电动汽车电池（共12篇）
电动汽车电池 篇1
摘要：随着我国汽车保有量的增加, 汽车排放的问题日益严重。为了应对能源危机、环境污染和气候变化, 发展电动汽车是一个重要方向。中国如要继续发展汽车工业和普及汽车, 一方面必须大幅度节省燃料消耗;另一方面必须寻找数量级与石油相当的燃料来源, 而唯一能在数量级上与石油燃料相提并论的只有电力资源。
关键词：电动汽车,电池,智能
1 磷酸铁锂电池的特性和使用问题分析
单体磷酸铁铿电池寿命目前可超过1500次, 但电池组的寿命会大打折扣, 有可能是800次。因为电池组是由大量单体电池串并联而成, 其工作状态好比一群人用绳子绑在一起跑步, 即使每个人都是短跑健将, 如果大家的动作一致性不高, 队伍就跑不快, 整体速度甚至比跑得最慢的单个选手的速度还要慢。电池组同理, 只有在电池性能高度一致时, 电池组寿命才能接近单体电池的水平。从生产环节影响磷酸铁铿电池一致性的因素主要有三点如下。
(l) 原材料的品质:特别是磷酸铁铿材料系新生事物, 其制造设备、合成工艺都不成熟、品质易出现波动, 导致电池产品一致性受到影响。
(2) 生产环境:磷酸铁铿电池是一个化工原料众多、工艺繁杂的高科技产品, 其生产环境对温度、湿度、粉尘等都有很高的要求, 如果没有控制到位, 电池品质将出现波动。
(3) 制造设备:生产过程中手工的成分越少、设备自动化程度越高, 电池一致性越好。
总之, 在制造过程中, 由于工艺问题和材质的不均匀, 使电池极板厚度、微孔率、活性物质的活化程度等存在微小差别, 这种电池内部结构和材质上的不完全一致性, 就会使同一批次出厂的同一型号电池的容量、内阻等参数值不可能完全一致。
除了在生产过程中, 工艺和材料的问题会造成各电池之间的不一致性外, 在装车使用时, 由于电池组中各个电池的温度、通风条件、自放电、电解液密度等差别的影响, 在一定程度上也会增加电池电压、内阻及容量等参数的不一致性。铿离子蓄电池在电动汽车上应用时, 必须对其进行热管理。在设计热管理系统尤其是确定热管理控制策略前, 则必须首先考察电池的温度特性。
磷酸铁铿电池不怕高温, 但是温度太高时也会影响电池的性能, 所以磷酸铁铿电池温度高时可以采用风冷措施控制电池温度。磷酸铁铿电池温度特性中主要问题是低温性能差, 电池的工作温度一般为20℃~60℃, 尽管人们通过各种方法 (例如铿位、铁位、甚至磷酸位的掺杂改善离子和电子导电性能, 通过改善一次或二次颗粒的粒径及形貌控制有效反应面积、通过加入额外的导电剂增加电子导电性等) 改善磷酸铁铿的低温性能, 但是磷酸铁铿材料的固有特点, 决定其低温性能劣于锰酸铿等其他正极材料。
2 电池管理系统对磷酸铁锂电池的管理策略研究
2.1 磷酸铁锉电池的均衡控制策略
为了提高电池组的容量利用率, 同时尽量减少电池过充过放的可能, 必须在电池组中加入电池均衡控制, 延长电池组的使用寿命。常见的均衡控制方法有:电容切换均衡法、使用DC/DC变换器均衡法、电池SOC均衡法、电阻分流均衡法等。电容切换均衡法这一均衡方式使用一系列电容对串联电池组中相邻两个电池的能量进行转移, 随着电容在两个单体电池之间的来回切换, 整个电池组中各个单体电池的电压就会趋向相同, 从而实现均衡效果。这种方法需要实现单刀双掷开关, 布线较多, 实现起来比较麻烦。
选择在充电的过程中对电池进行均衡控制, 均衡控制策略如下。
(1) 充电正常结束时, 当有某节电池或多节电池电压超过均衡开启电压时, 将这些电池标记为需要均衡的电池。在下次充电过程中, 开启这些电池对应的均衡电路电阻就会分流掉一部分充电电流, 使这些电池的充电电流小于其他未开启均衡的电池的充电电流, 其他电池的电压上升速度就会比这些电池的电压快, 电池的电压就会逐渐趋向一致。
(2) 充电正常结束时, 当所有电池电压都超过均衡开启电压时, 这时候说明电池的一致性已经比较好了, 下次充电过程无需对电池进行均衡。具体的均衡开启电压值在试验中获取。实际使用中均衡电流不能太大, 太大的话电阻发热较大, 并且受电池管理系统体积限制, 电阻功率不能选得太大。因均衡电流较小, 所以单次充电过程仅能轻微改善电池的不一致性。当电池的一致性差得比较大时, 可以在多次充电过程中逐渐改善电池的一致性。
2.2 磷酸铁锉电池的热管理策略
当检测到电池温度达到开风机温度阂值时, 电池管理系统启动风机对电池进行降温, 直到温度降到关风机闭值时关闭风机。电池管理系统通过对风机的滞环控制实现对电池的冷却。当天气过热或电池组异常运行, 开启风机后电池温度仍然继续上升至报警闭值时, 电池管理系统就要发出报警信号, 提醒人员停止车辆运行, 对电池组进行检查和冷却, 确保铿电池的安全。
当检测到电池温度过低时, 电池管理系统启动加热器对电池进行加热, 直至电池上升至规定温度时才关闭加热器。同样的, 电池管理系统通过对加热器的滞环控制实现对电池的加热。
3 智能电池系统的整体设计与运行模式
3.1 快速更换模式
在这种运行模式下, 电池包需要从车上卸下来, 然后用地面充电机对其进行充电。这时, 智能电池包就是一个完整的系统, 要完成对电池的检测、状态估算、故障报警、热管理、均衡管理还有充电管理。每一个智能电池包自己对电流进行测量, 然后用安时计量对SOC进行估算, 并在充电后期对SOC进行修正。当电池包充完电并更换到车辆上时, 主控模块巡检每一个电池包的SOC, 并取电池包中SOC的最小值作为整车的SOC。因为虽然有的电池包SOC比较高, 但是当所有电池包串在一起的时候, 只要SOC比较低的那一包电池没电了, 整个串在一起的电池组也就不能使用了, 所以说整组电池的SOC由最小SOC的那一包电池决定, 因此电动汽车电池组快速更换完成后, 主控模块会取SOC最低的那一包的SOC值作为整车的SOC值。
3.2 整车运行模式
在此模式下, 主控模块通过内部CAN总线接收每个智能电池包发送过来的电池电压、温度、SOC等信息, 然后对从整个电池系统的角度估算电池组的状态, 对电池组作出评价和故障报警。主控模块自己也对电流进行测量, 并对充放电进行管理。主控模块还对电池组的绝缘性能进行测量, 存在绝缘问题时作出报警。主控模块最终通过CAN总线将电池信息、报警信息发送给整车控制器和监控终端, 将充电相关信息发送给充电机。
参考文献
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电动汽车电池 篇2
电池组是电动汽车上最昂贵的组件，如泰斯拉跑车（Tesla Roadster）和日产Leaf（Nissan Leaf）都是这样。这一成本不是使电动汽车太昂贵，大多数人买不起，就是促使汽车制造商采用小型电池组，限制了汽车的行程。
为了降低电池成本，提高其性能，五河公司创办者，中国科学院化学教授于郭郭（Yu-Guo Guo），开发了新的，低成本的方式，提高锂铁磷酸盐（lithium-iron phosphate）的性能，这是一种领先的锂离子电池电极材料，他也开发了其他有前途的电极材料。
通常情况下，锂铁磷酸盐的电导率过低，不能使用。这一电导率可以提高，只需把它研磨成极其精细的纳米粉末，就像一些公司如A123系统公司（A123 Systems）所做的。由于这种粒子很小，电子或锂离子这两者都必需产生电流，因而就可以很快地进出它们。但是，这种粉末很难使用，会提高制造成本。
于郭郭的解决方案是集成磷酸铁（iron-phosphate）纳米粒子，它们更容易密集堆积，不太可能变成在空气中传播，但是会保留高导电性。他没有提供精确的细节，但他说，这项技术是基于他早期发表的一些作品。这项工作的一个例子中，他把纳米颗粒嵌在多孔碳（porous carbo）制成的较大颗粒中。碳导电性好，而微孔容纳电解质材料，传导锂离子很好。
