EV车载电池低迷,希望寄托于HEV和48V化

2013-04-12 18:01:18来源: 互联网 关键字:车载  电池  低迷  希望
      因电动汽车市场低迷,汽车厂商纷纷转换了业务战略。在燃效规定日益严格的情况下,不仅是混合动力车(HEV),配备怠速停止机构(ISS)的量贩车以及电源电压为48V的弱HEV也有望普及。车载电池厂商和电池材料厂商开始为有望成为新市场的ISS车和弱HEV而进行开发。本文将汇总车载电池国际会议“AABC 2013”上出现的最新动向。 


       “车载电池厂商间将开始合纵连横”。 
  纯电动汽车(EV)市场的启动晚于预期,车载电池厂商和电池材料厂商不得不改变业务计划(图1)。欧洲虽然积极致力于该领域,但受金融危机影响,汽车市场表现低迷,EV市场未能如愿兴起。虽然因大气污染等环境问题各厂商对中国的EV市场寄予了厚望,但外资厂商的EV在中国市场上销售困难,没有一个通用的法则能够用于中国。 

图1:各厂商因EV市场低迷而改变业务战略
由于发达国家的EV销售低迷,汽车厂商、车载电池厂商和材料厂商都不得不改变业务战略。剩下的EV市场就是中国了。根据中国的政策,市场有望迅速扩大。另外,为应对全世界对燃效规定的强化,以HEV为首,ISS车和48V弱HEV也备受瞩目,面向这些汽车的车载电池开发正在加速。

       尽管普及面临困难,但尾气和燃效相关的规定却日益严格,因此汽车厂商除了向市场导入混合动力车(HEV)外,还开始为原来的内燃机车配备怠速停止机构(ISS)。尤其是欧洲汽车厂商,开始使发动机启动马达和发电机(启动发电机)实现48V化,并致力于比ISS车增加了制动能量回收装置的简易HEV“轻混合动力车”。车载电池厂商和电池材料厂商也将业务方向从EV领域转向了HEV、ISS车和弱HEV。 

       实际上,目前已经有预测认为EV市场要在2020年以后才能扩大。据富士经济介绍,未来几年的市场规模不会比2012年的7万辆扩大太多,预计2013年为9万辆,2014年为10万辆,2016年也只有17万辆左右(图2)。 

图2:电动汽车的全球市场预测
预计EV将在2020年以后迎来全面普及。2020年以前市场还是以HEV为主。(图由《日经电子》根据富士经济的资料制作)

       致力于EV的日产汽车,其EV“LEAF”(中国名:聆风)的累计销量截至2013年1月刚刚超过5万辆 注1)。但日产-雷诺集团制定的计划是到2016年之前累计销售150万辆。为此,日产汽车与NEC的合资公司——Automotive Energy Supply构筑了每年供货9万辆EV所用电池的生产体制。另外,日产汽车还在英国和美国设立了每年最多可生产26万辆(英国6万辆,美国20万辆)EV用电池的生产基地。目前的现状是,电池的产能迅速提高,但实际的EV需求跟不上。 

注1) 日产汽车从2013年4月开始将“LEAF”的价格降低约28万日元。该公司2012年11月刚刚上市对LEAF进行了局部改进、并降价约42万日元的低价位车型。另外,为强化EV业务,日产COO志贺俊之将从2013年4月开始统管EV业务。 

       杰士汤浅也因为EV电池业务而苦恼不已。该公司2012年度的产能为1090MWh(可供约6万辆EV使用),原计划将来扩大至最大2290MWh/年。但由于亏损额扩大,似乎也不得不改变计划。 

向中国市场寻求出路 

       在这种情况下,中国的EV市场备受期待。随着大城市的空气污染日益严重,中国的轻骑和摩托车推进了电动化,估计乘用车也将向EV的方向发展。不过,外资厂商在中国很难单独投放EV。凭借LEAF先行一步的日产汽车就放弃了在中国销售LEAF品牌,而是计划2015年之前以中日合资公司——东风日产乘用车公司的“启辰”(Venucia)品牌,在中国生产和销售EV。 

