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新能源汽车电池技术的研1
新能源汽车电池技术的研发
1.1 新能源汽车的定义和分类
1.1.1 新能源汽车的定义
新能源
新能源汽车
汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。
1.1.2 新能源汽车的五大类型
1.混合动力汽车
混合动力是指那些采用传统燃料的,同时配以电动机/发动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。
按照燃料种类的不同,主要又可以分为汽油混合动力和柴油混合动力两种。
目前国内市场上,混合动力车辆的主流都是汽油混合动力,而国际市场上柴油混合动力车型发展也很快。
混合动力汽车的优点是:
1、采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率,此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。
需要大功率内燃机功率不足时,由电池来补充;负荷少时,富余的功率可发电给电池充电,由于内燃机可持续工作,电池又可以不断得到充电,故其行程和普通汽车一样。
2、因为有了电池,可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。
3、在繁华市区,可关停内燃机,由电池单独驱动,实现“零”排放。
4、有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。
5、可以利用现有的加油站加油,不必再投资。
6、可让电池保持在良好的工作状态,不发生过充、过放,延长其使用寿命,降低成本。
缺点:
长距离高速行驶基本不能省油。
2.纯电动汽车
电动汽车顾名思义就是主要采用电力驱动的汽车,大部分车辆直接采用电机驱动,有一部分车辆把电动
纯电动汽车
机装在发动机舱内,也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子,其难点在于电力储存技术。
本身不排放污染大气的有害气体,即使按所耗电量换算为发电厂的排放,除硫和微粒外,其它污染物也显著减少,由于电厂大多建于远离人口密集的城市,对人类伤害较少,而且电厂是固定不动的,集中的排放,清除各种有害排放物较容易,也已有了相关技术。
由于电力可以从多种一次能源获得,如煤、核能、水力、风力、光、热等,解除人们对石油资源日见枯竭的担心。
电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电,使发电设备日夜都能充分利用,大大提高其经济效益。
有关研究表明,同样的原油经过粗炼,送至电厂发电,经充入电池,再由电池驱动汽车,其能量利用效率比经过精炼变为汽油,再经汽油机驱动汽车高,因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量,正是这些优点,使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。
有专家认为,对于电动车而言,目前最大的障碍就是基础设施建设以及价格影响了产业化的进程,与混合动力相比,电动车更需要基础设施的配套,而这不是一家企业能解决的,需要各企业联合起来与当地政府部门一起建设,才会有大规模推广的机会。
优点:
技术相对简单成熟,只要有电力供应的地方都能够充电。
缺点:
目前蓄电池单位重量储存的能量太少,还因电动车的电池较贵,又没形成经济规模,故购买价格较贵,至于使用成本,有些试用结果比汽车贵,有些结果仅为汽车的1/3,这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。
3.燃料电池汽车
燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料,通过化学反应产生电流,依靠电机驱动的汽车。
其电池的能
燃料电池汽车模型
量是通过氢气和氧气的化学作用,而不是经过燃烧,直接变成电能或的。
燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物,因此燃料电池车辆是无污染汽车,燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2~3倍,因此从能源的利用和环境保护方面,燃料电池汽车是一种理想的车辆。