于郭郭说，这些材料的制备只贵了10％到20％，这是对比大块锂磷酸铁而言。但是，它们可以传导的电力约两倍于这种块状材料，也使锂磷酸铁可以获得两倍多的能量，大约使能量存储容量提高一倍。他说，按每瓦时计算，这种材料的成本等同于其他锂磷酸铁电极材料。但是，由于这种材料较容易使用，它也可削减成本，把这种材料装进电池单元。五河公司是于郭郭去年年底成立的，公司已经能够每年生产300吨电极材料，足以制成约3000万个标准锂离子电池单元。公司也制造电池单元，首批应用是电动自行车。目前，公司可以生产足够的电池，大约每年供应500辆电动汽车。
Jeff Dahn是Dalhousie University的物理和化学教授，他说，根据公司的业绩数字，磷酸铁电池将是“非常有用的”，并且性能更好，胜过现在电动雪佛兰伏特（Chevrolet Volt）使用的电池。他预测，五河公司会找到市场。
铅酸电池不等于落后技术
铅酸电池，是电极主要由铅及其氧化物制成，电解液为硫酸溶液的一种蓄电池。法国人普兰特于1859年发明的铅酸电池，已经历了近150年的发展历程，被广泛应用于交通、通信、电力、军事、航海等多个领域。
如今，在大力发展电动汽车的背景下，铅酸电池应用于新能源汽车上，受到了一些质疑。奇能电池（江苏）有限公司总经理费扬告诉记者，铅酸电池存在很多弊端。“铅酸电池含有铅和酸性物质，容易造成污染。另外，铅酸电池的使用寿命也达不到汽车的要求，一般使用1年左右就要更换。对于新能源汽车所要求的能量密度，铅酸电池也恐难以达到。”
不过，也有人依然看好铅酸电池。“在目前镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等相继上市的情况下，铅酸电池仍能在市场上占有一席之地。这绝非偶然。”中国电池工业协会副理事长、天能电池集团董事长张天任认为，“铅酸电池是相对成熟的动力电池，但绝不等于落后技术。铅酸电池有很多优点，技术成熟、成本低、安全性好、可回收再利用、有记忆效应，缺点是体积大、比容量低，循环寿命不够长。”
近年来，铅酸电池在竞争中发展了许多新技术，如三维及双三维结构电极和全密封式、管式、水平式等新结构；使用新的铅合金电极，可促进比能量逐渐提高，循环寿命可长达4500次。“目前铅酸电池的利用率不到50%，还有很大的提升空间。通过不断的技术革新，铅酸电池将焕发出新的生机。”张天任说。
至于铅酸电池的污染问题，有专家指出，国际先进的工艺技术可对铅酸电池的污染进行有效控制。国内先进铅酸电池企业的环保排放达标率已由十年前的5%提高至99.5%，而且可实现循环利用。
■铅酸电池升级版已问世
除铅酸电池本身的性能改进外，铅酸电池的应用结构也在发生着变化。哈尔滨工业大学应用化学系主任胡信国提出了“超级电池”的概念。据他介绍，超级电池是把铅酸电池和超级电容器混合在一起，同时具备铅酸电池和超级电容器的功能。超级电池把铅酸电池负极板的一半做成超级电容器的„碳电极‟，另一半做成铅酸电池的„铅负极‟，在电池内部将两者并联起来。汽车启动时所需的大功率用电由碳电极提供，匀速行驶时所需能量由铅酸电池的铅负极提供。车辆需要大电流时，超级电容器起主要作用。两者功能实现互补，比普通铅酸电池更具优越性。
据介绍，这种超级电池的体积比超级电容器小，价格比普通铅酸电池稍高一点，但比镍氢电池和锂电池都便宜。“价格只有镍氢电池的1/4。它是由制造技术成熟的铅酸电池升级换代而来，因此在成本上不需要更多投入，同时安全性也有保障。超级电容器可保证很大的功率，能满足强混合动力车的要求。”胡信国说。
■铅酸电池未来仍有市场
不论何种技术，先进也罢，落后也罢，最终决定其能否生存的都是市场。在张天任看来，目前乃至于未来10~20年内，铅酸电池还会在动力电池系统中占据重要地位。“如果超级电池取得成功，铅酸电池加上超级电容器或其他系统配置，能够基本达到新能源汽车的使用要求，实实在在做出来的产品，肯定比试验室里的东西更有说服力。”
中国汽车工程学会副秘书长张进华认为，尽管新能源汽车发展热潮并没对提高铅酸电池性能有过多预期，但我国汽车市场很大，铅酸电池还有发挥作用的空间，所以不能简单淘汰，应该允许在一些车型上使用。
同济大学研究生院副院长、汽车学院车用动力学责任教授李理光认为，现在高性能铅酸电池技术成熟，已经实现产业化，一些混合动力车型的启停系统都采用了高性能铅酸电池，值得推广。
电动汽车：等待对的电池 篇3
确切地说，领略汽车业未来。特斯拉、日产聆风和丰田普锐斯或类似的汽车，在路面上比比皆是。电动汽车和混合动力汽车与普通燃油汽车在车流中交相辉映；许多企业、购买中心和家庭也都安装了充电桩。
如果电动汽车厂商们果真如愿以偿，这就是我们在某个时段都会置身于其中的未来；汽车厂商们正不惜投入巨资，让这一幕成为现实。问题是，将小片地区的需求变成全国地区的需求有多容易？
在加州另一处，埃隆·马斯克（Elon Musk）创办的特斯拉汽车公司（Tesla Motors）最近提议计划，在尚未披露的美国西南地区新建一家巨型电池工厂（具体厂址成了热议话题）。这个所谓的“千兆工厂”预计造价高达50亿美元，定于2020年生产的锂离子电池可满足50万辆汽车的需求——年产量超过2013年全球年产量。
可是一些人士认为，等到这家工厂破土开张，特斯拉的计划到时似乎就过时了。IHS Automotive是领先的全球汽车业务情报提供商，该公司的高级规划主管菲尔·戈特（Phil Gott）认为，特斯拉的宏伟计划“恐怕考虑欠周”。原因是，正在研发的新技术有望提供更出色的替代技术，解决专家们所说的电动汽车面临的最大阻碍因素之一。
电动汽车面临的这个问题就是，电池又大又重；因而，安装上去的电池数量很有限。比如说，特斯拉Model S的电池组平铺在汽车地板上，大概长2米、宽1.2米。在顶级配置车型中，电池组提供大约300英里（482公里）的行驶里程，之后就需要插入充电桩充电。日产聆风充一次电可以跑80英里（128公里）左右。除此之外，充电过程比起只需加油要慢得多。
那么，如何才能生产出性能更好的电池？从最基本层面来说，电池含有正负极、隔板和电解质。许多不同类型的材料可以用作电解质，不同的材料组合让电池可以贮存不同数量的能量。不过，要是材料发生变化，电池续航时间和安全特征也随之变化，所以总是少不了折中办法。锂离子电池大行其道，但发生过锂电池在飞机上短路起火的事件，因而携带受严格限制。任何活性更强或不稳定的电池都有安全 隐患。不过，如果设计出最佳的材料组合，有望获得巨大回报。
在最近研究工作之前的数十年中，电池技术已得到了一系列改进。
最先问世的是铅酸电池，这种电池今天仍然广泛应用于汽车，它们个头庞大。接着出现了镍镉（NiCad）电池，这种可充电电池由此开启了便携式技术唱主角的新时代：笔记本电脑和手机等移动设备，还有我们小时候的遥控汽车。再后来出现了镍氢（NiMH）电池，电池容量或能量密度大概翻了一番。现在，现代化的设备和电动汽车普遍使用锂离子（Li-ion）电池。
展望未来，准备迎接名字越来越复杂的电池技术，比如锂镍锰钴氧（LiNiMnCo）电池。这种材料的特性很复杂；眼下，研究人员致力于不仅搞清楚为何这些材料能工作，还要搞清楚如何工作——电子在材料中移动的基本物理原理。
丹尼尔·亚伯拉罕（Daniel Abraham）是美国阿尔贡国家实验室的材料科学家，他说：“我们阿尔贡国家实验室在研究一些材料，它们有望将电池当前的能量密度提高一倍。我们先梦想或设想想要处理的材料，然后努力在实验室合成材料。”
目前，备受瞩目的几种电池包括：锂空气电池（更确切地说是锂氧气电池）和锂硫电池。若能做到可以在各种条件下正常工作，锂氧气电池的性能有望比目前的锂离子电池大幅提升，提高整整一个数量级。亚伯拉罕说：“这是当前一个非常热门的研究领域。”
的确，大众汽车公司最近暗示，它在研究锂空气电池。由于开发工作还没有最终完成，大众采用的具体的化学/材料组合还没有透露。这家公司的工程师们甚至不愿表示这项技术已在汽车中进行了测试，还是仍处在“实验台”阶段。
