展情况、市场规模以及未来走势进行了深入研究之后，总结调研结果发现，从发展周期看，目前汽车锂电池市场正在走出导入期，开始跨入快速成长期。e)其他市场高尔夫球车电池，游览车电池，医用辅助车，以及航模电池等方面，锂离子动力电池的市场销售也越来越大。2Ah以上容量的锂离子电池在军工及特殊场合也有广泛的用途。其中4-6Ah的电池用于部队单兵作战步话机电源是各国军用移动电源的首选。海岛、高原、-5-沙漠的移动通讯对电源的要求区别与其他地区，高能量密度中型锂离子电池在这种场合已成为最佳选择，中型锂离子电池在寒冷的边防还可以被用做保暖服的便携式电源，加上智能化管理系统，特别适用于上述地区部队防寒和执行任务。随着现代国防的发展，潜艇电池，鱼雷电池对锂离子动力电池的需要也越来越大，在军用电池每年的近60亿元的支出中锂离子电池的比例肯定将有大幅度增长。二、项目技术可行性分析：1、项目安全性分析：锂动力电池最重要的组成部分是电极材料和电解液。锂离子电池使用易燃的有机溶液作为电解液，是锂离子电池发生火灾或爆炸的主要原因之一。在电池遭到破坏后产生热源，有机溶剂及其蒸汽容易着火引发火灾甚至爆炸。此外，锂离子电池的安全性还包括电极材料与电解液之间的热稳定性。对于锂离子电池的安全性，人们除外部对锂动力电池使用技术不断提高的同时，分别从电池电解液的燃烧性能和电极材料与电解液之间的稳定性两个角度对锂离子电池材料的安全性能进行研究。目前我国在锂动力电池的研发方面，可以说居世界锂动力电池技术的前列。我国关于电解液在燃烧性能的研究方面发现，在电解液中加入阻燃剂，能有效抑制电解液的燃烧，是提高锂动力电池安全性的直接有效的方法。关于阻燃的电解液，可使电解液具有阻燃性甚至完全不燃，同时还不损害甚至改善电池性能。锂离子动力电池的安全性能，由于研究人员在材料、电液方面进行了大量的工作，安全性能已经有很大的提高，已通过国家检测部门的检测，也已经通过过充、短路、针刺、挤压等安全性能测试。锂动力电池，在使用过程中为保证电池的性能，要求不欠压、不过充、不过放，这就要求对电池进行“均衡”和控制管理，以保证其充放电的合理应用，这是一套要求完整的严密的使用方案，既锂动力电池的安全使用技术。目前这套锂动力电池的安全使用技术得以初步突破，这对锂动力电池在电动汽车领域的应用起到推波助澜的作用。1）锂单体电池安全性在锂离子电池安全性方面的考虑主要从电池材料的选择、电池电化学设计、电池结构设计、添加剂的应用、充电制度等方面来进行。隔膜的自动关断保护-6-采用国际先进的Celgard2300PE-PP-PE三层复合膜。在电池升温达到120℃的情况下，复合膜两侧的PE膜孔闭合，电池内阻增大，电池内部升温减缓，电池升温达到135℃时，PP膜孔闭合，电池内部断路，电池不再升温，确保电池安全可靠。电解液方面的安全保护措施采用阻燃性电解液来提高系统的安全性。电池盖复合结构和安全阀电池盖采用刻痕防爆结构或设安全阀，电池升温时，电池内部活化过程中所产生的部分气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度刻痕破裂、放气。或在电池的上盖上设计安全阀，当电池内部的压力达到一定值时，安全阀开启，放气。外接保护电路锂离子电池在使用时常外接保护电路,一方面防止过充、过放以避免循环寿命的缩短,另一方面也起到防止电池滥用、误用的作用。好的锂离子电池保护电路都具有温度保护和电流保护，当充放电电流、电池温度大于相应设定的保护值时,保护电路都将终止电池工作。各种环境滥用试验等对电池进行各项滥用试验，如外部短路、过充、针刺、平板冲击、焚烧等，考察电池的安全性能。2）系统安全方面电气监控到每个单体，防止单体的过充放。对每个单体的温度进行监控，防止温度失控导致的系统风险。对系统增加自动散热控制，防止系统的温度超出使用范围。采用熔断丝保护，防止电池短路造成故障扩散。IO报警信号，当系统有故障时，会通过CAN和IO报警信号同时发出报警，防止由于CAN中断导致的系统报警失效。3）人身安全方面手动空气开关。用于产品检修时切断高压回路，提高安全性。双重漏电检测模块。一个漏电模块用于检测系统和电池包的绝缘情况，防止电池内部短路造成的危害。还有一个用来检测系统和车底盘的绝缘情况，防止高压对乘客的人身安全造成伤害。高压继电器控制电路。当电池系统有故障或超出使用范围时，切断高压电路，-7-保护电池系统。采用双重绝缘：电池和电池包绝缘，电池包和底盘绝缘，降低对乘客的安全影响。2、项目可靠性分析：有专家认为，从各国研究成功的电动汽车来看，各种电动汽车测试达到的各项性能指标，对一般的使用者来说，是可以满足的。但没有实现电动汽车产业化的主要原因，在于蓄电池的使用寿命及可靠性还达不到传统汽车的使用水平。此外纯电动汽车所使用的蓄电池组成本一般要占新车造价的二分之一，如果需要购车人在几年之内即更换蓄电池组，就意味着增加高额的使用成本。现在随着关键材料和技术的进步和突破，电动汽车蓄电池的比能量和功率性能已经有了很大的提高，生产蓄电池的材料与蓄电池的结构也取得了很大的进步，使用寿命和可靠性获得重大突破。电池的加速性可以达到或超过今天燃油车的水平，蓄电池充一次电的行驶里程能超过燃油车目前加一箱油的行驶里程。但各企业所公布的大部分纯电动汽车蓄电池实验室可靠性测试数据，如加速性能、充电时间、持续里程数等，还须在复杂的外部环境实际运行下，进一步验证其可靠性，以及生产批量化质量控制对电池可靠性的影响。目前，锂离子电池应用于电动车，对于动力电池的可靠性研究，主要集中在系统与材料两方面。对于动力电池的系统研究主要有：电池寿命机理：高功率电池老化特征、老化电池诊断、老化电池电化学模型、电池寿命预测方法开发；电池的低温性能表现：低温性能特点、低温电解质类型、低温性能模拟；容许偏差、过热偏差、过负载偏差、检查诊断等，材料研究主要集中在材料筛选与开发、低成本制造及国产化、材料的热稳定性等。1）电池的可靠性研究：为提高电池的可靠性，主要从