单个的燃料电池必须结合成燃料电池组,以便获得必需的动力,满足车辆使用的要求。
近几年来,燃料电池技术已经取得了重大的进展。
世界著名汽车制造厂,如戴姆勒-克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司已经宣布,计划在2004年以前将燃料电池汽车投向市场。
目前,燃料电池轿车的样车正在进行试验,以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。
在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战,如燃料电池组的一体化,提高商业化电动汽车燃料处理器和辅助部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力,并已取得了显著的进步。
与传统汽车相比,燃料电池汽车具有以下优点:
1、零排放或近似零排放。
2、减少了机油泄露带来的水污染。
3、降低了温室气体的排放。
4、提高了燃油经济性。
5、提高了发动机燃烧效率。
6、运行平稳、无噪声。
4.氢动力汽车
氢动力汽车是一种真正实现零排放的交通工具,排放出的是纯净水,其具有无污染,零排放,储量丰富等优势,因此,氢动力汽车是传统汽车最理想的替代方案。
与传统动力汽车相比,氢动力汽车成本至少高出20%。
中国长安汽车在2007年完成了中国第一台高效零排放氢内燃机点火,并在2008年北京车展上展出了自主研发的中国首款氢动力概念跑车“氢程”。
随着“汽车社会”的逐渐形成,汽车保有量在不断地呈现上升趋势,而石油等资源却捉襟见肘,另一方面,吞下大量汽油的车辆不断排放着有害气体和污染物质。
最终的解决之道当然不是限制汽车工业发展,而是开放替代石油的新能源,燃料电池车的四轮快速又安静地滚过路面,辙印出新能源的名字——氢。
几乎所有的世界汽车巨头都在研制新能源汽车。
电曾经被认为是汽车的未来动力,但蓄电池漫长的充电时间和重量使得人们渐渐对它兴味索然。
而目前(指2009年)的电与汽油合用的混合动力车只能暂时性地缓解能源危机,只能减少但无法摆脱对石油的依赖。
这个时候,氢动力燃料电池的出现,犹如再造了一艘诺亚方舟,让人们从危机中看到无限希望。
以氢气为汽车燃料这种说法刚出来时吓人一跳,但事实上是有根据的。
氢具有很高的能量密度,释放的能量足以使汽车发动机运转,而且氢与氧气在燃料电池中发生化学反应只生成水,没有污染。
因此,许多科学家预言,以氢为能源的燃料电池是21世纪汽车的核心技术,它对汽车工业的革命性意义,相当于微处理器对计算机业那样重要
优点:
排放物是纯水,行驶时不产生任何污染物。
缺点:
氢燃料电池成本过高,而且氢燃料的存储和运输按照目前的技术条件来说非常困难,因为氢分子非常小,极易透过储藏装置的外壳逃逸。
另外最致命的问题,氢气的提取需要通过电解水或者利用天然气,如此一来同样需要消耗大量能源,除非使用核电来提取,否则无法从根本上降低二氧化碳排放。
5.燃气汽车
燃气汽车是指用压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)和液化天然气(LNG)作为燃料的汽车。
近年来,世界上各国政府都积极寻求解决这一难题,开始纷纷调整汽车燃料结构。
燃气汽车由于其排放性能好,可调正汽车燃料结构,运行成本低、技术成熟、安全可靠,所以被世界各国公认为当前最理想的替代燃料汽车。
目前,燃气仍然是世界汽车代用燃料的主流,在我国代用燃料汽车中占到90%左右。
美国的目标是,到2010年,公共汽车领域有7%的汽车使用天然气,50%的出租车和班车改为专用天然气的汽车;到2010年,德国天然气汽车数量将达到10万至40万辆,加气站将由目前的180座增加到至少300座。
业内专家指出,替代燃料的作用是减轻并最终消除由于石油供应紧张带来的各种压力以及对经济发展产生的负面影响。
近期,中国仍将主要用压缩天然气、液化气、乙醇汽油作汽车的替代燃料。
汽车代用燃料能否扩大应用,取决于中国替代燃料的资源、分布、可利用情况,替代燃料生产与应用技术的成熟程度以及减少对环境污染等;替代燃料的生产规模、投资、生产成本、价格决定着其与石油燃料的竞争力;汽车生产结构与设计改进必须与燃料相适应。