不过，虽然这项技术有望带来变革，但想要生产出工作起来持续、可靠、安全的锂空气电池，还面临一大堆技术挑战。到目前为止，试验证明电极很不稳定。
不过世界各地的实验室正在努力破解这个难题，试图克服种种缺点。但愿更重视这些“超锂离子”技术，会确保研发过程加快，并从长远来看，确保汽车跑得更快、跑得更远。
电动汽车电池技术发展综述 篇4
能源短缺、大气污染和气候变化等问题是全球汽车产业共同面临的巨大挑战,交通能源转型势在必行。在实现能源转型、制定车用能源可持续发展战略的过程中,我国与世界主要发达国家都毫无例外地选择电动汽车作为本国汽车行业发展的主要方向之一。电动汽车采用电能取代石油等化工燃料作为动力,是未来交通的长远解决方案[1]。对于电动汽车而言,其动力电池的主要性能指标有比能量、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。为了保证电动汽车具有竞争力,就要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池[2]。目前的动力电池主要有蓄电池和燃料电池,在蓄电池的选择上,有铅酸电池、镍基电池、锂离子电池、空气电池和钠电池等。本文将针对铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和空气电池这4种电动汽车电池进行介绍。
1 动力电池的发展历史
第1代电动汽车EV1由美国通用汽车公司在1996年制造,采用的是铅酸电池技术。通用汽车公司1999年研发第2代的电动汽车以镍氢电池为动力源,一次充电的行驶里程是前者的1.5倍,同样因无竞争力而退出市场。同期,日本丰田汽车公司利用镍氢电池技术制造了将内燃机和电动机相结合的第3代电动汽车,即混合动力车。2006年锂离子电池技术的迅速发展,特别是在安全性方面的大幅提高,使之逐步被应用于纯电动汽车和混合动力汽车,成为镍氢电池强劲的竞争者[3]。2014年12月初,西班牙研发出石墨烯电池,也叫做“超级电池”,引起整个电池行业的关注。2015年,剑桥大学攻克了锂空气电池开发中的技术难关,使这项技术向前迈出了重要一步,预示着研究领域全新的发展。
2 动力电池的工作原理及特性
2.1 铅酸电池
铅酸蓄电池(RLAB)的正极材料为Pb O2,负极材料为Pb,电解液为稀硫酸溶液。其反应机理是:
铅酸电池因价格便宜,材料来源丰富,比功率较高,技术和制造工艺成熟等综合因素被广泛运用在动力电池上。但铅酸电池也存在一些不足,主要有以下几点:1)比能量低,所占的质量和体积太大,一次充电行驶里程较短;2)使用寿命短,经常更换导致长期使用成本高;3)由于铅是重金属铅酸电池还存在污染问题[5]。所以,铅酸电池作为动力电池,其未来研究重点是解决比能量低以及高倍率部分荷电状态时寿命严重缩短的问题。
2.2 镍氢电池
镍氢电池以金属氢化物为负极活性材料,以Ni(OH)2为正极活性材料,以氢氧化钾水溶液为电解液。镍氢电池在充放电过程中的电化学反应如下:
相比铅酸电池,镍氢电池在能量体积密度方面提高了3倍,在比功率方面提高了10倍。镍氢电池独特的优势包括:更高的运行电压、比能量和比功率,较好的过度充放电耐受性和热性能[3]2。但镍系电池有记忆效应,且电池单体的电压较低,不易组成大容量电池组,为了达到一定的功率和电压等级需要大量的串联电池,随之带来的一致性问题会限制其应用[6]。并且,镍氢电池价格高,均匀性较差,特别是在高速率、深放电情况下,电池之间的容量和电压差较大,自放电率较高,性能水平和现实要求还有差距等问题,这些都影响镍氢电池在电动汽车上的广泛使用[7]。
2.3 锂离子电池
目前锂离子电池中已经投产的有液体锂离子电池(Li B)和聚合物锂离子电池(PLi B)2种。锂离子电池的正极材料有Li Co O2、Li Ni02、Li Mn02、Li Fe PO4等化合物,负极材料一般采用能嵌入锂的石油焦碳、纯石墨和层状混合碳等材料[4]75。以Li Fe PO4为例,锂离子电池的充放电的化学反应式为:
锂离子电池在能量密度和充放电性能等方面均优于其他类型的电池,其工作电压高(3.6 V~3.9 V)、质量轻、比能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长[6],因此它几乎占据了动力电池整个市场的半壁江山。但锂离子电池技术已经沉寂了20年没有大的技术革新,最大的障碍在于锂离子电池功率密度有限,其大量能量无法快速接收或释放[8],并且在安全性、循环寿命、成本、工作温度和材料供应等方面也存在缺点[3]4。而磷酸铁锂电池由于热稳定性好、循环寿命较长和安全性好等优势,如今已经成为下一代动力电池最有力的竞争者。并且我国有丰富的锂矿,铁的价格也十分便宜,这就大大降低了磷酸铁锂电池的成本,使其在动力电池的选择上占有优势。
为了解决锂离子电池的缺点带来的问题,锂离子电池也尝试了多种正极材料的改进,比如石墨烯。2004年,安德烈·海姆博士和康斯坦丁·诺沃肖洛夫博士2人共同发现石墨烯这种物质,它很薄,是超导体,透明度高,非常坚硬[9],重要的是它的结构可以改变锂电池技术长期没有突破的障碍。2014年12月,西班牙Graphenano公司和西班牙科尔瓦多大学合作研发出石墨烯电池[8]。这种电池的优势在于:储电量高,使用寿命长,供电持续时间长,充电速度快,质量轻,成本低。这些优势使研究者们对石墨烯产生了极大的兴趣。
目前石墨烯的研究总体上分2块:一是在传统锂电池上进行应用,着重的是改进、提升锂电池的性能,这类电池不会产生颠覆性的改变;二是依据石墨烯制造一个新体系的电池,这是一个崭新的系列,在性能上是颠覆性的,称作“超级电池”。
2.4 空气电池
1)锌空气电池
锌空气电池主要由空气电极、锌电极、电解液和隔膜组成,以空气中的氧气作为正极活性物质,金属锌作为负极活性物质,使用碱性电解液[8]1303。放电时电化学反应如下:
锌空气电池原材料价廉、质量比能量较高、工作电压平稳、电池的生产过程对环境没有明显的影响[9]、无污染、不燃爆、可循环利用等优势,但是也存在诸多问题制约着它的发展,如:使用寿命不高,空气电极在催化剂选择上要兼顾效用和成本两方面的因素,锌电极的更换再生过程比较繁琐等。总的来说,锌空气电池作为一种清洁能源,虽然有以上问题需要解决,但仍非常适宜用作电动汽车的动力电源,具有很大的开发潜能。
2)锂空气电池
锂空气电池采用了电负性极低且最轻的金属锂负极与空气中氧为正极的组合设计,质量和电压优势最为突出[10]。它的化学反应原理十分简单,其放电时化学反应如下:
和目前的可充电电池中盛行的锂离子技术相比,锂空气电池理论上有能量密度可能要高10倍的巨大优势,以至于全球的研究人员都在开展锂空气电池的研究。而锂空气电池至今都未普及的原因在于它存在致命缺陷,即固体反应生成物氧化锂(Li2O)会在正极堆积,使电解液与空气的接触被阻断,从而导致放电停止。目前,适合长寿命高功率锂空气电池使用的电解质系统设计和高效空气电极的开发,是发展锂空气电池的两大重要课题[11]。
2015年11月,化学教授克莱尔格雷和她的团队攻克了锂空气电池开发中的技术难关,尤其是化学上的不稳定问题。研究人员使用了氢氧化锂而不是过氧化锂作为锂空气电池的制造原料,锂空气电池选用石墨烯制作电极,使得锂空气电池更稳定、更高效,可以充电2 000次以上,能源效率达到了93%左右。这种电池可大大拓展电动汽车的续航里程,并大幅改观电力存储的经济效益。不过,锂空气电池仍处于进一步研究阶段,目前锂空气电池的充电、放电水平依旧非常低,距锂空气电池技术成形、大规模实用阶段可能需要10年以上时间。
克莱尔格雷和她的团队取得的成就使这项技术向前迈出了重要一步,预示着全新的研究领域,相信未来锂空气电池技术的成熟会为电动汽车市场注入新的活力。
3 结语
