三類電池材料在能量密度、循環(huán)壽命以及價(jià)格上有何優(yōu)劣呢？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-14 16:49
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為補(bǔ)貼的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，而循環(huán)壽命則會(huì)影響3萬(wàn)公里的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)5年20萬(wàn)公里質(zhì)保期內(nèi)企業(yè)的資金負(fù)擔(dān)產(chǎn)生影響。對(duì)照能量密度、循環(huán)壽命以及成本三大指標(biāo)，我們來(lái)看看三元鋰、磷酸鐵鋰以及錳酸鋰在新能源物流車上的應(yīng)用趨勢(shì)如何。
從今年幾批推薦目錄中專用車電池的選配情況看，三元材料電池的比重一直都在50%以上，占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；磷酸鐵鋰則起伏不定，前兩批數(shù)量較少，第三批有一定比重；錳酸鋰的話，今年第一批目錄中有一定比重，但到了今年的2-3批中，僅有1款車型選配錳酸鋰。
車企做出這樣的選擇一定會(huì)有自身的理由，那么三類電池材料在能量密度、循環(huán)壽命以及價(jià)格上有何優(yōu)劣呢？
1）系統(tǒng)能量密度方面，筆者查閱三批推薦目錄中的車型發(fā)現(xiàn)，三元材料電池的能量密度普遍都能達(dá)到105Wh/kg以上，某些三元復(fù)合型材料甚至可達(dá)到120Wh/kg；磷酸鐵鋰相對(duì)較低，系統(tǒng)能量密度維持在90Wh/kg的水平；錳酸鋰的系統(tǒng)能量密度維持在100Wh/kg的水平。
由上述可得，能量密度的優(yōu)劣排序?yàn)椋喝牧希惧i酸鋰＞磷酸鐵鋰。
2）循環(huán)壽命方面，三元材料理論循環(huán)使用壽命大概為2000次，磷酸鐵鋰為1500~2000次；錳酸鋰最差。從理論值來(lái)看，循環(huán)壽命優(yōu)劣排序?yàn)椋喝牧希玖姿徼F鋰＞錳酸鋰。
3）據(jù)了解，2016年錳酸鋰正極材料均價(jià)5.5萬(wàn)元/噸，三元正極材料14.5萬(wàn)元/噸，磷酸鐵鋰12萬(wàn)元/噸。在價(jià)格方面優(yōu)劣勢(shì)為：錳酸鋰＞磷酸鐵鋰＞三元鋰。
小結(jié)：三元正極材料價(jià)格雖在瘋狂上漲，但企業(yè)通過(guò)技術(shù)手段可有效管控電池成本，同時(shí)三元電池相對(duì)磷酸鐵鋰在能量密度與循環(huán)壽命上優(yōu)勢(shì)突出，所以該電池在物流車上的應(yīng)用較為廣泛；而磷酸鐵鋰作為安全性較高的電池，在客車上應(yīng)用較廣，但能量密度與循環(huán)壽命等方面的劣勢(shì)使其在物流車上的市場(chǎng)份額很難超過(guò)三元電池；國(guó)內(nèi)錳酸鋰電池技術(shù)相對(duì)日本等國(guó)還有差距，一些技術(shù)問(wèn)題還有待突破，因此錳酸鋰也未能在電動(dòng)物流車上成為主流。
不同類型的電池在性能會(huì)有差異，企業(yè)的成組能力則會(huì)進(jìn)一步影響電池品質(zhì)，因此，怎樣的電池企業(yè)能得到車企的橄欖枝呢？
從推薦目錄看新能源物流車的電池應(yīng)用趨勢(shì)
從第三批推薦目錄中車企選擇合作的電池企業(yè)看，在三元電池上，選擇與上海德朗能、比克電池與億緯鋰能合作的企業(yè)最多；選配磷酸鐵鋰的車企多選擇與沃特瑪合作；錳酸鐵鋰只有星恒一家，也只有一家車企選擇與之合作。
車企選擇與這些電池企業(yè)合作的幾大原因：1）筆者對(duì)照工信部發(fā)布的電池目錄企業(yè)白名單發(fā)現(xiàn)，上述絕大部分電池企業(yè)都在白名單內(nèi)，只有極個(gè)別暫未進(jìn)入電池白名單。由此可見(jiàn)，盡管有車企在努力突破電池白名單的限制，但為保險(xiǎn)起見(jiàn)還是更傾向于白名單中的企業(yè)。