以燃气替代燃油将是中国乃至世界汽车发展的必然趋势。
我国应尽快组织力量,制定出国家级燃气汽车政策。
考虑到我国能源安全主要是石油的状况,发展包括燃气汽车在内的各种代用燃料汽车,已是刻不容缓的事,根据国情应该做到:
一是要限制燃气价格,使油、气价格之间保持合理的差价,如四川省、重庆市的油、气差价,即可保证燃气汽车适度发展;
二是鉴于加气站投资大,回收期长,政府适当给予一定补贴,在加气站售出的气价和汽车用户因用气节省的燃料费用之间,调节好利益分配;
三是对加气站的所得税,应参照高新技术产业开发区政策,采取免二减三的税收政策;
四是将加气站用电按照特殊工业用电对待,电价从优;另外,对加气站用地,能按重大项目和环保产业对待,特事特办,不要互相推诿、扯皮,积极采用国外先进建站标准,科学确定消防安全距离,节省土地资源。
6.生物乙醇汽车
乙醇俗称酒精,通俗些说,使用乙醇为燃料的汽车,也可叫酒精汽车。
用乙醇代替石油燃料的活动历史已经很长,无论是从生产上和应用上的技术都已经很成熟,近来由于石油资源紧张,汽车能源多元化趋向加剧,乙醇汽车又提到议事日程。
目前世界上已有40多个国家,不同程度应用乙醇汽车,有的已达到较大规模的推广,乙醇汽车的地位日益提升。
在汽车上使用乙醇,可以提高燃料的辛烷值,增加氧含量,使汽车缸内燃烧更完全,可以降低尾气的害物的排放。
乙醇汽车的燃料应用方式:
一、掺烧,指乙醇和汽油掺合应用。
在混合燃料中,乙醇和容积比例以“E”表示,如乙醇占10%,15%,则用E10,E15来表示,目前,掺烧占乙醇汽车占主要地位。
二、纯烧,即单烧乙醇,可用E100%表示,目前应用并不多,属于试行阶段;三、变性燃料乙醇,指乙醇脱水后,再添加变性剂而生成的乙醇,这也是属于试验应用阶步;四、灵活燃料,指燃料既可用汽油,又可以使用乙醇或甲醇与汽油比例混合的燃料,还可以用氢气,并随时可以切换。
如福特,丰田汽车均在试验灵活燃料汽车(FFV)
1.1.3 新能源汽车的技术难题
当前需要解决制约电动汽车产业化的几个技术难点中最重要的是电池技术问题。
当前汽车用动力电池主要是以磷酸铁锂、锰酸锂为主作为正极材料,其性能、寿命等指标还不足以使纯电动汽车完全替代燃油汽车的所有功能。
据了解,目前电池能量密度只有100Wh/kg左右,成本在3-5元人民币/Wh,容量小、成本高、重量大,远不能适应电动汽车产业化、商业化的要求。
规划到2015年前后,能量密度可达到150Wh/kg,成本降至2元人民币/Wh;预计2020年前后,电池能量密度将达250Wh/kg,成本1.5元人民币/Wh;据测算,电池能量密度达到500Wh/kg以上时,纯电动汽车续驶里程才能与传统汽车相当。
要达到这个技术,尚需要开发新型电池材料。
能量密度、寿命、安全性、价格以及重量、充电时间等都是影响电动汽车商业化的重要指标。
其次,充电设施建设和电机、电控方面也尚有亟待解决的问题。
车载动力电池可以作为移动式储能单元,通过充电设施实现电力负荷的“削峰填谷”,提高电力系统接纳风电、太阳能等可再生能源发电的能力。
但目前这些尚难付诸实践,智能电网的改造提升也需要大量投资,逐步实现。
电动汽车驱动电机目前主要采用交流异步电机、开关磁阻电机和永磁电机等。
交流异步电机和开关磁阻电机结构简单、成本低、运行可靠,但效率和功率密度都偏低。
永磁电机(稀土永磁材料应用在转子上)具有高效率、高功率密度、高可靠性及电耗低、重量轻、噪声小等优点,是车用驱动电机的重要发展方向。
但要满足新能源汽车产业化、商业化的要求,还需要进一步提高功率密度、降低成本,尚需要稀土工业的支撑。
电池管理、电机控制、整车控制等电控系统,在提高可靠性、一致性,以及接口和网络通讯协议的标准化等方面,也还有许多工作要做。
10.1 车用锂电池
10.1.1 锂电池是新能源汽车较为理想的车用蓄电池
车用锂电池是混合动力汽车及电动汽车的动力电池,由于镍氢电池的一些技术性能如能量密度、充放电速度等已经接近到理论极限值,锂电池由于能量密度高、容量大、无记忆性等优点,得到汽车厂商与电池生产厂商的一致认可,目前各国研发的重点是锂离子电池。
10.1.2 车用锂电池在我国的背景及发展优势
当前,全球温室气体排放总量持续攀升,二氧化碳排放中,25%来自汽车。
在我国,汽车排放的污染已成为城市大气污染的重要因素。
我国二氧化碳排放量已居世界第二,很快会居世界第一。
