2022年电动汽车知识 .pdf

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1、电动汽车蓄电池的发展与应用hc360 慧聪网汽车用品行业频道 2003-12-31 08:47:52 电动汽车，作为无公害的绿色汽车，将成为21 世纪的重要运输工具。开发高性能电动汽车已成为当今世界各国科技攻关的重点。作为电动汽车的核心- 电池的性能优劣，极大地决定着电动汽车技术的先进性。目前使用的蓄电池有4(1) 蓄电量小，充电后续驶里程短。目前电动汽车一次充电后行驶的最长距离为380km左右；(2) 充电时间长，一般充电时间需48h(3) 单位装备质量的电荷量太小，使电动汽车自身装备质量大。从而影响加速性能和最(4) 使用寿命短。 普通的蓄电池充、放电次数仅300400 次，即使是性能较好

2、的蓄电池的充放电次数也不过700900 次。按每年充放电200 次计算， 一个蓄电池的寿命仅为4 年，与燃油汽车的寿命相比太短。兼之，电动汽车蓄电池的价格几乎接近汽车的价格，约100美元 kwh，有的高达350 美元 kwh，成本太高，用户难以承受。因此，有人断言：“电动汽车的成败首先取决于电池技术”。作为电动汽车的动力源，世界各国都在大力开展对新型2蓄电池的种类很多，由于铅酸电池的内阻小，电压稳定，加之结构简单，价格低廉，所以在汽车上被广泛采用。铅酸电池的主要缺点是比能量低，故重量大，又需经常充电， 使用2.1铅酸电池是利用浸在硫酸溶液中的二块铅板( 极板 ) ，极板分正极板、 负极板， 当

3、二极板之间接入直流电则引起化学反应。蓄电池的充、 放电过程就是依靠极板上活性物质和电解液中硫酸的化学反应来实现的。正极板上的活性物质是pbO2，呈深棕色； 负极板上的活性物质是海绵状纯铅 (pb) ，呈青灰色。电解液为H2SO4的水溶液。蓄电池充放电过程中的化学反应蓄电池在平时是放电，由化学反应转变为电能；当放电完毕以后可以向蓄电池充电，输入电能，把电能转变为化学能蓄存起来。其充、放电情况如下：蓄电池在充、 放电过程中， 其内部活性物质是处于化合和分解的矛盾运动中。略去中间的化学反应，这一过程可表示为：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - -

4、 - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 铅酸蓄电池结构上主要由4部分组成： (1) 耐配塑料或硬橡皮压制成的蓄电池壳；(2)极板 ( 正极板为pbO2，负极板为铅 ) ；(3) 插在正、 负极板之间的木质或塑料隔板；(4) 由纯硫2.2目前唯一经济实用的铅酸电池比能量为3540whkg，远较汽油的比能11kwhkg 低得多。据日本的有关试验得知，在同一铅酸电池体系中，比能为70、60、50、 48、38whkg 时，寿命周期相应为100、200、500、1000 和 2000 次。美国型“冲击”牌电动轿车采用的

5、铅酸电池，其比能定为35whkg，就是考虑了电池的寿命。如增大比能势必缩短其寿命周期。但“冲击”车的电池组质量480kg，一次充电在市内续驶112km(85放电深度 ) 。在高速公路可行驶144km 。是 480kg 汽油却可使普通燃油汽车( 油耗 0.07kg km)行驶6800km，是“冲击”车续驶里程的47 倍。法国早在 1989 年开始轻型电动车的试制，其中标致 15 和雪铁龙C15等车型采用过铅酸电池，后来研制的电动汽车改用了镉镍电池；美国福特公司 Ranger 轻型客货车用铅酸电池，一次充电续驶路程80130km ，1998 年开始则由镍氢电池所取代；通用公司的EV1轿车采用铅酸电

6、池，一次充电行驶距离112km ，但自重达533kg。德国在吕根岛的电动车试验认为，铅酸电池在未来的电动汽车中无使用前景。当时采用的驱动电池是镉镍电池(23 辆) ，钠氯化镍电池(23 辆)，钠硫电池 (12 辆) ，铅酸电池仅在 2 辆电动车上作为对比试用。目前普遍存在的问题是：所用铅酸电池的容量不足，一次充电行驶里程难以满足实用要求。故欲发展电动汽车取代燃油汽车，关键技术是需要首先研制出高性能、高效率的新型电池。3- 空气电池锌- 空气电池的比能量可达150400whkg。正极板由金属网集电器、活性层等组成的薄空气电极；负极板是纯锌，电解液为氢氧化钾水溶液。放电时，正极板上的反应为：O22