2）車企在選擇合作電池企業(yè)時(shí)，十分看重該企業(yè)的履約能力，一方面是這些電池企業(yè)的產(chǎn)能能滿足車企的需要；另一方面是確保產(chǎn)品能符合當(dāng)下的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，如電池系統(tǒng)質(zhì)量能量密度不低于90Wh/kg，同時(shí)車企要為動(dòng)力電池等儲(chǔ)能裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器提供不低于5年或20萬(wàn)公里的質(zhì)保，就促使車企選擇與有品質(zhì)保證和售后服務(wù)體系健全的電池企業(yè)合作，以此降低售后服務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。
在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，電池企業(yè)也會(huì)慎重選擇合作的車企，有能力上推薦目錄、市場(chǎng)份額大的車企，才能保證公司的出貨量。
從上述分析中可看出，車企與電池企業(yè)是雙向選擇，互利共贏的結(jié)果，未來(lái)這種趨勢(shì)也會(huì)更加明顯，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈。
電動(dòng)汽車燃料電池的測(cè)試?
對(duì)于從事汽車研發(fā)的工程師來(lái)說(shuō)，在測(cè)試中如下幾方面是影響測(cè)試效率和結(jié)果的重要因素：
（一）各種高頻和低頻、高功率和低功率的電磁輻射干擾?
（二）共模電圧、振動(dòng)、多變的環(huán)境?
（三）數(shù)據(jù)采集分析的可靠性?
?。ㄋ模┞吩嚂r(shí)儀器的供電及能耗?
（五）便于移動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)使用?
通過(guò)和汽車生產(chǎn)研發(fā)企業(yè)的測(cè)試工程師溝通，橫河電機(jī)不斷改進(jìn)其產(chǎn)品，使其更適應(yīng)汽車研究發(fā)展的需要。譬如為了適應(yīng)電動(dòng)汽車燃料電池的研究需要，橫河電機(jī)在DARWIN系列的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出?DAQMaster系列MX100。?
因?yàn)槊總€(gè)電池只輸出0.8-1.5VDC，為了輸出足夠的電力。燃料電池組一般由約一百個(gè)單片電池組成，特別是汽車應(yīng)用，電池組會(huì)由六百個(gè)單片電池構(gòu)成。電池電壓監(jiān)視（?CVM）系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試電池組結(jié)構(gòu)中每個(gè)單片電池的電壓可以檢測(cè)出有問(wèn)題的電池；分析現(xiàn)場(chǎng)或帶負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)的電池性能。
檢測(cè)電池電壓時(shí)使用差動(dòng)輸入。雖然單片電池的電壓不高，可是差動(dòng)輸入端子對(duì)測(cè)試儀表地端會(huì)產(chǎn)生幾百伏的電壓。這種電壓被稱為共模電壓。多數(shù)數(shù)據(jù)采集儀器（?DAQ）沒(méi)有絕緣，輸入電壓限制范圍一般是5伏或10伏。另外，非絕緣儀器經(jīng)常容易受接地環(huán)路的影響。為了克服燃料電池CVM系統(tǒng)中高共模電壓的問(wèn)題，要求高電壓絕緣。雖然可以使用外部信號(hào)變換器或緩存，為了在減小體積和間低成本的同時(shí)保證較高的信號(hào)分辨率和精度，現(xiàn)在許多的DAQ系統(tǒng)內(nèi)置緩存。?
DAQMaster可以提供最高水準(zhǔn)的通道對(duì)地，模塊間和通道間隔離。另外，它的模塊化結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)軟件使MX100很容易實(shí)現(xiàn)最多1200通道的電池電壓的監(jiān)視。?
