鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:3830次 | 2021年09月21日
新能源汽車電池技術(shù)介紹
內(nèi)燃機(jī)汽車的心臟是動(dòng)力系統(tǒng),但是新能源車的心臟則是電池系統(tǒng),因?yàn)殡姵叵到y(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到車的行駛里程、使用便利性等等情況,而目前新能源動(dòng)力車型最大的技術(shù)瓶頸也恰恰限制在了電池系統(tǒng)上,比如充電時(shí)間、充電效率、能量密度以及體積、材質(zhì)、安全或者質(zhì)量等等。電池三大分類
汽車所使用的電池重要分為三大類,即為化學(xué)電池、物理電池以及生物電池,分別為:
化學(xué)電池,化學(xué)電池是利用物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的電池系統(tǒng),其中重要分為原電池、蓄電池以及燃料動(dòng)力鋰電池和儲(chǔ)備電池四種。
1、原電池,其實(shí)就是一次性電池,是指電池放點(diǎn)后不能用一般的充電方法使活性物質(zhì)復(fù)原而繼續(xù)使用的電池,如鋅-二氧化錳干電池、鋰錳電池、鋅空氣電池以及一次鋅銀電池等都是此類一次性電池。
原電池工作原理
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2、蓄電池,又稱二次電池,是指電池在放電后可以通過充電的方法是活性物質(zhì)復(fù)原而繼續(xù)使用的電池,其實(shí)也就是我們目前最常見的充電電池,比如鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池以及鋰離子電池等等。
蓄電池是目前汽車上最常見的一種電池
3、燃料動(dòng)力鋰電池,燃料動(dòng)力鋰電池又稱聯(lián)系電池,是指參加反映的活性物質(zhì)從電池外部持續(xù)不斷的輸入電池,或者可以說其實(shí)燃料動(dòng)力鋰電池就是一個(gè)發(fā)電站,比如質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力鋰電池、堿性染料電池、磷酸燃料動(dòng)力鋰電池等等。
4、儲(chǔ)備電池,這種電池是指電池正負(fù)極與電解質(zhì)在儲(chǔ)存期間不直接接觸,使用前注入電解溶液使正負(fù)極接觸,此后電池進(jìn)入待放電狀態(tài),如鎂電池、熱電池等等。
儲(chǔ)備電池
標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測繪、無人設(shè)備
物理電池,物理電池是利用光、熱、物理吸附等物理能量發(fā)電的電池,如太陽能電池、超級(jí)電容器以及飛輪電池等。
太陽能電池
生物電池,生物電池是利用生物化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的電池,如微生物電池。酶電池以及生物太陽電池等等。
微生物電池工作原理
新能源車有關(guān)電池系統(tǒng)的要求
就像有關(guān)內(nèi)燃機(jī)車有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種要求,新能源車有關(guān)電池組也有著苛刻的要求,而這幾項(xiàng)有關(guān)電池組的要求則直接關(guān)系到了新能源車在電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方面的效能等問題:
1、比能量,為了提高電驅(qū)動(dòng)的續(xù)航里程,要求汽車上動(dòng)力鋰離子電池要最大限度的存儲(chǔ)能量,但其前提是不能過多的新增車體自重、占用空間,所以要電池組要有很高的比能量。
2、比功率,為了能使電驅(qū)動(dòng)的加速性能。爬坡性能以及負(fù)載性能與內(nèi)燃機(jī)車相提并論,所以有關(guān)電池組的比功率會(huì)有很高的要求。
3、充放電效率,電池中能量必須經(jīng)過充電-放電-充電的循環(huán),高德充放電效率有關(guān)電驅(qū)動(dòng)的行駛效率有著至關(guān)重要的用途。
4、穩(wěn)定性,電池組應(yīng)當(dāng)在快速充電和放電的往復(fù)工況中保持性能的穩(wěn)定性,使其在動(dòng)力系統(tǒng)使用條件下能達(dá)到足夠的放電循環(huán)次數(shù)。