7、H2O 4e4OH，极板锌的氧化过程为：Zn2OHZnO H2O2e；充电时按上述过程反向进行。蓄电池总的反应为：锌- 空气电池具有放电电压稳定，没有污染等特点。但工作时要消耗一定的能量用于清除空气中的CO2美国加州劳伦斯- 利费莫尔国立实验室开发的锌电池，是将直径1mm 的锌粒置于电池上方的一个料斗中， 借助本身的质量通过狭长的通道落入电池内，锌与电解液作用而产生电能。该电池提供的电能大约为铅酸电池的5 倍，而且充电方便， 只要在车库中停留10min 补充锌粒和新电解液即可。50kg 的锌粒加上180L 的电解液，足可让汽车行驶10h以色列耶路撒冷市EEL公司制作的锌电池，则以锌板与氧接触，

8、释放出电能。 该电池经欧宝公司装上70 辆汽车试验结果表明，一次充电行驶路程为380km ，最高车速100kmh。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 从起步加速到50kmh 只需 10( 秒) 。更可贵的是，该电池自身装备质量轻，其功率质量仅2.31kg kw，比同功率的燃油汽车轻得多，且更换锌板方便，只需3min4- 镉(NiCd) 电池Ni Cd电池属碱性蓄电池，与酸性蓄电池相比，容器和极板的机械强度高，寿命长，

9、无Ni Cd电池正极板的活性物质是Ni(OH)3，有时混入片状纯Ni以增强其守电能力。负极板活性物质是海绵状Cd，其中混入56的水银，以提高其导电能力和化学活性。电解液法国著名的阿尔斯通电器公司下属专门生产镍- 镉电池的子公司-SAFT ，以前主要为军工 、航空航天等部门生产和研制专用的阳极烧结式、阴极粘结式Ni Cd 电池 (可移动电源 ) 。此种结构的电池技术水平是世界最高的。1991 年以后该公司与标致- 雪铁龙 (PSA)集团及法国政府签订了合作开发电动汽车专用NiCd电池的协议。 投资 1 亿法朗， 建成专门生产电动汽车电池的中试车间，生产能力为年产电动汽车电池组5000 套。其电池

10、结构特点是：开口式，有统一补液机构，在汽车使用中每行驶1 万 km(或使用半年 )，驾驶员需检查和补充电解液；电池的冷却或保温有循环水套，其冷却液温度由温度传感器、计算机、冷却风扇、 散热水箱控制， 以保证电池温度；电池在出厂前完全按车上的要求组合成几组电池组，内部接线、冷却水管、电解液管完全接好，外部留有统一接头和安装支架，在车上该电池的比能为：54whkg，电池组容量：120V100Ah(20 个 6V100Ah电池 ) 。使用寿命 2000 次以上，可大电流放电。据该公司提供的试验数据表明，大电流放电时，容量衰减较小。目前此电池价格较贵，约25003 000 法朗 kwh。该公司计划将N

11、iCd电池比能提高到 65whkg，循环寿命达3000日本东京电力公司全新设计的电动车 -IZA(依扎 ) 电动汽车，装用了531kg 的 Ni Cd电池。蓄电池容量电压(AhV)：100125，蓄电池个数：24。一次充电40kmh，常速续驶里程：548km，达到世界领先水平。 100kmh 的时速行驶里程：270km。最高速度176km h，单个电机输出功率为 25kw，总计 100kw法国 PSA的标致 106 和雪铁龙AX轿车，使用NiCd电池，一次充电行驶路程仅80km，最高车速为90kmh。5(NiMH) 电池目前，世界上最大的电动车电池开发商是由通用、福特和克莱斯勒三大公司于199