同時(shí)實(shí)現(xiàn)高電壓絕緣和多通道的DAQ系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)難題，因?yàn)榇蠖鄶?shù)數(shù)據(jù)采集儀器模塊使用單一A-D轉(zhuǎn)換器與前端倍增或掃描組合。高共模電壓信號(hào)在經(jīng)過(guò)絕緣變壓器和A-D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)絕緣和離散化之前一定要通過(guò)切換繼電器。?
MX100在掃描器中使用橫河專利技術(shù)的高耐壓固態(tài)半導(dǎo)體?繼電器，實(shí)現(xiàn)了多通道輸入信號(hào)的切換，這種繼電器由高耐壓（1500VDC）、低?漏電流（3nA）的?MOSFET（金屬氧半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和電壓輸出的光電耦合器構(gòu)成，具有1秒周期內(nèi)10通道高速掃描、無(wú)觸點(diǎn)、長(zhǎng)壽命、無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)。?
此外，?MX100內(nèi)部的絕緣變壓器和積分式A-D轉(zhuǎn)換器也是橫河的專利技術(shù)。其他使用電磁式繼電器提供絕緣的DAQ系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生切換時(shí)間，切換穩(wěn)定性，和日常維護(hù)的問(wèn)題。最后，MX100?DAQMaster?提供高性能的絕緣和4通道的同期采樣，因?yàn)?通道模塊每個(gè)通道的硬件采用互相獨(dú)立的硬件構(gòu)成。?
對(duì)于正確再現(xiàn)波形，?采樣率非常重要、高速采集可以得到正確數(shù)據(jù)。為此MX??
100的最小測(cè)量周期10ms,并且一個(gè)系統(tǒng)中可以混合使用3?種測(cè)量周期，測(cè)量周期可以對(duì)每個(gè)模塊單獨(dú)進(jìn)行設(shè)定。MX100支持最大容量2G?Bytes的CF卡，當(dāng)通訊故障時(shí)開(kāi)始數(shù)據(jù)備份。當(dāng)通訊恢復(fù)正常時(shí)，重新自動(dòng)開(kāi)始向PC傳送數(shù)據(jù)。MX100針對(duì)燃料電池測(cè)試的高速/多通道/高耐壓/多周期的特點(diǎn)，幫助測(cè)試工程師提高了測(cè)試的效率和準(zhǔn)確性。
從今年幾批推薦目錄中專用車電池的選配情況看，三元材料電池的比重一直都在50%以上，占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；磷酸鐵鋰則起伏不定，前兩批數(shù)量較少，第三批有一定比重；錳酸鋰的話，今年第一批目錄中有一定比重，但到了今年的2-3批中，僅有1款車型選配錳酸鋰。
車企做出這樣的選擇一定會(huì)有自身的理由，那么三類電池材料在能量密度、循環(huán)壽命以及價(jià)格上有何優(yōu)劣呢？
1）系統(tǒng)能量密度方面，筆者查閱三批推薦目錄中的車型發(fā)現(xiàn)，三元材料電池的能量密度普遍都能達(dá)到105Wh/kg以上，某些三元復(fù)合型材料甚至可達(dá)到120Wh/kg；磷酸鐵鋰相對(duì)較低，系統(tǒng)能量密度維持在90Wh/kg的水平；錳酸鋰的系統(tǒng)能量密度維持在100Wh/kg的水平。
由上述可得，能量密度的優(yōu)劣排序?yàn)椋喝牧希惧i酸鋰＞磷酸鐵鋰。
2）循環(huán)壽命方面，三元材料理論循環(huán)使用壽命大概為2000次，磷酸鐵鋰為1500~2000次；錳酸鋰最差。從理論值來(lái)看，循環(huán)壽命優(yōu)劣排序?yàn)椋喝牧希玖姿徼F鋰＞錳酸鋰。
3）據(jù)了解，2016年錳酸鋰正極材料均價(jià)5.5萬(wàn)元/噸，三元正極材料14.5萬(wàn)元/噸，磷酸鐵鋰12萬(wàn)元/噸。在價(jià)格方面優(yōu)劣勢(shì)為：錳酸鋰＞磷酸鐵鋰＞三元鋰。