电动汽车的发展与动力电池有着直接关系,所以动力电池的研制十分重要。近两年,动力电池技术的发展取得了不少的进步。目前看来,铅酸电池价格较低,比较适合我国的消费水平。镍氢电池已被列为近期和中期电动汽车首选动力电池,但很多问题会影响镍氢电池在电动汽车上的广泛使用。锂离子电池有着较好的性能,目前磷酸铁锂电池在动力电池的选择上占有很大优势;随着对石墨烯电池研究的发展,未来锂离子电池可能会成为普遍的电动车用动力电池。而空气电池目前有了新的突破,但仍然处在研究阶段。如果能研制出性能与经济性兼得的动力电池,并能生产出被消费者接受的电动汽车,将大大缓解我国的环境和能源压力。
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电动车电池简介 篇5
但是，人们正越来越关心一个问题：那么多电动车的电池组是否会成为另一个环境的负担？要知道，一个小小的钮扣电池就能污染大约60万升水，相当于你一辈子喝水的总量；而一节传统的含汞1号电池烂在地里，能使周边1平方米的土地失去任何农用价值。当前欧盟国家每年共售出80万吨汽车电池、19万吨工业电池和1.6万吨家用电池。当电动车的时代来临之后，全球的数字还将更加恐怖。
如果说那些使用过的电池组将像垃圾一样被堆在路边，又有点言过其实。因为即使当汽车电池的使用寿命结束之后，一个用过的锂离子电池仍然保留着其大部分的储藏能量的能力。很多分析师都预计，在2010年之后，废旧电池的二手市场将会大幅增长。
但是，反对者担心的是，一旦这成为现实，就需要很大的一个基础设施建设去收集这些废弃的电池组，然后还要重新评估它们的价值，再将它们向消费者重新销售。这可以在短期内实现吗？
说得没错，但现在有一个很现成的例子，就是汽车中装载的用于启动汽车的常规12伏铅酸蓄电池。这种电池每年都要被装载到7000万辆新建造的汽车上，因其含有铅和硫酸，是垃圾场里最危险的物品之一。
根据美国环境保护署的统计，仅在美国，每年差不多需要耗费1亿颗汽车启动电池，其中有99%已经被回收和循环利用。因为美国的用户如不把废旧电池交回制造商、零售商或者批发商，每买一节新的蓄电池要多付3美元至5美元。
一颗12伏常规电池中，将近97%的铅能够被回收利用。而电解液，尤其是硫酸，可以被中和，然后派上其他用场，比如转换成硫酸钠，做成肥料或者染料。即使是电池的塑料外壳，也能被重新利用。
中国现在到处都能够看到电动自行车，其电瓶也大多是铅酸蓄电池。电动自行车的电瓶是易耗品，平均使用1年左右就要更换。浙江绿源电动车有限公司品牌中心经理丁霄表示：“目前报废的铅酸蓄电池，基本上可以修复，修复后效率可达新电池的80%以上，第二次修复效率也有50%以上。”
该公司当前的做法是：针对任何品牌的电动车和汽车的铅酸蓄电池，对尚可修复的，通过专用技术进行修复，重新投入使用；对彻底损坏不能修复的铅酸蓄电池，回收后交由有资质的铅锌处理企业，提炼再生铅。
不少省、市也明确规定，市场上销售的电动自行车，凡购买新电池者必须交回废电池，否则不予出售新电池。
但是这种回收工作并不总能做好。环保组织铁匠基金会（Blacksmith）认为，世界上最严重的10个污染问题，其一就是错误拆除铅酸电池造成的。
有很多回收废品的是一些地下加工厂，他们将回收来的铅酸蓄电池存放在不具备条件的空地或仓库里，加工过程也没有资质，造成了铅的大量浪费和三废的大量排放。
在瑞士和日本，每处理一吨废电池，政府要补贴废电池处理企业约合人民币5000元；而在韩国，电池厂家每生产一吨要交一定数量的保证金，用于支付回收者、处理者的费用，并指定专门的工厂进行处理；还有的国家对电池生产企业征收环境治理税或对废旧电池处理企业进行减免税等。
经过长时间的发展，铅酸蓄电池早已进入成熟期，并曾一度广泛应用到电动客车上。但其容量低、体积大、污染严重的种种缺点，使其逐渐被汽车企业所弃用。相比之下，锂离子电池的单位重量储能高，价格也不昂贵，基本无毒。因此现在的新能源汽车普遍倾向于采用磷酸铁锂和锰酸锂电池。
锂离子电池组从去年开始首次被用在汽车上——世界上第一辆使用锂离子电池的汽车是梅赛德斯-奔驰2009款的S400混合动力车——越来越多的其他汽车制造厂商也开始做同样的事情。
同时，回收电池也成为电动汽车制造厂商无法回避的问题。在全球混合动力车市场占据大半江山的丰田汽车公司，已经为其经销商就如何正确处置像普锐斯汽车上那样的废弃的镍氢电池组，而建立了标准程序。
接下来，就要看各国政府的表现了。
电池处理全攻略
碱锰电池
常用设备：碱锰电池可用于任何设备，从照相机和手电筒到遥控器都会使用它。
回收方法：丢进普通的垃圾桶吧。因为在碱锰电池中已经停止使用汞。如果你决定把碱锰电池扔进垃圾桶的话，你可以采取以下措施来防止泄露：1.将多个电池装在同一个塑料袋里；
2.用胶带封住各个电池的两端。
回收结果：回收这些电池可以获得钢和锌，这是两种很有价值的金属。
镍镉电池
常用设备：镍镉电池即是廉价版的可充电式碱性电池，可进行上百次的充电。很多名牌的可充电电池往往是镍氢电池。
回收方法：小常识，镍镉电池价格的一部分包括了回收处理所需的费用。由于含有毒的镉金属，不可丢弃在垃圾场中。在超市，会有镍镉和镍氢电池的回收点。
回收结果：加热将高温金属镍和铁从低温金属锌和镉中分离出来；有些金属在融化后会凝固，而其它则作为金属氧化物再处理。
锂离子电池
常用设备：锂电池采用的是一种最先进的可充电技术，通常用于手机和电子消费品。这些电池也可以作为电动车的电源。
回收方法：不要储藏或把锂电池扔到垃圾场，原因之一是，当它们接触高温时，有可能会过热和爆炸。大多数情况下，处理手机、笔记本电脑等电子设备的公司也会处理这种电池。因此，你可以轻易地找到回收场所。
回收结果：这些电池的回收方法与镍镉电池相同，以生成有用金属。
氧化银电池
常用设备：这是一种比较普遍的扣式电池，通常用于计算器、助听器和手表中。除了其尺寸较小外，扣式电池的其他特点包括储藏寿命较长，以及可在低温下照常使用。
回收方法：氧化银电池和其他的扣式电池含汞，因此必须回收。大多数情况下，会有专业人士来替换这些电池，因此可以问问他们能否帮你回收电池。
回收结果：通常会在回收过程中被压碎，以回收有用的重金属。
铅酸电池
常用设备：用于为自动化设备供电，如汽车、船只、摩托车。
回收方法：与其他电池类似。如果你购买了新电池，可在先询问关于旧电池的回收方法。
电池拖慢电动汽车进程? 篇6
实际上，今年初以来，政府相关部门就对铅酸蓄电池行业环境污染问题展开了严厉的排查、整治行动，正酝酿推出《铅酸蓄电池行业准入条件》。此次事件的发生，或加速以上《准入条件》的推出。
中投顾问新能源行业研究员沈宏文告诉《英才》记者，在此轮的铅酸电池整改中全国近87%的铅酸蓄电池企业被关停或转产，影响的产能达到50%—60%，造成铅酸电池供应紧张，给予锂电池以可趁之机。
厦门大学中国能源经济研究中心主任林伯强也认为，锂电池替代铅酸电池是一个趋势，但铅酸电池要全部淘汰仍需要一个逐步的过程。
关键在于铅酸电池在价格上占据了绝对的优势，并且技术已经很成熟，相同电容量的锂电池要比铅酸电池贵2-3倍的价格，因此，如果没有行政力量去推动，铅酸电池仍然会是下游厂家的首选。
根据常春藤资本的一份研究报告指出，60%的铅酸电池用于汽车启动电池。而目前70%以上的锂电池则主要应用于笔记本电脑和智能手机上。因此锂电池与铅酸电池之间的市场重叠比重较小，未来如果能够实现逐步替代，市场潜力不可小觑。
动力电池乏力
替代铅酸电池市场看起来已经很有吸引力，但近几年来的锂电池投资热的兴奋点完全在于对未来新能源汽车的憧憬。在这种投资热的推动下，中国目前锂电池的产量已达全世界的三分之一。
但是可用于新能源汽车的动力电池所占的比重依然很少。以国内领先的动力电池生产企业天津力神电池股份有限公司（下称天津力神）为例，其动力电池也只占到其锂电池总产量的10%—15%左右。