12、1 年组建的美国先进电池联合体(USABC)， 并有美国能源部(DOE)和电源研究所 (EPRI) 参加。 USABC名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 致力于开发可大批量制造的先进电池，并计划将NiMH电池作为中期目标，而 LiI( 锂离子 ) 和LiP(锂聚合物 ) 电池作为长期目标( 见表 1)。NiMH电池在物理结构上与NiCd电池相似， 其化学过程是： 氢离子在负极的储氢合金和镍材料正极之间传输。电池是密封

13、的，并使用一种液态电解质。NiMH电池的技术领先者-Ovonic电池公司，将NiMH电池在电动车上进行了测试，在通用公司“Impact”电动车上的测试结果表明： 行程从 110km增加到 320km， NiMH电池是可以回收使用的，与 Ni C d美国通用汽车公司1994 年投资几百万美元开发出一种镍氢电池( 简称 尼姆 电池 ) ，其特点如下： (1) 电能蓄存量大。由于尼姆电池采用非晶金属合金作为电极，内含锆、钒、铬、钛 和镍等原子呈无序混杂状态，具有不寻常的化学性质，它在相同的容量下能充入两倍于普通电池的电能；(2) 放电量充分。一般的普通电池在放电完毕之前再充电，而下一次使用时它只能释

14、放出部分储入的电能。但尼姆电池却不存在这种 记忆 ，能达到充分放电；(3)使用寿命较长， 尼姆电池的寿命是普通电池的35 倍，可充放电近2000 次。尤其尼姆电池只需 15min 就可充电到蓄电池蓄能的60，一次充电行驶路程达320km。具有深放电、 快充日本近期开发的电动车多装有新型高能电池，性能大为改善， 更接近于实用化。如丰田公司 1995 年研制的“ RAV4L EV ”已在 1996 年 9 月上市，该车曾在日本和北美反复试验，采用密封型NiMH 电池。重量轻，容量大，寿命长。最高时速达125kmh，续驶里程215km 。本田公司专门设计、开发了装有NiMH电池的新型“ HONDA

15、EV”，该车最高时速达130kmh名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 以上，续驶里程210km 。当以 40kmh 恒速行驶时可达350km 。丰田、本田公司电动车所用NiMH电池是松下电池公司开发的专供EV选用的正规电池， 并于 1998 年进行批量生产。 高能量密度、 高出力、 长寿命是这种电池的特点。实际可连续行驶200km以上，行驶中出力稳定，且能使用1000 次左右，几乎勿需更换。其公称电压12V，容量 1

16、00Ah，能量密度为70whkg德国 Varta 电池股份公司研制的NiMH 电池则采用合金材料为负极，氢氧化镍为正极，10min 就可充至标称电荷量的75。充放电寿命( 按 100放电深度计 ) 高达 2000 次，相当于 10 年的6(LiI)电池和锂聚和物(LiP) 电池LiI和 LiP 电池是最新技术的电池，锂电池的化学过程涉及到有机电解液中Li 离子在插入碳中的锂金属负极和锂化合物正极之间的运行。所开发的LiI电池，正极用锂钴氧(LiCoO) ，负极为高容量硬碳精系炭素材料，形成圆筒单体电池( 直径为 67mm ，长 410mm) 后，由 8 只串联，组成一标准组件。重量为29kg，

17、电压 28.8V，容量 100Ah，比能量高达100whkg。单体电池的充电电压为4.2V，全充电时间为2.5h ，功率密度达300wkg，约为 NiH电池的 2LiP 是一种“固态”电池，它使用纯锂金属或插入碳的锂负极，使用高导电率的固体聚合物电解质。 LiP 的独特性质是电极和聚合物非常薄，一个单元的厚度只有0.01cm，相当于“透明胶纸”的厚度。因而可包装成任何形状，既可卷起来装在圆柱体里，也可一块块平整的堆积起来。 LiP 电池的单位电压为3V(NiMH电池为 1.2V) ，所以 12V的 LiP 电池仅用4 个单电池则可组成14V的 LiP加拿大的 Hydroquebec 电气公司与