       同样,关于车载电池(高性能车载锂离子充电电池)和主要电池材料(正极材料、电解液、隔膜)在中国的制造事宜,2012年1月中国出台了外国企业的资本比例不得超过50%的规定,日本的电池厂商和电池材料厂商在中国的业务战略也受到了考验。 

       而且,在此前日本厂商一直拥有高份额的电池材料领域,最近份额也不断降低,而中国和韩国厂商的份额逐年攀升(图3)。据矢野经济研究所介绍,2011年与2008年相比,日本厂商的份额由62.7%减至46.6%,而中国厂商由14.0%增至23.9%,韩国厂商由11.8%增至20.6%。 

图3:中国和韩国的材料厂商崛起
锂离子充电电池四种主要部材(正极材料、负极材料、电解液、隔膜)的销售额市场规模走势。2008年度日本的材料厂商占6成以上的份额,但2011年度好像跌破了5成。最近几年,中国和韩国的材料厂商迅速崛起。(图由《日经电子》根据矢野经济研究所的资料制作)

       据矢野经济研究所首尔支社支社长稻垣佐知也介绍,在正极材料领域,韩国L&F公司的实力日益增强;负极材料领域,中国贝特瑞新能源材料和杉杉科技不断发展壮大;电解液领域,中国张家港市国泰华荣化工新材料和韩国PANAX ETEC公司日渐崛起;隔膜领域,韩国SK Innovation和中国新乡绿色新能源材料(Xinxiang Green New Energy Material)等的存在感也越来越高 注2)。 

注2) 材料厂商的动向参考了稻垣在“AABC 2013”上以“Lithium-ion Battery Materials Trends”为题发表的演讲内容。 

向HEV和ISS车发力 

       尽管发达国家的EV市场扩大前景并不明朗,但燃效规定从2015年前后开始将更加严格。在欧洲,2015年各厂商每辆汽车的平均CO2排放量为130g/km。另外还提出了更加严格的规定值,即2020年降到95g/km,估计电动汽车化势在必行。 

       美国也打算强化CAFE(企业平均燃效)规定。计划2016年之前将现在为27.5英里/加仑(约11.7km/h)的燃效提高到35.5英里/加仑(15.2km/L),2025年提高到54.5英里/加仑(约23.1km/L) 注3)。 

注3) 此外,加利福尼亚州将强化“ZEV规定”。目标是使2017~2025年在加州销售的新车的15.4%为EV或插电式混合动力车和燃料电池车。而且,从2017年上市的2018年款车型开始,年销量在2万辆以上的厂商也适用该规定。 

       针对规定的强化,汽车厂商为提高平均燃效,开始向市场投放HEV,并在原来的汽油车和柴油车中扩大了ISS的配备。另外,在强HEV*和弱HEV*的开发方面落后于日本厂商的欧洲厂商也开始致力于性价比高的48V弱HEV。 

*强HEV=可以仅利用驱动马达行驶的HEV。 

*弱HEV=用驱动马达辅助加速的HEV。 

       在2013年2月4~8日于美国帕萨迪纳举行的国际会议“AABC 2013”上,各厂商接连发表了应对上述动态的车载电池。例如,率先开发HEV的丰田宣布该公司2012年的年销量终于突破了100万辆(图4)注4)。该公司的车载电池累计配备量已达到470万个,其中大部分是镍氢充电电池。 

图4:2012年的年销量超过100万辆
丰田2012年的全球HEV年销量超过了100万辆。尽管2011年受东日本大地震的影响出现减少,不过HEV的销量一直都在稳步增长。(图由《日经电子》根据丰田的资料制作)

注4) 丰田以“Battery Development for Hybrid Vehicles”为题发表了演讲。 

       丰田为HEV“普锐斯α”的7座车配备了锂离子充电电池,目前从Primearth EV Energy(PEVE)和松下(三洋电机)两公司采购。预计今后锂离子充电电池的配备量将增加。 