“动力电池还在起步实验阶段，目前还是赔钱的。”天津力神总裁秦兴才对《英才》记者说道。同样是锂电池，动力锂电池与用于笔记本、手机的锂电池完全是两个概念。动力锂电池往往由上千个电池串联成的电池组，它要求每个串联的电池必须是一致的，否则需要通过电源管理系统予以弥补，但这个技术目前还没有解决。
其次动力电池还面临安全性问题。今年4月，一辆众泰朗悦纯电动汽车出租车在杭州街头营运时突然起火。用秦兴才的话来讲，“做出来一两万只电池都能满足安全要求容易，你要做几百万、上千万只电池都不出安全事故，这还是很不容易的。”
还有在电池的循环寿命上，也面临技术挑战。林伯强告诉《英才》记者，他对动力锂电池并不乐观，“因为笔记本电脑锂电池都没有做得很好。比亚迪号称充一次电能开80-100公里，但是很少人用过，这方面的数据非常缺乏，都是靠厂家讲的，消费者这方面的信息数据非常少。”
消费者最现实的问题当属价格。“汽车越来越便宜，几万块钱可以买一辆车，但是现在几万块钱买不了一组电池。”秦兴才告诉《英才》记者。目前动力电池成本要占到电动汽车成本的50%-60%。
不过秦兴才认为，随着技术成熟和规模化生产，未来动力电池的价格能够实现下降，目前真正制约中国动力电池发展的还是技术质量问题——没达到量产的技术。
技术来源于研发投入。林伯强认为，对比国外，“我们技术上差别其实没那么远，但是投入显然差得很多，我们的精力主要放在做电池上，人家的精力主要放在研发上。”
赛迪顾问投资部副总经理吴辉认为，如果新能源汽车迟迟不能产业化，对锂电池企业来说风险还是比较大的。因此，大多数企业都不敢单独大规模向动力电池领域投资，而仅在低水平领域互相杀价。总之，没有新能源汽车的拉动，动力电池的愿景就是不完美的。
寻找价值爆发点
新能源汽车和动力电池之间，实际上又是一个“先有鸡还是先有蛋”的问题。而打破这个“鸡与蛋”循环的途径之一就是电池材料技术的突破。吴辉告诉《英才》记者，“电池的性能取决于材料。”
沈宏文也认为，要实现动力电池大功率放电、较长的循环寿命等要求，那么对锂电池材料的要求就更严格。实际上，如果从整条动力电池的产业链上看，生产电池材料的利润要远高于电池组装生产。秦兴才告诉《英才》记者，“现在做材料毛利率都还不错。电池比原材料还要竞争激烈一些。”
锂电池材料主要分四块：正极材料、负极材料、电解质（六氟磷酸锂）、隔膜，分别占锂电池成本的30%、15%、15%、20%。
沈宏文告诉《英才》记者，在锂电池产业链中，附加值最高的环节是隔膜和六氟磷酸锂，毛利率达到60%-70%，但这两种材料基本依靠进口。六氟磷酸锂基本上被日本企业垄断，国内能够生产六氟磷酸锂的企业只有天津金牛、多氟多（002407.SZ）、江苏国泰（002091.SZ）等，但产量和档次均属较低水平，中高档电解质几乎全部依赖进口。国内能够生产隔膜的企业如佛塑科技（000973. S Z）等，整体产量水平和档次亦处于较低水平，中高档的隔膜依旧基本依靠进口。
正极材料是除了负极材料之外国产化率最高的一种锂电池材料。目前技术最成熟的正极材料是钴酸锂，但李积刚告诉《英才》记者，钴酸锂电池只适合于做小于5安时的数码产品电池，再大就容易产生安全性问题。
在动力电池方面，秦兴才告诉《英才》记者，目前技术能够进入应用水平的正极材料就是磷酸铁锂和锰酸锂：锰酸锂便宜，但在循环寿命和高温特性方面依旧需要攻克技术难关，而磷酸铁锂安全性好、循环寿命长，但价格相对较贵。
吴辉则认为，磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料都在研究中，各有优势，未来动力电池的正极材料到底选择采取哪一条路线目前还没有定论。据吴辉介绍，像比亚迪有些新能源车采用的就是磷酸铁锂电池，但是离产业化还有一定距离。
在李积刚看来，磷酸铁锂应该是未来动力电池正极材料的主流，因为它的循环寿命能够达到2000次以上（锰酸锂电池只有500次），而且安全性能较高。
目前国内对磷酸铁锂的投资热情较高。吴辉告诉《英才》记者，现在很多小企业也开始做磷酸铁锂，一年产能就500吨，“现在这个行业不是很成熟，很多企业都想进入这个行业，它肯定会淘汰一批的，但大家都看好这个机会。”
不过国产磷酸铁锂的毛利并不高。天津斯特兰作为国内产能最大的磷酸铁锂生产企业，李积刚告诉《英才》记者，毛利率也就在10%-20%左右。
目前国产的磷酸铁锂价格在15万每吨左右，而进口的磷酸铁锂价格在26万每吨。差价的原因在于，磷酸铁锂的专利在国外公司手中，如果生产的电池要出口到欧美，就只能使用进口的磷酸铁锂。
燃料电池电动汽车的研究 篇7
关键词：汽车行业,燃料电池电动汽车,结构原理
采用燃料电池作电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车 (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 。FCEV一般以质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 作为车载能量源。
1燃料电池电动汽车的分类
⑴FCEV按主要燃料种类可分为: (1) 以纯氢气为燃料的FCEV; (2) 经过重整后产生的氢气为燃料的FCEV。
⑵FCEV按“多电源”的配置不同, 可分为: (1) 纯燃料电池驱动 (PFC) 的FCEV; (2) 燃料电池与辅助蓄电池联合驱动 (FC+B) 的FCEV; (3) 燃料电池与超级电容联合驱动 (FC+C) 的FCEV; (4) 燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动 (FC+B+C) 的FCEV。
2燃料电池电动汽车的结构原理
纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源, 汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。燃料电池系统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线传给驱动电动机, 驱动电动机将电能转化为机械能再传给传动系, 从而驱动汽车前进。
优点: (1) 结构简单, 便于实现系统控制和整体布置; (2) 系统部件少, 有利于整车的轻量化; (3) 较少的部件使得整体的能量传递效率高, 从而提高整车的燃料经济性。
缺点: (1) 燃料电池功率大、成本高; (2) 对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要求; (3) 不能进行制动能量回收。
为了有效地解决上述问题, 必须使用辅助能量存储系统作为燃料电池系统的辅助动力源, 和燃料电池联合工作, 组成混合驱动系统共同驱动汽车。从本质上来讲, 这种结构的燃料电池电动汽车采用的是混合动力结构。它与传统意义上的混合动力结构的差别仅在于发动机是燃料电池而不是内燃机。在燃料电池混合动力结构汽车中, 燃料电池和辅助能量存储装置共同向电动机提供电能, 通过变速机构来驱动汽车行驶。
优点: (1) 由于增加了比功率价格相对低廉得多的蓄电池组, 系统对燃料电池的功率要求较纯燃料电池结构形式有很大的降低, 从而大大地降低了整车成本; (2) 燃料电池可以在比较好的设定的工作条件下工作, 工作时燃料电池的效率较高; (3) 系统对燃料电池的动态响应性能要求较低; (4) 汽车的冷启动性能较好; (5) 制动能量回馈的采用可以回收汽车制动时的部分动能, 该措施可能会增加整车的能量效率。
缺点: (1) 蓄电池的使用使得整车的质量增加, 动力性和经济型受到影响, 这一点在能量复合型混合动力汽车上表现更为明显; (2) 蓄电池充放电过程会有能量损耗; (3) 系统变得复杂, 系统控制和整体布置难度增加。