5、成本,除了降低電池的初始購買成本,還要提高電池的使用壽命。
6、安全性,電池不能引起自燃或者燃燒,同時(shí)在發(fā)生車輛碰撞的時(shí)候,不會(huì)對(duì)駕乘人員造成人身傷害。
鉛酸蓄電池
鉛酸蓄電池自1958年發(fā)明以來,其使用和發(fā)展已經(jīng)有了100多年的歷史,其廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)車的動(dòng)力端,而新能源車所使用的鉛酸蓄電池因?yàn)橐獮檐囕v供應(yīng)動(dòng)力,所以它的重要發(fā)展方向是提高比能量,增大循環(huán)使用的壽命。鉛酸蓄電池是最成熟的新能源電池系統(tǒng),1881年,前列輛電動(dòng)三輪車使用的就是鉛酸蓄電池,猶豫鉛酸蓄電池成熟、可靠性好、原材料價(jià)格低廉,同時(shí)比功率也基本上可以滿足電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力要求,所以在新能源汽車中廣泛應(yīng)用。
鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn):
1、除鋰離子電池外,在場用蓄電池中,鉛酸蓄電池的電壓最高,即為2.0V;
2、制造成本低廉;
3、可以做成小至1Ah大至幾千Ah的各種尺寸和結(jié)構(gòu)的蓄電池;
4、高倍率放電性能良好,可用于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng);
5、電能效率可以達(dá)到60%;
6、高低溫性能良好,可以在-40℃~60℃條件下工作;
7、易于浮充使用,沒有記憶效應(yīng),且易于識(shí)別荷電狀態(tài)。
鉛酸蓄電池的缺點(diǎn):
1、比能量低,在新能源車重所要占用的整體質(zhì)量以及體積比較大,一次充電可行駛的歷程比較短;
2、使用壽命短,且后期使用成本高;
3、充電時(shí)間長;
4、鉛是重金屬,存在污染,與新能源動(dòng)力車的概念背道。
鎳氫電池
鎳氫電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型電池,它的正極活性物質(zhì)重要由鎳制成,負(fù)極活性物質(zhì)則由氫合金支撐,屬堿性電池。鎳氫電池具有高比能量、高功率,適合大電流放電、可循環(huán)充放電、無污染,屬于一種綠色能源,目前很多新能源動(dòng)力車型所使用的電池組都會(huì)選擇鎳氫電池。
鎳氫電池的特點(diǎn):
鎳氫電池具有無污染、高比能、大功率、快速充放電、耐用等諸多特性,與鉛酸蓄電池相比,鎳氫電池具有比能量高、質(zhì)量輕以及循環(huán)壽命長等特點(diǎn),同時(shí)還具有一下特點(diǎn):
1、比功率高,目前商業(yè)化的鎳氫電池功率可以達(dá)到1350W/kg;
2、循環(huán)次數(shù)多,目前應(yīng)用在電動(dòng)汽車輛上的鎳氫動(dòng)力鋰離子電池組,80%放點(diǎn)深度循環(huán)可以達(dá)到1000次以上,為鉛酸電池的三倍以上,100%DOD循環(huán)壽命也在500次以上,在混合動(dòng)力的汽車上可以使用五年以上;
3、無污染,鎳氫電池不含鉛、鎘等對(duì)人體有害的金屬;
4、耐過充過放,無記憶效應(yīng);
5、使用溫度范圍大,正常使用溫度范圍在-30~50℃,存儲(chǔ)溫度范圍-40~70℃
6、安全,可以抵抗短路、擠壓、針刺、跌落、加熱、震動(dòng)等情況,且不會(huì)發(fā)生爆炸或者燃燒現(xiàn)象。
鋰離子電池
鋰離子電池最早在1990年由日本的索尼公司推向市場,是目前世界上最新一代的充電電池系統(tǒng),與其它電池想比,其有電壓高、比能量高、充放電壽命長、無記憶效應(yīng)、無污染、更快的充電、自放電率低一級(jí)工作溫度范圍款和安全等優(yōu)勢(shì),相比較鎳氫電池,混合動(dòng)力汽車采用鋰離子電池,可是電池系統(tǒng)的質(zhì)量下降40%~50%、體積減小20%~30%,能源效率也有提升。
鋰離子電池工作原理(磷酸鐵鋰離子電池其實(shí)只是鋰離子電池的一個(gè)分支)
