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電池適用場景不同,現實應用對二者性能、使用壽命等有不同要求,使得電池有了制造領域上的分野。鋰離子電池按照應用領域分類可分為消費、動力和儲能電池。 消費鋰電市場趨于飽和,進入存量競爭,動力、儲能電池興起。1991年,索尼公司發布首個商用鋰電池,鋰離子電池在商業領域中的應用從此拉開序幕。2001年以后,手機、MP3等便攜電子設備發展迅速,由此帶動了鋰電池行業需求的增長。據鉅大鋰電,2011年,全球智能手機出貨量僅為4.91億部;到2016年,全球智能手機總銷量已高達14.7億部。智能手機的快速普及,擴展了鋰電池需求。不過,智能手機過去幾年高速增長后,市場已接近飽和,2016年同比增速僅有2%,遠低于2015年10.4%增速。數碼相機、平板電腦等消費電子同樣類似,在經過初期大幅增長后,同比增速在逐步放緩。取而代之的是電動交通工具、儲能等新興市場。 1.應用場景不同 目前來看,動力電池和儲能電池是鋰電池未來發展潛力最大的領域,用于電動交通工具的電池和用于儲能設備的電池本質上講都是儲能電池。目前,儲能電池與動力電池二者在技術原理并未形成差異,但由于應用場景的不同,現實應用對二者的性能、使用壽命等有著不同的要求。 動力和儲能電池系統產品按產品形態不同可分為電芯、模組和電池包。電芯是動力電池產品的核心基礎構成單元,一定數量的電芯可組成模組,并進一步裝配成套為電池包,最終應用在新能源汽車中的形態為電池包。
圖1:動力電池、儲能電池產業鏈
表格1:動力電池和儲能電池的不同之處 2.系統結構及成本構成有差異 完整的電化學儲能系統主要由電池組、電池管理系統(BMS)、能量管理系統(EMS)、儲能變流器(PCS)以及其他電氣設備構成。電池組是儲能系統最主要的構成部分;電池管理系統主要負責電池的監測、評估、保護以及均衡等;能量管理系統負責數據采集、網絡監控和能量調度等;儲能變流器可以控制儲能電池組的充電和放電過程,進行交直流的變換。
圖2:電化學儲能系統結構示意圖 儲能系統的成本構成中,電池是儲能系統最重要的組成部分,成本占比60%;其次是儲能逆變器,占比20%,EMS(能量管理系統)成本占比10%,BMS(電池管理系統)成本占比5%,其他為5%。
圖2:電化學儲能系統結構示意圖 動力電池PACK指新能源汽車的電池包,給整車運行提供能量。車用動力電池PACK基本上由以下5個系統組成:電池模組、電池管理系統、熱管理系統、電氣系統及結構系統。
圖4:動力電池系統
表格2:動力電池系統組成部分 動力電池系統成本由電芯、結構件、BMS、箱體、輔料、制造費用等綜合成本組成。電芯占據80%左右的成本,Pack(包含結構件、BMS、箱體、輔料、制造費用等)成本占據整個電池包成本約20%。
圖5:動力電池系統成本構成 3.BMS有差異在電池包中,BMS(電池管理系統)是核心,它決定了電池包的各個部件、功能能否協調一致,并直接關系到電池包能否安全、可靠的為電動汽車提供動力輸出。當然,結構件的連接工藝、空間設計、結構強度、系統接口等也對電池包性能產生著重要的影響。 儲能電池管理系統,與動力電池管理系統類似,但動力電池系統處于高速運動的電動汽車上,對電池的功率響應速度和功率特性、SOC估算精度、狀態參數計算數量,有更高的要求,相關調節功能也需要通過BMS實現。
表格3:儲能電池與動力電池BMS差異 4.循環壽命差異大儲能電池、動力電池循環壽命差異大,這與材料、壓實密度等相關。 動力電池和儲能電池在循環壽命的要求上有較大差異。以電動車為例,三元磷酸鐵鋰電池組理論壽命為1200次,按使用頻率來說,三天一次完全充放電,一年120次完全充放電,三元鋰電池日歷壽命達到十年。儲能電池充放電更為頻繁,在相同的10年日歷壽命的前提下,對循環壽命有著更高的要求,若儲能電站和家用儲能以每天一次的頻率進行充放電,儲能鋰電池的循環次數壽命一般要求能夠大于3500次,若提高充放電頻率,循環壽命要求通常要求能夠達到5000次以上。 從電池結構來看,材料種類、正負極壓實密度、水分、涂布膜密度等因素均會對電池循環性能造成影響。
表格4:影響鋰離子電池循環壽命因素
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