       同样致力于HEV的本田计划全面采用锂离子充电电池。本田与杰士汤浅的合资公司Blue Energy将把500万个单元/年的生产体制扩大到1500万个单元/年。以2013年推出的HEV“雅阁混合动力车”为首,预定2013年秋上市的新款“飞度混合动力车”也计划配备锂离子充电电池。飞度是量贩车型,因此有望实现较大的市场规模。 

进入“战国时代”的ISS用电池 

       另外,为提高以往的汽油车和柴油车的燃效,汽车厂商还开始导入ISS。本届AABC上有很多企业就ISS用车载电池发表了演讲。目前,通过在铅酸蓄电池上并联双电层电容器或锂离子充电电池等来提高性能的ISS已经开始导入市场。 

       马自达2012年11月上市的新款“ATENZA”就采用了日本贵弥功的双电层电容器。另外,从铃木2012年9月上市的新款“Wagon R”开始,新款“Spacia”及新款“ALTO ECO”等轻型车都采用了东芝的锂离子充电电池。 

       在本届AABC上新提出了ISS用镍氢充电电池方案的是松下集团能源公司(三洋电机能源,图5)注5)。该公司车载电池业务部碱电池技术组组长川濑龙二表示,“预计2020年ISS车的市场规模将由2012年的约1100万辆扩大到约4800万辆,我们开发的镍氢充电电池有望实现扩销”。 

图5:面向ISS开发镍氢充电电池
松下集团开发出了面向ISS的镍氢充电电池(a)。将串联10个电池单元的系统与铅酸蓄电池并联使用(b)。在60℃的加速试验中反复充放电约6万8000次后,组合使用镍氢充电电池的系统仍可以利用。(图由《日经电子》根据松下集团的资料制作)

注5 )松下集团以“12V Energy Recovery System with Nickel Metal Hydride Battery”为题发表了演讲。 

       松下集团开发的系统的特点是,只需与铅酸蓄电池并联即可,无需DC-DC转换器。而且,面向ISS车开发出了高温特性出色的电池单元,因此可设置于发动机舱内。目前采用锂离子充电电池的系统因温度特性的问题,一直设置在车厢内。 

       该系统采用的镍氢电池单元的形状与松下为混合动力车量产的产品相同。为提高高温特性,主要改良了电解液,由此可在与铅酸蓄电池环境相同的75℃温度范围内利用。原来的HEV用电池单元在温度超过60℃后,充电效率会大幅下降。 

       ISS的基本构成为串联10个1号圆筒型电池单元。据松下集团介绍,在广泛的SOC(充电状态)范围内,串联10个镍氢充电电池的系统与铅酸蓄电池的充放电电压基本一致,与目前已实现实用化的双电层电容器,以及负极采用钛酸锂(LTO)的系统相比,有很大优势。在60℃的环境下进行充放电循环加速试验的结果显示,仅利用铅酸蓄电池时循环几千次后就会劣化,而组合使用镍氢充电电池的话,反复循环6万8000多次仍足够使用。 

采用磷酸铁锂 

       杰士汤浅和美国A123 Systems开发出了不与铅酸蓄电池组合使用,而是取代12V铅酸蓄电池的锂离子充电电池模块。两公司均采用正极材料使用磷酸铁锂(LiFePO4)的电池单元。其中,杰士汤浅就采用4个69Ah单元的12V模块“019SLIB”发表了演讲(图6)注6)。在德国汽车工业协会(VDA)的外形规格“LN5”的尺寸(353mm×175mm×190mm)中可以收纳电池管理系统“BMS”。 

图6:计划用锂离子充电电池取代铅酸蓄电池的杰士汤浅
杰士汤浅开发出了可取代铅酸蓄电池的12V锂离子充电电池模块(a)。通过在正极材料中采用LFP,实现了可用于12V车载电装系统的充放电特性(b)。(图由《日经电子》根据杰士汤浅的资料制作)