鋰離子電池按照不同的正極材料可以分為錳酸鋰離子電池、磷酸鐵離子電池以及鎳鈷鋰離子電池(鎳鈷錳離子電池)等,大多數(shù)新能源車型所使用的第一代鋰離子電池均為錳酸鋰離子電池,其成本更低、安全,但是循環(huán)壽命欠佳,同時(shí)在高溫狀態(tài)下循環(huán)壽命短,甚至在高溫狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)錳離子溶出現(xiàn)象,而現(xiàn)在大多數(shù)新能源車型所使用的第二代電池組為磷酸鐵離子電池,也是未來鋰離子電池的發(fā)展方向所在。
鋰離子電池優(yōu)點(diǎn)
1、工作電壓高,其工作電壓為3.6V,是鎳氫、鎳鎘電池工作電壓的3倍;
2、比能量高,其比能量達(dá)到150Wh/kg,是鎳鎘電池三倍,鎳氫電池1.5倍;
3、循環(huán)壽命長,其循環(huán)壽命可以達(dá)到千次以上,在低放電深度下可以達(dá)到幾萬次,超過了其它幾種二次電池;
4、自放電率低,鋰離子電池的自放電率僅為6~8%,遠(yuǎn)低于鎳鎘電池和鎳氫電池。
5、無記憶性、無污染、隨意塑形。
鋰離子電池缺點(diǎn)
1、成本高,重要是正極材料的LiCoO的成本高,但按單位瓦時(shí)的價(jià)格來計(jì)算的話,其實(shí)已經(jīng)低于鎳氫電池,與鎳鎘電池持平,但高于鉛酸蓄電池。
2、必須有特殊的保護(hù)電路,以防止過充現(xiàn)象。
燃料動(dòng)力鋰電池
燃料動(dòng)力鋰電池(FuelCell,F(xiàn)C)是一種化學(xué)電池,它直接把物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能,工作時(shí)要持續(xù)地向其供給活物質(zhì)(起反映的物質(zhì))燃料和氧化劑。猶豫它是把燃料通過化學(xué)反應(yīng)釋放出的能量變成電能,所以成為燃料動(dòng)力鋰電池。燃料動(dòng)力鋰電池的發(fā)展是以電化學(xué)、電催化、電極過程動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)、化工過程和自動(dòng)化等學(xué)科為基礎(chǔ)的,而最早的燃料動(dòng)力鋰電池在1839年格洛夫使用電解水出現(xiàn)的氫氣和氧氣而制造出了最早的燃料動(dòng)力鋰電池。
燃料動(dòng)力鋰電池優(yōu)缺點(diǎn)
其實(shí)根據(jù)燃料動(dòng)力鋰電池車的工作原理來說,其所謂的燃料動(dòng)力鋰電池其實(shí)就好象串聯(lián)式混合動(dòng)力車的工作原理,其燃料動(dòng)力鋰電池并不是純粹意義上的電池,而是一個(gè)輸送電能的發(fā)動(dòng)機(jī),其將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能后輸送給電池,爾后再將電能輸送給電動(dòng)機(jī),或者其實(shí)稱它為串聯(lián)式混合動(dòng)力車也未嘗不可,但是它的優(yōu)點(diǎn)卻更多:
1、比如它的能量轉(zhuǎn)換的效率更高。過氫氧化和用途將其所釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽煌ㄟ^熱機(jī)過程,也不受卡諾循環(huán)的限制;
2、無污染。其排放物僅為可食用的純凈水,或者說開車不要帶太多的飲用水了。
3、結(jié)構(gòu)簡單。燃料動(dòng)力鋰電池車(質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力鋰電池)的電池模塊是一種積木化的結(jié)構(gòu),使得電池組的組裝以及維護(hù)都非常方便,同時(shí)因?yàn)槠涔ぷ鳛檎`解些運(yùn)動(dòng)部件,以及工作中只會(huì)出現(xiàn)水,所以其在運(yùn)行中的噪音也會(huì)更低。
4、氫能源來源充分。氫是一種來源非常廣泛的能源,且是一種可再生資源,比如可以通過石油、天然氣、甲醇、甲烷等進(jìn)行重整制氫、光解水制氫等方法得到氫氣。
不過缺點(diǎn)同樣存在,其成本與其它新能源動(dòng)力相同會(huì)非常高,同時(shí)對(duì)氫的純凈度要求非常高,以及因?yàn)闅鋵儆诨钚晕镔|(zhì),所以有關(guān)其儲(chǔ)存器具的要求也頗為嚴(yán)苛,致使其在科技含量以及成本上都不會(huì)比其它新能源動(dòng)力低,而這些也正是制約燃料動(dòng)力鋰電池發(fā)展的重要瓶頸,雖然奔馳汽車在燃料動(dòng)力鋰電池方面有著不錯(cuò)的發(fā)展,但是其瓶頸則依然卡在了電池能量密度、制造成本等問題之上。
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