目前燃料电池电动汽车绝大多数采用的是混合式燃料电池驱动系统, 将燃料电池与辅助动力源相结合, 燃料电池可以只满足持续功率需求, 借助辅助动力源提供加速、爬坡等所需的峰值功率, 而且在制动时可以将回馈的能量存储在辅助动力源中。混合式燃料电池驱动系统有并联式和串联式两种。
在FCEV所采用的燃料电池发动机中, 为保证PEMFC组的正常工作, 除以PEMFC组为核心外, 还装有氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系统、反应生成物的处理系统、冷却系统和电能转换系统等。只有这些辅助系统匹配恰当和正常运转, 才能保证燃料电池发动机正常运转。
(1) 氢气供应、管理和回收系统。气态氢的储存装置通常用高压储气瓶来装载。液态氢气虽然比能量高于气态氢, 由于液态氢气是处于高压状态, 不但需要用高压储气瓶储存, 还要用低温保温装置来保持低温, 低温的保温装置是一套复杂的系统。
(2) 氧气供应和管理系统。氧气的来源有从空气中获取氧气或从氧气罐中获取氧气, 空气需要用压缩机来提高压力, 以增加燃料电池反应的速度。
(3) 水循环系统。燃料电池发动机在反应过程中将产生水和热量, 在水循环系统中用冷凝器、气水分离器和水泵等对反应生成的水和热量进行处理, 其中一部分水可以用于空气的加湿。
电动汽车电池 篇8
引言
随着交通领域所突显的环境污染和能源短缺问题, 传统汽车的改革势在必行, 在零排放纯电动汽车技术没得到完全突破之前, 混合动力电动汽车是解决环境与能源问题的有效途径之一。其中储能装置是混合动力汽车中必不可少的元件, 很大程度上决定了混合动力汽车的性能[1]。得到应用的储能装置主要有蓄电池、超极电容器、液压储能器等等, 而目前应用于串联式混合的动力汽车 (SHEV) 的蓄电池种类繁多, 但是根据相关部门研究, 先进的铅酸电池和锂电池是应用在SHEV上范围最广的, 同时燃料电池电动汽车是SHEV的典型例子。本文主要在燃料电池电动汽车的基础上, 比较铅酸电池与超极电容器的作为储能器的适用性[1]。
1、燃料电池电动汽车的结构与控制策略
燃料电池电动汽车是串联式混合动力汽车的一种, 它的结构示意图如下图1所示。燃料电池和蓄能器共同为汽车提供动力源。其控制策略采用的是“恒温器式”+“功率跟随式”, 其中燃料电池提供基本功率, 蓄能器在加速或爬坡时提供辅助动力, 当蓄能器的荷电状态 (SOC值) 低于某值时, 由燃料电池给其充电, 这样既避免了蓄能器的过充过放, 也能使燃料电池保持在最大功率范围内工作[2]。
2、蓄能器设计方案
储能系统是整车的能量源之一, 为整车提供驱动力, 通过对整车参数的分析计算, 确定储能器的功率需求, 并对蓄能器进行方案设计。
2.1 车辆基本参数的选定与设计目标
查阅相关资料, 给出了燃料电池电动汽车的主要参数, 如表1[3]和表2[4]所示。
2.2 功率计算与分配[3]
在串联混合动力汽车中, 汽车的最大功率可
用下面的式子计算:
根据上述公式, 假定汽车总质量m=1640kg, 可以计算出汽车在平直路面以130km/h的最大速度行驶时, P=31.4kw。
在最大坡度为25%的路面上以30km/h的速度行驶时, P=42.3kw。
车辆在20秒内从0加速到100km/h所需的最大功率P=140.2kw。根据上述计算, 若发动机选的最大功率设计为50kw, 而储能器的功率至少为95kw (包括电器负载) 。
2.3 设计方案
本文采用的是Hawker牌Genesis EP系列蓄电池以及Maxwell超级电容器, 它们的基本参数对比如表3所示[5]。
通过上述参数比较, 可以得出超级电容器在质量、比功率、循环寿命以及效率上相比蓄电池有很大优势, 并提出了如下四种方案, 并为了直观比较四种方案, 列出各方案如下表4。
方案1:采用30块铅酸电池, 电池的峰值功率可为103.8k W, 整车质量为1640Kg。
方案2:采用45块铅酸电池, 电池的峰值功率为155.7k W, 汽车的满载质量为1805kg。
方案3:采用60块铅酸电池, 电池的峰值功率为207.6k W, 汽车的满载质量为1970kg。
方案4:采用100只超级电容器, 它的峰值功率为102k W, 整车的质量为1350.8kg。
方案5:采用150只超级电容器, 它的峰值功率为153k W, 整车质量为1371.2kg。
方案6:采用200只超级电容器, 它的峰值功率为204Kw, 汽车的满载质量为1391.6kg。
3、性能仿真比较
本次是燃料电池电动汽车通过UDDS工况 (城市循环工况) 的仿真模拟如下图1所示, 仿真的结果有蓄能器的瞬时功率、SOC值变化范围、充电效率, 以及不同蓄能器带来的动力性、经济性比较。
3.1 SOC值变化范围对比
SOC值变化图仿真结果分别如下图所示。由图2可知超级电容器的SOC值变化范围在0.4~0.8之间, 图3显示了蓄电池的SOC值的变化范围在0.78~0.8之间。
3.2 动力性比较
动力性能主要包括车辆从0加速到60mile/h, 40mile/h加速到60mile/h, 0加速到85mile/h的时间, 以及最大车速和在55mile/h下的最大爬坡度, 仿真结果如下表5所示。方案1、2、3是铅酸电池作为蓄能器的仿真结果, 它们的蓄电池的元件的个数成倍数递增, 可以看出无论提速时间、最大车速还是爬坡能力都有所提高, 但是效果不是很明显;方案4、5、6是超级电容器作为蓄能器的仿真结果, 同样随着电容器个数的增加, 方案5的性能优于方案4的性能, 方案6的性能优于方案5, 动力性能显著提高。
3.3 等效燃油经济性比较
等效燃油经济性仿真结果如下表6, 根据汽油的热值、密度和储能系统消耗的能量来计算MPGGE的值[6]。
从表中数据可以看出方案1、2、3随着蓄电池的个数增加, 燃油经济性反而下降, 而方案4、5、6随着超级电容器的个数增加, 等效燃油经济性没有明显的改变。
4、结论
通过前面的分析与仿真可以总结出以下几点:
(1) 超级电容器的质量远远小于铅酸电池, 而且循环寿命远远超过铅酸电池, 减少后期维修成本。
(2) 超级电容器有较高的比功率特性, 可以同时提高燃油经济性和汽车的动力性能。
(3) 从蓄能器的SOC值变化范围仿真结果图可以看出, 超级电容器的SOC值的变化范围大, 能更有效的配合燃料电池。
(4) 超级电容器的充放电过程不需要进行化学反应, 所以其充放电效率高于蓄电池的效率。
(5) 随着超级电容器的个数的增加, 动力性能可以显著提高, 且等效燃油经济性改变不大, 铅酸电池随个元件个数增加, 动力性能有所增加, 但是由于质量增加明显, 反而降低了等效燃油经济性。
(6) 总而言之, 根据提出的设计目标和基本参数, 在蓄能器的改变下, 通过ADVISOR的性能仿真, 得出与铅酸电池相比, 超级电容器对于燃料电池混合动力汽车更具有适用性。
参考文献
[1]欧阳明高.我国节能与新能源汽车发展战略与对策[J].汽车工程, 2006, 28 (04) :317-324.
[2]李晓英, 于秀敏, 李君, 吴志新.串联混合动力汽车控制策略[J].吉林大学学报, 2005, 35 (02) :122-126.
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[4]邱利宏, 钱力军, 程伟, 王振国.插电式串联混合动力汽车参数匹配及控制策略研究[J].汽车工程学报, 2014, 4 (04) :297-303.
[5]Markel, T., Zolot, M., Wipke, K.B., and Pesaran, A.A. (2003) Energystorage requirements for hybrid fuel cell vehicles.Advance Automotive Battery Conference, June10-13, Nice, France.