减排二氧化碳的压力将越来越大。
如何满足汽车对石油的需求,如何降低汽车对环境的破坏是关系国家能源安全的大问题。
据此,中投顾问汽车行业分析师李胜茂认为,锂电汽车本身是零排放的,发展电动汽车可以大大减少有害气体排放。
发展锂离子电池电动汽车不仅以电代石油、减少温室气体排放,又能储存电网谷电,一举三得。
我国发展锂电汽车既有可与发达国家相竞争的技术优势,又--99有发达国家所没有的资源优势和市场优势。
我国小功率锂离子电池早已产业化,形成上下游结合的完整产业链,电池产品超过世界市场的1/3,中日韩三国已成三足鼎立之势。
锂离子动力电池在技术上已经达到国际先进水平,产业化条件也已基本成熟,具备参与国际竞争的实力。
锂电汽车的主要关键部件是锂离子动力电池和永磁同步电机。
我国发展锂电汽车在资源上具有独特的有利条件。
锂离子电池的原材料在我国来源极为广泛。
我国是世界锂资源大国,特别是青海和西藏的盐湖有大量锂资源,盐湖的开发不仅为低成本锂离子电池提供原材料,也有利于西部地区的发展。
同时,锰、铁、钒、磷等在我国都是富产资源。
永磁同步电机具有体积小、重量轻和效率高的特点,而我国是稀土永磁材料大国,为锂电汽车提供了材料保证。
只有以锂离子电池为动力的纯电动汽车才是我国在激烈的国际竞争中难得的一次历史机遇。
正如一家着名的咨询公司的结论:
通过发展电动汽车,“中国有可能据此在全球汽车业第三次技术革命中走到世界前列”。
锂离子电池的新突破已经使电动汽车的成本大大降低、性能有了很大提高,市场化近在眼前。
迅速推进锂电汽车的产业化是符合我国国情的战略选择。
锂电汽车是我国在激烈的国际竞争中难得的一次历史机遇。
锂电汽车将带来一场“能源革命”和“产业革命”。
面对日益枯竭的石油资源,寻找过渡能源或者新能源成为各大汽车厂商的共识,不排除有一天像数码相机取代传统胶卷相机一样,传统内燃机在一夜之间被电池动力技术取代
10.1.3 车用锂电池的关键技术
这里有许多问题成为锂离子技术开发的日本研究者和公司正在按照电压范围寻找标准化的解决措施。
根据电压标准,蓄电池的性能取决于蓄电池包的成本(较高电压的成本会更高,因为电池的复杂性、温度的管理和监测问题带来的结果)和因电池固有的较高电压所带来的能量的损失及控制系统的复杂性这两者之间的博弈。
日本工程师愿意调整两个充电的标准:
144V对轻微混合动力车,288V对混合动力车。
然而1/4的市场几乎对电压标准化都没有反应。
1.蓄电池技术
持续发展的蓄电池技术构成了未来锂离子蓄电池成功的重要组成部分。
现有许多不同的蓄电池材料和化学成分被很多的蓄电池公司研发和测试。
具有竞争性的发展过程将会加速该项技术的商业化,因为优质的蓄电池会开发,并投入生产。
最终,蓄电池技术将在中短期时间里界定混合动力车和电动车的竞争差异。
2.控制装置
如果在考虑之中的电动车是混合动力车的话,那么在蓄电池的管理和蓄电池与电机的综合性能上就要考虑控制回路技术。
3.周期
要求用于混合动力和电动车的蓄电池必须有接近传统发动机车的使用周期,那就是10年或16万km。
早期的混合动力车,如丰田的Prius和本田的Insight大约是这个周期,它们采用的现有镍金属技术,证明了其可靠性。
也希望现在的锂离子蓄电池技术能达到这个目标。
为什么不是现在?
与常用的镍氢蓄电池相比,锂离子蓄电池的竞争优势在于,具有较高的动力和能量密度性能,同时具有较强的充电和放电效果。
在向混合动力、插电式混合动力及纯电动车转型的过程中,锂离子蓄电池是必不可少的。
10.1.4 车用锂电池的前景展望
尽管制造商和他们的蓄电池合作伙伴投入了大量资金,但一些工业和技术专家的观点是锂离子蓄电池并没有代表电动汽车的能源储存的长期未来方向,能够认识到这点非常重要。
研发雪佛莱Volt车涉及到的一些主要问题与锂离子蓄电池包或未试验过的插电式充电技术的先进性能没有直接联系。
然而,具有能量效率的附件系统的研发已成为需要去克服的主要问题,因为这些系统必须确保蓄电池的能量能驱动汽车。
在完全混合动力汽车上的低牵引音响系统、低功率的前灯和尾灯、以及其它的附件系统都必须优化,以便它们不会像普通汽车消耗的功率那么大。
研发这些附件系统所需的成本和时间已成为通用研发团队感到头痛的主要问题之一。
这些元件的成本成为了在锂离子作为轻型汽车动力源的快速发展过程中的拦路虎之一。
然而,Volt车在2010年的发行和其它锂离子完全混合动力车及纯电动车在未来五年的发行时,会带来经济效益,产生一个良性循环。