注6) 杰士汤浅以“12V Lithiumion Battery for Start and Stop Applications”为题发表了演讲。 

       表示发动机起动性能的“CCA*”在欧洲规格中为770A,在美国规格中为870A,可在低温下使用。目前,杰士汤浅除了LN5外,还在开发可用于更小型汽车的“LN4”(315mm×175mm×190mm)和“LN3”(278mm175mm×190mm)锂离子充电电池模块。 

*CCA(Cold Cranking Amperes)=在-18℃的温度下,欧洲规格为放电10秒后的电压降至7.5V的放电电流值,美国规格为放电30秒后的电压降至7.2V的放电电流值。 

       而A123 Systems表示,“从2013年开始将与德国戴姆勒共同启动采用12V锂离子充电电池模块的新方案”(A123 Systems公司汽车营销总监Jeff Kessen,图7)注7)。A123 Systems称,通过用锂离子充电电池取代铅酸蓄电池,可将重量减轻约14kg,能为减轻车体重量做出很大贡献。 

图7:开发12V和48V锂离子充电电池组的A123 Systems
A123 Systems宣布,正在开发用于ISS的12V锂离子充电电池模块和用于弱HEV的48V锂离子充电电池组(a)。据该公司介绍,与配备100V以上锂离子充电电池的HEV相比,配备12V和48V系统的性价比更高(b)。(图(b)由《日经电子》根据A123 Systems的资料制作)

注7) A123 Systems以“Lithium-Ion for Micro-and Mild Hybrids”为题发表了演讲。 

       另外,A123 Systems还计划提供48V锂离子充电电池模块。该公司表示,利用100V以上锂离子充电电池模块的HEV虽然能大幅提高燃效,但专用部件和耐压部件成本高,难以实现高性价比。而12V的ISS车或48V的弱HEV不但能将燃效提高10~15%,而且性价比非常高。

奥迪和大陆就48V系统发表演讲

       积极致力于48V化的不只是A123 Systems。在本届AABC上,德国奥迪和大陆公司也就48V系统发表了演讲注8、9)。据奥迪介绍,该公司与德国宝马、戴姆勒和保时捷等5家公司已决定从12V系统向48V系统过渡。 

注8) 奥迪以“48V Architecture and Energy-Storage Requirements and Solutions”为题发表了演讲。 

注9) 大陆以“Hardware and Software Considerations for Securing xHEV Battery Pack”为题发表了演讲。 

       奥迪表示,采用铅酸蓄电池的12V系统不支持100A以上的电流值。但今后车载电装品需要最大实现3kW的输出功率。 

       为此,奥迪计划首先仍采用12V的起动发电机,但为车辆配备48V的锂离子充电电池模块(图8)。通过用DC-DC转换器连接48V的锂离子充电电池模块,最大可支持130A左右的电流。 

图8:推进48V化的奥迪
奥迪全面展开了48V弱HEV的开发。该公司计划首先使部分电装品实现48V化,用以补偿原来的12V系统。最终使驱动马达和发电机等所有需要输出功率的电装品都实现48V化(a)。该公司试制出了概念车“iHEV”,正在验证48V的弱HEV(b)。(图由《日经电子》根据奥迪的资料制作)

       另外,通过配备48V的起动发电机,最大可支持180A的电流值。奥迪的最终目标是,使电动涡轮和空调用压缩机等电装品都利用48V驱动。而且,打算实现能在行驶中停止和起动发动机、可以提高燃效的弱HEV,而不是ISS车。 

       实际上,奥迪已经试制出了弱HEV的概念车“iHEV”,并实施了验证试验。该车在发动机罩内配备了48V的皮带驱动式起动发电机和电动压缩机。后座下方设置了48V的锂离子充电电池模块,行李舱中设置了12V的铅酸蓄电池和12V的电装系统。 

       此外,大陆公司也计划使48V锂离子充电电池模块实现标准化。大陆与电池厂商SK Innovation设立了合资公司SK Continental E-motion,已于2013年1月开始营业。据介绍,现已开发出正极材料采用三元系、负极材料采用硬碳的10Ah电池单元。

关键字:车载  电池  低迷  希望

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/0412/article_6998.html
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