18、3M公司联合开发用于电动车的LiP 电池在 60下工作，以便在固体聚合物电解质中得到高电导率，使电池性能更好， 其比能量达到120whkg，日本日产汽车公司采用锂离子(LiI)电池开发了“草原快乐”牌电动车。1997 年春，该公司在日本以大型团体为对象，用出租方式促销。 该车最高时速为120km h， 续驶里程200km以上。 其特点是： (1 ) 有随车充电器， 输入电压AC100V或 200V，故可在家中充电；(2) 速度、计量、 各种警报都用大型数字表液晶显示，并有电池残存容量显示。表 2 列出锂离子电池与其它几种电池的比较。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - -

19、- - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 日产 Hyper 微型电动汽车， 尾气排放为零， 是一辆具有真正环保意义的汽车。它采用了高密度、轻质量的锂离子电池，其能量密度是铅酸电池的3 倍，镍氢电池的1.5 倍，可充放电 1200 次。充电简单，采用非接触式充电方式，只需将高频成卷的塑料插头插入普通电源插座即可，该车实用前景十分看好。最近，美国麻省理工学院(MIT) 研制出的新型锂电池阴极材料，可使生产出的锂电池重量更轻、价格更低，同时能源转换效率更高。利用普通的金属铝替代部分钴制成阴

20、极之后，产生了比普通锂电池更高的电压。由于铝密度小且便宜，故降低了整个电池的重量和成本。7钠硫电池中， 阴极的反应物质是熔融的钠，阳极反应物是带有一定导电物质的硫。电解质为 - 氧化铝矾土的陶瓷管(NaAl11O17) ，它既是绝缘体又能自由传导钠离子，当外电路闭合时，阴极不断产生Na离子并放出电子。即极，而钠离子 Na通过 - 氧化铝电解质和阳极的反应物质硫起作用，生成钠的硫化物。即，后者可以是Na2S2、Na2S4、Na2S5上述反应不断地进行，电路中便获得了电流。这种电池理论上比能量高达664wh kg，效率可达100( 即充电量可全部放出)。充电时间短，无污染，原材料丰富，因而各国都十

21、分重视研制这种电池。其特点是硫化钠易燃烧，工作温度高达250300，且寿命短，目8(NaNiCl) 电池德国 AEG约格罗电池公司研制成功一种新型的高性能电池-ZEBRA，这是专为日益扩大的电动汽车市场设计的。其新型设计原理以常规的钠氯化镍技术为基础并加以改进。电池的蓄电容量和负载能力都是目前最大的。此外， 新电池的设计还提高了电动汽车的可靠性，使名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 该电池利用的是带NiCl 正电极的

22、电池， - 氧化铝固体电解质及融化的氯化铝酸钠次电解质。目前，该公司已生产了3万多个此类电池，大都作为电池组用于电动汽车的试验。其结果表明： 该电池组无需维修，效率为 100，可冻、 解冻循环， 即使电池损坏也很安全。该电池理论比能为790whkg，实际电池组的值为100whkg。尽管电池组在157时开始工作，但使用 氧化铝作为正电极及钠之间的固体电解质隔离物，表明了可获得实际电压的温度范围为250350。在充、放电循环中， 正电极的反应从固态电解质、正电极介面转到集电器。放电开始时，电池阻力小， 氧化铝的钠离子导电，进入氯化镍反应场。当NiCl 还原为 Ni，Ni便会结晶出来，电池组出现化学

23、反应。电子由集电器通过不起反应的Ni导电部分转送到反应场(反应时电池仅有30的 Ni作用 )继续放电时，反应深入到电极，在后面留有更大的放电极环状空间，电池阻力增大。充电反应也是从 氧化铝开始并深入中央的。这样，放电时即使已部分充电，电池仍将回复电池的尺寸可按用户和各种需要而改变。在设计中电池垂直放在一夹壁真空绝缘电池盒内，使热损失最小。电池中电阻加热器加热到工作温度，也可保持电池的最低工作温度。冷却系统用于大功率放电使用，可用空气或液体，并可在400稳定。因工作温度范围大，电池可用于贮存热能和电能。加热和冷却由微机化电池控制装置自动监控。具有电池温度控制、充电控制、 绝缘阻力监测、电压控制、故障检测与记录等多项功能。全部数据可由标准口显作为电动汽车的电池必须考虑到能否回收利用。该电池的活性材质为Ni， 大量试验表明，从电池中可方便地回收较纯的Ni，回收效益可观。可以说，ZEBRA 电池的应用前景是非常广阔的。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -