动力电池的能量消耗分析

电动汽车(bEV)是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。

在我国政府的大力推动下，国内电动汽车迅速发展，相比于传统的燃油汽车电动汽车具有诸多优点，例如加速性能好，行驶静谧，零排放等，因此不仅仅在我国，在全世界范围内，电动汽车的市场份额都在快速新增。据相关机构预测，全球电动汽车的销量在2020年将达到1300万辆，而到2030年将达到2.3亿辆，随着电动汽车的大规模普及，在2030年，可以使的美国的温室气体排放量相比于2005年减少20%-69%。

虽然电动汽车不会笔直排放有害气体和污染物等，但是实际上在电动汽车的加工和使用过程中依然会间接的出现一定污染，例如电动汽车所用的锂离子电池在加工过程中要消耗大量的能量，在电动汽车使用过程中还要对锂离子电池进行充放电，这些都会消耗能量，从而间接的出现污染物的排放。

在锂离子电池的加工过程中，紧要能耗发生在正、负极材料加工，电极涂布后的烘干过程和电池加工过程中干燥间干燥机组运行等过程。目前电动汽车紧要分为三大类：混合动力汽车、插电式混合动力汽车和纯电动汽车，这些汽车蕴含众多的锂离子单体电池，例如日产leaf电动汽车的24kWh电池模块，就蕴含192只单体电池，重达640磅，ChevroletVolt的16kWh电池模块，蕴含288只电池，重达435磅，如此众多的锂离子电池在加工过程中必然要消耗大量的能量，但是以往估算动力锂离子电池包的加工量耗中，由于缺乏笔直的厂数据，加工过程中的能耗往往是通过估算进行的，因此得出的数据也有很大的差异。

美国凯斯西储大学大学的ChrisYuan笔直从JohnsonControlInc.公司采集了加工数据，基于工业加工过程对24kWh锂离子电池包的加工量耗进行了分解。24kWh锂离子电池模块的加工量耗紧要分为三大部分：电池材料的加工消耗29.9GJ，锂离子电池的加工消耗58.7GJ，电池包的组装消耗0.3GJ能量。

电池材料加工量耗

ChrisYuan分解的24kWh锂离子电池模块的锂离子单体电池采用的为锰酸锂正极和石墨负极，首先我们一起分解电池中的原材料加工的能耗。在锂离子单体电池中，正极的组成比例为LMO：炭黑：pVDF=89:6:5，负极组成为：石墨：CMC=95:5，负极正极容量比为1.2，还蕴含电解液，隔膜，集流体、电池外壳，每只单体电池重量为868g，然后12只单体电池连接为电池模块，16个模块连接为电池包，再加入bMS，冷却系统。因此，在一个电池包中蕴含192只单体电池，电池包总重量为221.6kg，其中，单体电池166.6kg，冷却系统8.9kg，bMS8.5kg，结构件37.6kg，电池包不同部分的重量比例入下图所示。

对各个材料的加工量耗进行计算发现，LMO正极材料的加工耗能最高达到4890MJ，而石墨负极加工的耗能仅为1671MJ，铜和电池包结构件的耗能也分别达到了4737MJ和4241MJ，因此加工一个24kWh的电池包，原材料的耗能为29.9GJ。

锂离子电池加工过程中的能耗

锂离子电池的加工过程如下图所示，紧要蕴含匀浆、涂布和烘干，分切，电芯卷绕，电池装配，以及注液和化成等过程，其中能耗比较高的部分紧要是电极的烘干过程和电池加工过程中干燥间的干燥机组运行成本，例如一个可以每天加工400只电池的干燥间，干燥机组和锂离子电池加工设备的运行功率达到64.8kW

锂离子电池加工过程中每个步骤的能耗，如下表所示，其中有38%的能量消耗在了电极干燥过程，43%消耗在干燥间的运行中，整个24kWh电池包消耗在单体电池加工过程中的能耗为58.7GJ。

电池包的组装能耗

由于电池包的组装紧要由人工完成，因此能耗仅为0.03kWh/kg，因此整个24kWh电池包的电池包装能耗也仅为0.3GJ。

从上述分解可以看到，整个24kWh电池包加工过程中总的能耗达到了88.9GJ的能量，其中紧要是单体电池加工和原材料的加工过程能耗较高，不同部分的加工量耗占比如上图所示。ChrisYuan的研究还发现，环境温度和pVDF胶液的浓度对锂离子电池加工过程中的能耗影响比较大，例如当环境温度从10℃提高到25℃后干燥间的能耗下降了8%。环境湿度也对加工量耗有着显著的影响，将pVDF胶液浓度从4%降低到2%，电池包的加工量耗可以从50.1kWh/kg下降到40.5kWh/kg。