电动汽车电池 篇9
汽车产业有明显的规模效益特点, 产量越大, 成本越低。如果单条生产线电动车产量突破1万辆, 除电池外, 车身整体成本将下降40%, 而电池成本下降幅度更是高达50%。
据预计, 最长8年时间, 电动车产业即可摆脱目前依赖国家政策扶持和补贴的境地, 达到或迈过盈亏平衡点。除车价外, 电动车的运行成本也有明显的优势。以普通家用型电动车为例, 行驶300公里耗能约为20至30千瓦时, 按动力电价计费也仅为30元左右。而一辆家用小轿车, 300公里油耗约为24升, 按每升7.5元计算, 行驶成本高达180元, 是电动车的6倍。
续驶里程短是电动车的短板, 但问题也并非无解。孙逢春表示, 电动车可精确显示剩余行驶里程, 驾驶人可提前采取措施。北理工提出的电动车新设计方案已将充电设备“装”进车内, 充电时只需找到普通民用电插座插入即可。
纯电动汽车和燃料电池汽车的比较 篇10
目前, 世界各国针对汽车产业都在寻找一种既洁净又储量丰富的能源来缓解日益紧张的石油资源和改善不断恶化的环境, 使用此类能源的汽车就是人们常说的新能源汽车。新能源汽车的发展方向呈现多元化, 主要有电动汽车、燃气汽车和混合动力汽车三种, 而在现阶段, 技术相对较成熟、污染程度最小的, 当属电动汽车。电动汽车又分为纯电动汽车和燃料电池汽车。而它们都有各自的优点和尚需解决的问题。
1 纯电动汽车
纯电动汽车采用单一蓄电池作为储能动力源, 通过电池向电机提供电能, 驱动电动机运转, 从而推动汽车前进[1]。其最大优势在于无污染、噪声小, 对环境保护十分有益。另外, 纯电动汽车较内燃机汽车结构简单, 运转、传动部件少, 维修保养工作量小, 同时可回收制动、下坡时的能量, 提高能量的利用效率。
在我国, 首款面向个人销售的纯电动汽车是被定名为e6先行者的比亚迪纯电动汽车, 该车以自主研发的, 具有高安全、储电多、功率大等特点的铁电池作为动力, 一次充电最大续驶里程达到300公里, 列世界第一。而且, 比亚迪还和南方电网合作, 为每位购车者配备充电柜, 只要车主有自己的固定车位, 南方电网将上门为车主安装, 车主自己可在家中完成充电。而这不失为纯电动汽车推广的一条可行路径。
虽然纯电动汽车的优势明显, 但目前的普及程度仍远不及内燃机汽车。其需要解决的是:
1.1 降低电动车价格。
目前电动车整车价格昂贵的主要原因一方面是蓄电池的价格昂贵, 另一方面也是电动汽车量产小, 配件未形成规模化生产;
1.2
提高一次充电后的续驶里程, 目前蓄电池单位重量存储的能量太少, 使得电动汽车的续驶里程过短, 在一定程度上也制约了电动车的普及;
1.3 延长蓄电池的使用寿命。
目前一个新的蓄电池在使用一到两年后, 其充满电所能储存的能量明显下降, 基本上三年就要报废;
1.4 发展包括充电设施在内的基础设施。
除工作单位、家庭等夜间充电设施外, 还必须建立行车途中充电所必须的充电网络[2]。电动汽车要想普及, 基础充电设施的规模化、网络化是一个不能回避的问题;
1.5 建立一个电动汽车发展的相关行业标准。
相关行业标准的缺失, 容易导致各电动汽车制造企业各自为政, 生产的电动汽车的充电插口以及相关零部件无法通用, 限制了电动汽车的推广普及。
2 燃料电池汽车
燃料电池汽车电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用, 直接变成电能获得的[3]。这种化学反应过程不会产生有害产物。燃料电池汽车与纯电动汽车最大的区别在于两个电池的概念不一样, 纯电动汽车用的是蓄电池, 把电储蓄在电池里。燃料电池并不是蓄电池, 而是一个发电装置, 能源储存在氢里面, 使氢气和氧气产生化学反应发电。氢燃料电池车与纯电动汽车相比, 在使用过程中具有优势, 纯电动汽车完全充电至少需要7-8小时, 氢燃料电池车的加氢时间仅为3.5分钟左右, 而且氢燃料电池车一次加满氢后的续驶里程要远高于纯电动汽车。例如奔驰B级氢燃料汽车在储氢罐充满燃料的情况下, 续航里程可达400公里。
在中国, 燃料电池汽车是“十五”期间全国12个重大研究专项之一。2012年3月两会期间, 科技部电动汽车重大项目管理办公室副主任甄子健认为, 燃料电池汽车在5到10年后, 将可以像近两年的电动汽车一样, 通过示范运行进入商业化销售阶段。但是就目前来说燃料电池汽车仍存在以下技术难题:
2.1
氢气的来源、储存以及将燃料 (石油、天然气、煤、甲醇及其它非石油基燃料) 转为氢气的重整器问题尚未解决, 这也导致了以氢燃料电池汽车的运营成本偏高。从目前各大汽车公司推出的制造成本上百万美元的燃料电池概念车来看, 如果不能大幅度的降低其成本的话, 燃料电池汽车的推广普及仍是可望而不可及的;
2.2 配套设施极度不完善。
加氢站等基础设施几乎为零, 目前全球的加氢站不到100家, 而且还处于实验性阶段, 这严重影响了氢燃料电池汽车的普及;
2.3 燃料电池汽车整车及关键零部件技术标准严重缺乏, 使得燃料电池的产业化受到了严重的制约。
有专家分析, 要解决上述问题, 乐观估计需10～20年。不过, 一旦上述问题得到有效的解决, 必将大大加速燃料电池汽车的产业化进程。
目前, 国家对于研发电动汽车和燃料电池汽车的相关企业增加了扶持的力度, 加大了相关配套基础设施的建设, 同时也出台了一些优惠措施鼓励企业和个人购买新能源汽车。相信在不久的将来, 新能源汽车必将得到普及和推广。
参考文献
[1]董迪晶.浅谈中国发展纯电动汽车的现状和面临的问题[J].中小企业管理与科技:下旬刊, 2011 (5) .
[2]陈清泉, 詹宜君.21世纪的绿色交通工具:电动汽车[M].清华大学出版社, 2001:1-16.
汽车电池风头亦劲 篇11
电池行业起波动
随着中国汽车、交通等基础产业的快速发展，我国铅蓄电池工业进入高速增长期。据统计，我国铅蓄电池制造厂家已达到1500家左右，生产量平均以每年约20％的速度高速增长，铅蓄电池产量约占世界产量的1/3，在国际市场上具有举足轻重的地位。随着我国铅蓄电池技术进步加快，传统的铅蓄电池通过改造和改进，正朝着密封免维护等新型蓄电池方面发展，同时凭借廉价优势，我国铅蓄电池出口也呈现快速增长的势头。近几年的出口量、出口额分别以每年高达29％和34％左右的速度递增。
由于看好中国蓄电池市场的巨大潜力，以及发达国家对蓄电池行业的限制政策，促使全球主要蓄电池厂商近年来纷纷在中国投资设厂，逐步将生产重心向中国转移。
来华拓展业务的公司纷纷将产品触角伸向了高端蓄电池市场。前不久，全球汽车蓄电池老大美国江森自控有限公司宣布正式进军中国市场，在国内强力推出其百年品牌瓦尔塔汽车蓄电池。2006年年底在业内第一个获得混合型汽车锂离子蓄电池开发订单。该公司负责人表示，这一全新产品和技术将有望在中国国内市场推广。这是该公司在2005年并购德尔福的全球蓄电池业务后，在中国市场的首次出手。德国博世也开始进入这一领域，计划生产汽车蓄电池与电池传感器。无独有偶，来华开拓业务的公司从2007年开始就纷至沓来，一直以电动工具开创品牌的德国博世开始拓展新领域——生产蓄电池与电池传感器。同时，美国凌特扩充车载模拟IC也开始致力于锂电池控制等领域。与此同时，日产、NEC、NEC东金共同设立汽车电池公司宣布将设立对电动车用锂离子充电电池进行量产的合资公司，并联合开发电池组和电池单元日产汽车。计划向以日产汽车为首的全球汽车相关厂商供应电动车用充电电池，预计2009年度之前开始批量生产。
跨国公司的涌入，使国内蓄电池生产企业面临更加激烈的竞争。2006年，中国电池工业总产值为1221亿元，销售收入1183亿元。有关人士预计，今后5年内，铅酸蓄电池的平均出口增长率将不低于20％，出口份额将逐步提高。根据业内预测，到2010年，年平均销售增长率大约为15％左右。
外资领先国内高端市场
外资为什么青睐中国汽车电池市场呢？知情人士说，中国目前投资环境好，新能源汽车、机场牵引车、高档轿车等车辆使用的高端电池技术含量高，市场前景广阔。这反映出一个问题，本土汽车电池产业尽管大，但不够强。尤其在高端电池领域，本土企业还有很多欠缺。物理电源研究协会秘书长刘彦龙认为，在跨国企业大部分走高端产品路线的时候，我国蓄电池制造商仍坐守自己在中低端固有的市场,不肯前行。虽然目前大部分外资企业都将计划排到了几年以后，对国内目前的市场冲击有限，这种趋势不可小觑，外资企业正在逐渐蓄积技术力量，而这种潜在的生产力会成为市场新一轮竞争的利剑。
绿色电池将成市场主力
电动汽车电池测试系统建模与仿真 篇12
随着全球经济的高速发展以及能源环保等问题的日益突出,传统的内燃机汽车已经无法满足节约能源、绿色环保的要求,电动汽车以零排放和低噪声等优点已成为节能环保汽车发展的主要方向之一[1]。
然而电动汽车的发展才刚刚起步,还有很多问题亟待解决。众所周知,变频器驱动三相异步电机时,由于变频器中功率元件的开关、电机的换向等会对直流侧电流造成影响,产生较大的电流谐波。电动汽车中的驱动器与通用的变频器不一样,其直流电直接由电池提供,若不加以抑制和预防,谐波会导致电池放电不均匀,对电池寿命及发热造成影响。