即使本田和丰田在其新一代混合动力汽车上坚持使用镍金属蓄电池技术的决定会在短期内产生一些影响,但新的锂离子蓄电池技术会使混合动力汽车和纯电动车的销量增加。
同时我们也应注意到,在未来的十年里,还有许多其它因素会刺激混合动力车的需求,这些因素包括高的燃油价格,更严格的排放规定以及社会对环境更多的关心程度。
锂离子蓄电池技术具有潜力成为纯电动城市汽车大量普及的催化剂。
电动车因其充电周期和行程范围而具有的灵活性成为城市与郊外之间的交通可接受的解决办法。
世界上大多数城市正计划制定更严格的措施限制常用汽车的入城条件,例如在伦敦就要收取拥堵费。
而且许多的倡议者提出,用核能或其它如风能和太阳能来充电的全电动汽车才是唯一的真正的无碳轻型汽车。
这意味着环境正在慢慢改变,将会在世界的许多城市中看到越来越多的纯电动车的出现。
当然仍有一些问题有待解决,那就是全电动汽车需要建立足够的充电地点,但比起氢燃料蓄电池车存在的问题又要简单得多。
在未来的六年多的时间内,雷诺被预测是生产全电动汽车最多的厂家,到2014年,在全球上路的车辆会达到一百万辆。
然而这个数字过于乐观,因为GI预测在2014年全球的电动轻型汽车的产量不会超过10万辆。
由于锂离子的功率和能量性能,它取代现有的铅酸和镍金属混合蓄电池已成为必然趋势。
锂离子蓄电池在其性能上取得的一步步进步,至少让纯电动车和完全混合动力车在短至中期里占据着重要位置。
外部的因素也有可能在相对短时间内导致该数字的快速上涨。
即将出台的环境保护立法,如欧洲计划在2012年~2015年限制汽车的CO2排放达到120g/kg,以及加利福尼亚州的零排放计划,均着眼于把公用车和私用车的消费引入对电动汽车的大量需求上来。
在中国对低排放汽车的快速需求的增长会刺激对人们对电动汽车和混合动力车的潜在的巨大需求,以及会对应用在汽车中的锂离子蓄电池和附件的成本降低起到一定的作用。
10.2 车用燃料电池
10.2.1 燃料电池概述
燃料电池实际上是化学反应发生器。
燃料电池的反应机理是将燃料中的化学能不经燃烧而直接转为电能。
氢氧燃料电池实际上就是一个电解水的逆过程,通过氢氧的化学反应生成水并释放电能。
氢能和氧能分别是燃料电池在电化反应过程中的燃料和氧化剂。
燃料电池的种类繁多,通常燃料电池可以依据其工作温度、燃料种类和电解液类型进行分类。
燃料电池按照电解质来划分,大致上可以分为以下5类:
碱性燃料电池、磷酸性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物电池、质子交换膜燃料电池。
10.2.2 中国车用燃料电池技术的发展
10.2.3 困扰车用燃料电池推广的成本问题
10.2.4 车用燃料电池的发展前景
10.2.5氢能,最理想的车用能源
10.2.6奔驰车用氢燃料电池或将在2014年实现量产
由于纯电动车、插电式电动车和增程式电动车在近期备受关注,氢动力燃料电池技术因此受到冷落,但仍有多家汽车制造商在坚持氢燃料技术的研发,当中的佼佼者便是戴姆勒-奔驰公司。
燃料电池在几年前得到重视,认为氢动力能够帮助汽车工业摆脱对石油的高度依赖。
戴姆勒-奔驰公司氢燃料车
配备燃料电池的奔驰B级车在去年通过租赁的方式搜寻氢动力在实际使用中的问题。
结果这些燃料电池B级车展现出令人吃惊的可靠性,证明奔驰的氢燃料技术已经令批量生产成为可能。
奔驰因此加快了氢燃料动力的量产步伐,投产时间从2015年提前到2014年。
氢燃料车添加燃料
预计奔驰首套投入量产的氢动力系统将用于配备新一代B级,续航里程将达到250英里(约合402公里),这是戴姆勒首席执行官蔡澈本周在纽约透露的消息。
戴姆勒在不久前宣布了氢燃料电池的研发计划,并将于2013年在加拿大范库弗峰建立一座生产氢燃料电池的新工厂。
氢燃料车外观实拍
氢燃料电池使用氢气发电,利用电动机驱动车轮,排放物仅有水。
奔驰在解决了氢燃料电池的可靠性之后,当前最大的难题是建设足够多的氢燃料补充站,以及如何降低高纯度氢气的价格。
氢燃料车LOGO
10.3 车用镍氢电池
10.3.1 镍氢电池是近期和中期新能源车用首选动力电池
10.3.2 世界车用镍氢电池的研发概况
10.3.3 中国车用镍氢电池的发展动态
10.3.4 车用镍氢电池正迎来发展机遇
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