小結(jié)：三元正極材料價(jià)格雖在瘋狂上漲，但企業(yè)通過(guò)技術(shù)手段可有效管控電池成本，同時(shí)三元電池相對(duì)磷酸鐵鋰在能量密度與循環(huán)壽命上優(yōu)勢(shì)突出，所以該電池在物流車上的應(yīng)用較為廣泛；而磷酸鐵鋰作為安全性較高的電池，在客車上應(yīng)用較廣，但能量密度與循環(huán)壽命等方面的劣勢(shì)使其在物流車上的市場(chǎng)份額很難超過(guò)三元電池；國(guó)內(nèi)錳酸鋰電池技術(shù)相對(duì)日本等國(guó)還有差距，一些技術(shù)問(wèn)題還有待突破，因此錳酸鋰也未能在電動(dòng)物流車上成為主流。
不同類型的電池在性能會(huì)有差異，企業(yè)的成組能力則會(huì)進(jìn)一步影響電池品質(zhì)，因此，怎樣的電池企業(yè)能得到車企的橄欖枝呢？
從推薦目錄看新能源物流車的電池應(yīng)用趨勢(shì)
從第三批推薦目錄中車企選擇合作的電池企業(yè)看，在三元電池上，選擇與上海德朗能、比克電池與億緯鋰能合作的企業(yè)最多；選配磷酸鐵鋰的車企多選擇與沃特瑪合作；錳酸鐵鋰只有星恒一家，也只有一家車企選擇與之合作。
車企選擇與這些電池企業(yè)合作的幾大原因：1）筆者對(duì)照工信部發(fā)布的電池目錄企業(yè)白名單發(fā)現(xiàn)，上述絕大部分電池企業(yè)都在白名單內(nèi)，只有極個(gè)別暫未進(jìn)入電池白名單。由此可見(jiàn)，盡管有車企在努力突破電池白名單的限制，但為保險(xiǎn)起見(jiàn)還是更傾向于白名單中的企業(yè)。
2）車企在選擇合作電池企業(yè)時(shí)，十分看重該企業(yè)的履約能力，一方面是這些電池企業(yè)的產(chǎn)能能滿足車企的需要；另一方面是確保產(chǎn)品能符合當(dāng)下的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，如電池系統(tǒng)質(zhì)量能量密度不低于90Wh/kg，同時(shí)車企要為動(dòng)力電池等儲(chǔ)能裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器提供不低于5年或20萬(wàn)公里的質(zhì)保，就促使車企選擇與有品質(zhì)保證和售后服務(wù)體系健全的電池企業(yè)合作，以此降低售后服務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。
在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，電池企業(yè)也會(huì)慎重選擇合作的車企，有能力上推薦目錄、市場(chǎng)份額大的車企，才能保證公司的出貨量。
從上述分析中可看出，車企與電池企業(yè)是雙向選擇，互利共贏的結(jié)果，未來(lái)這種趨勢(shì)也會(huì)更加明顯，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈。
電動(dòng)汽車燃料電池的測(cè)試?
對(duì)于從事汽車研發(fā)的工程師來(lái)說(shuō)，在測(cè)試中如下幾方面是影響測(cè)試效率和結(jié)果的重要因素：
（一）各種高頻和低頻、高功率和低功率的電磁輻射干擾?
（二）共模電圧、振動(dòng)、多變的環(huán)境?
（三）數(shù)據(jù)采集分析的可靠性?
?。ㄋ模┞吩嚂r(shí)儀器的供電及能耗?
（五）便于移動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)使用?
通過(guò)和汽車生產(chǎn)研發(fā)企業(yè)的測(cè)試工程師溝通，橫河電機(jī)不斷改進(jìn)其產(chǎn)品，使其更適應(yīng)汽車研究發(fā)展的需要。譬如為了適應(yīng)電動(dòng)汽車燃料電池的研究需要，橫河電機(jī)在DARWIN系列的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出?DAQMaster系列MX100。?
因?yàn)槊總€(gè)電池只輸出0.8-1.5VDC，為了輸出足夠的電力。燃料電池組一般由約一百個(gè)單片電池組成，特別是汽車應(yīng)用，電池組會(huì)由六百個(gè)單片電池構(gòu)成。電池電壓監(jiān)視（?CVM）系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試電池組結(jié)構(gòu)中每個(gè)單片電池的電壓可以檢測(cè)出有問(wèn)題的電池；分析現(xiàn)場(chǎng)或帶負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)的電池性能。
檢測(cè)電池電壓時(shí)使用差動(dòng)輸入。雖然單片電池的電壓不高，可是差動(dòng)輸入端子對(duì)測(cè)試儀表地端會(huì)產(chǎn)生幾百伏的電壓。這種電壓被稱為共模電壓。多數(shù)數(shù)據(jù)采集儀器（?DAQ）沒(méi)有絕緣，輸入電壓限制范圍一般是5伏或10伏。另外，非絕緣儀器經(jīng)常容易受接地環(huán)路的影響。為了克服燃料電池CVM系統(tǒng)中高共模電壓的問(wèn)題，要求高電壓絕緣。雖然可以使用外部信號(hào)變換器或緩存，為了在減小體積和間低成本的同時(shí)保證較高的信號(hào)分辨率和精度，現(xiàn)在許多的DAQ系統(tǒng)內(nèi)置緩存。?
DAQMaster可以提供最高水準(zhǔn)的通道對(duì)地，模塊間和通道間隔離。另外，它的模塊化結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)軟件使MX100很容易實(shí)現(xiàn)最多1200通道的電池電壓的監(jiān)視。?
同時(shí)實(shí)現(xiàn)高電壓絕緣和多通道的DAQ系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)難題，因?yàn)榇蠖鄶?shù)數(shù)據(jù)采集儀器模塊使用單一A-D轉(zhuǎn)換器與前端倍增或掃描組合。高共模電壓信號(hào)在經(jīng)過(guò)絕緣變壓器和A-D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)絕緣和離散化之前一定要通過(guò)切換繼電器。?
MX100在掃描器中使用橫河專利技術(shù)的高耐壓固態(tài)半導(dǎo)體?繼電器，實(shí)現(xiàn)了多通道輸入信號(hào)的切換，這種繼電器由高耐壓（1500VDC）、低?漏電流（3nA）的?MOSFET（金屬氧半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和電壓輸出的光電耦合器構(gòu)成，具有1秒周期內(nèi)10通道高速掃描、無(wú)觸點(diǎn)、長(zhǎng)壽命、無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)。?
此外，?MX100內(nèi)部的絕緣變壓器和積分式A-D轉(zhuǎn)換器也是橫河的專利技術(shù)。其他使用電磁式繼電器提供絕緣的DAQ系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生切換時(shí)間，切換穩(wěn)定性，和日常維護(hù)的問(wèn)題。最后，MX100?DAQMaster?提供高性能的絕緣和4通道的同期采樣，因?yàn)?通道模塊每個(gè)通道的硬件采用互相獨(dú)立的硬件構(gòu)成。?
對(duì)于正確再現(xiàn)波形，?采樣率非常重要、高速采集可以得到正確數(shù)據(jù)。為此MX??
100的最小測(cè)量周期10ms,并且一個(gè)系統(tǒng)中可以混合使用3?種測(cè)量周期，測(cè)量周期可以對(duì)每個(gè)模塊單獨(dú)進(jìn)行設(shè)定。MX100支持最大容量2G?Bytes的CF卡，當(dāng)通訊故障時(shí)開(kāi)始數(shù)據(jù)備份。當(dāng)通訊恢復(fù)正常時(shí)，重新自動(dòng)開(kāi)始向PC傳送數(shù)據(jù)。MX100針對(duì)燃料電池測(cè)試的高速/多通道/高耐壓/多周期的特點(diǎn)，幫助測(cè)試工程師提高了測(cè)試的效率和準(zhǔn)確性。