电路中的滤波电路可抑制电流的谐波,故本研究搭建一个电池测试平台来测试最佳电感电容组合,以及不同种类的电容对谐波的抑制效果[2]。由于实际的测试中需要频繁地更换电容电感,测试耗时耗力,本研究在Simulink下搭建测试系统模型,可以快速地观测电感电容值以及载波频率的选取对谐波的影响。
1 系统整体模型
实验室中的电池测试系统由电池组、电感、驱动变频器和负载变频器及电机组成。电池组由100节3.2 V的锂电池串联而成;驱动侧变频器直接由电池组供电,其回路上可以串接不同电感值的电感,驱动侧变频器的母线支撑电容可以选择电解电容或者薄膜电容;负载侧变频器通过PWM Converter连接到电网上,能够将测试过程中的电能回馈到电网上,通过对负载变频器的负载率设定为驱动电机加载。
测试系统采用电流探头和示波器观测直流母线上电流,选用LeCroy公司的104MXs示波器,该示波器自带FFT分析功能,可以对直流母线电流进行FFT分析,以便与模型中的仿真数据对比。
本研究参照实际系统在Simulink下搭建了一个仿真模型,系统模型如图1所示,与实际系统不同的是,模型中的负载是通过LOAD值直接给定的,这个值可以通过实际变频器中的负载给定值计算得到。该模型通过示波器记录直流母线波形,同时以数组的形式将波形数据保存在工作空间中以便进行FFT分析。
2 电池的等效电路模型
2.1 常见等效电路模型选择
等效电路模型比较直观,容易理解,且参数辨识比较方便,因此本研究选用等效电路模型。常见的等效电路模型主要有一阶Thevenin模型、PNGV模型、二阶RC模型[3]。具体介绍如下:
E—电池电动势,在一定环境条件下,电池电动势与电池SOC有一定的函数关系;RS—电池等效的极化电阻;CS—等效的极化电容;Re—电池等效内阻
(1)Thevenin模型,也称为一阶RC模型,含一个电压源和一个RC并联电路,该模型如图2(a)所示。RS和Cs构成的回路用来模拟电池的动态过程,这种模型考虑到了电动势与SOC的关系和电池的动态过程,可较为准确地模拟电池充放电过程,因此被广泛应用在动力电池的建模中[4]。
(2)PNGV等效电路模型是美国新一代汽车合作计划(PNGV, Partnership for a New Generation of Vehicles)在2001年提出的。该模型如图2(b)所示,PNGV模型在Thevenin模型的基础上增加了一个电容Cp用来描述负载电流的时间累计产生的开路电压变化。PNGV模型对处理器要求不高且容易实现,比较适合模拟电池的动态性能,不适合对电池的长时间稳定充放电仿真。
RTS,CTS—模拟电池动态响应过程中表现出的短时间常数;RTL,CTL—模拟电池动态响应过程中表现出的长时间常数
(3)二阶RC模型,本研究在Thevenin模型的基础上再增加一组RC回路,组成二阶RC等效电路模型,在该模型中,这两个电路靠一个可控电压源联系在一起,左边电路表示电池的容量,右边电路通过一个串联电阻和两个RC电路表示电池的内部电阻和瞬态响应。二阶RC模型如图3所示。综上所述,二阶RC模型能很好地兼顾电池的稳态特性和暂态特性,因此该系统选用二阶RC模型。
2.2 二阶RC模型及其参数辨识
如图3所示,将两个电路联系在一起的可控电压源表征的是电池的SOC和开路电压之间的非线性关系。因为模型并不用来仿真长时间工作的情况,二阶RC模型中并没有包含自放电电阻,另外,该模型中也没有考虑温度对电池的影响。
依据电路图,研究者可以写出描述电路的常微分方程,进而可以写出模型的状态空间模型:
式中:RS—串联电阻;RTS,CTS—短时间(Shorter Time)RC电路;RLS,CLS—长时间(Longer Time)RC电路;CCAP—电池的容量。
设SOC为状态变量x1,RTS两端的电压为状态变量x2,RTL两端的电压为状态变量x3,系统输入u代表电池的放电电流,系统输出y表示电池的输出端电压,g(x)表示SOC与开路电压之间的非线性关系。
依据上面的状态空间模型,可以在Simulink中搭建电池模型,最终电池模型如图4所示。
2.2.1 开路电压与SOC的关系
电池的开路电压是指电池与充、放电回路断开后电压最终到达的稳定值。开路电压表征了电池在某一SOC下所对应的电动势,是一个对电池状况有着较强描述能力的状态量,提高开路电压的精度能够完善电池模型,因此,通过设计合理的实验方法以获取准确的开路电压十分重要。
本研究用两种不同的放电倍率,将电池恒流放电至SOC为0。利用获得的两条电池电压曲线。依据等效电路的原理图,可以得到电池开路电压的计算公式,如下式所示:
UIn和Ulm都是可以通过实验获得的量,因此可以根据上面两式将Uoc和∑R求出,其结果如下:
该实验采用恒流放电的得到不同放电倍率下两条电池端电压曲线,开始放电时认为放电深度为0,放电结束时为100,笔者在每条放电曲线中各取等间隔的100个点作为电池端电压,并计算出开路电压。
通过观察曲线的形状,参照已有论文中的模型,并通过比较各个不同非线性关系表达式的拟合效果,最后得出开路电压与SOC之间的非线性关系,如下式所示[5]:
Uoc=a1+a2·soc+a3·soc2+a4·soc3-a5·e-a6·soc (4)
本研究利用非线性最小二乘原理,对曲线进行拟合,即可得到对应的参数,通过调用Matlab的lsqcurvefit函数实现。其拟合的曲线和实际曲线如图5(a)所示。为更清晰地分析其拟合效果,笔者将实际曲线与拟合曲线的误差绘制成曲线,如图5(b)所示。
2.2.2 RC参数辨识
模型中的并联RC电路主要是为了模拟锂电池的动态特性,因此本研究必须给电池以动态的电流刺激才能得到与RC参数相关的实验数据。目前,应用最广泛的方法就是脉冲实验法[6]。由电路知识可知,电池端电压的函数关系式如下:
实验开始时电池以20 A恒流放电,在某一时刻突然断开负载,记录电池端电压的恢复过程。系统每秒采样一次,将数据和上面的函数关系式导入Matlab,调用lsqcurvefit函数进行曲线拟合,便可得到二阶RC电路的RC参数。
3 电机驱动建模
该系统采用的是三相交流感应电机,采用矢量控制方式,因此模型中也采用相同的控制方式,即SVPWM控制策略。
电压空间矢量PWM(SVPWM)控制策略是依据变流器空间电压矢量切换来控制变流器的一种新的控制策略[7,8]。空间矢量控制策略早期由日本学者在20世纪80年代初针对交流电动机变频驱动而提出,其主要思路在于抛弃了原有的正弦波脉宽调制(SPWM),而是采用逆变器空间矢量的切换来获得准圆形旋转磁场,从而在不高的开关频率下,使交流电机获得了较SPWM控制更好的性能[9]。
电机驱动模型如图6所示,整个模型采用双闭环的结构,内环为电流环,外环为速度环。
Tpwm—载波频率;Vdc—直流母线电压
电机的转速经反馈后与给定转速进行比较,其差值经过PI调节作为q轴电流的给定值,而d轴电流的给定值是根据d轴电流与给定磁链的关系计算得到的,此时的两个给定值再与由磁通观测器计算所得的实际值进行比较,这两个差值经过PI调节后即可得到Ud、Uq的给定值,再经过SVPWM的变换获得6个IGBT的触发信号控制逆变输出的电压值[10]。
4 模型的验证
本研究将开路电压与SOC的关系曲线以及RC参数填入模型,得到电池模型。由于电池模型是以10 A和20 A放电的实验数据下建立的,为验证模型的精确性,系统测试15 A放电时的电池电压变化曲线,并对比其误差,对比结果如图7所示。由图7可以看出,除了在SOC低于10或高于90的两端外,中间段电池误差基本为0。而用在分析谐波的电池电量一般不是在SOC过高或过低情况下,因此模型可用。
最终电池模型是用在分析电流谐波上的,因此在系统模型中,本研究通过电流谐波的FFT分析与实际电流的FFT分析的比较验证其正确性。以有没有电感情况下的载波频率分量比较为例,模型中数据通过示波器保存到Matlab工作空间中,再编写m文件加载这些数据并调用FFT函数对其进行FFT分析,其结果如图8、图9所示,图8、9中,左边无电感,右边有电感,仿真结果如图8所示,载波频率分量分别为0.48 A和0.31 A[11]。
实际情况下示波器FFT分析的结果如图9所示,其载波频率分量分别为0.3 A和0.2 A。由于模型中电机驱动部分与实际应用中变频器不可能完全相同,控制策略也可能有所差异,存在一些误差,但电感的有无造成的影响是一致的,且在有、无电感两种情况下母线电流谐波含量比例接近,因此模型可以用来仿真实际电路确定电感电容值[12]。
5 结束语
本研究通过分析实际的放电测试实验数据,在Simulink下搭建了电池的二阶RC等效电路模型,并通过长时间放电实验和在电机负载下的谐波分析实验验证了模型的正确性,为后面的系统仿真及滤波优化奠定了基础,但是该模型在SOC过高或过低时误差偏大,尚需进一步完善。
参考文献
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[11]洪乃刚.电力电子和地理拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社,2009.