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    新能源汽车的心脏 汽车锂离子电池技术介绍

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    • 内燃机汽车的心脏是动力系统,但是新能源车的心脏则是电池系统,因为电池系统的优劣直接关系到车的行驶里程、使用便利性等等情况,而目前新能源动力车型最大的技术瓶颈也恰恰限制在了电池系统上,比如充电时间、充电效率、能量密度以及体积、材质、安全或者质量等等。

      电池三大分类

      汽车所使用的电池重要分为三大类,即为化学电池、物理电池以及生物电池,分别为:

      化学电池,化学电池是利用物质的化学反应发电的电池系统,其中重要分为原电池、蓄电池以及燃料动力电池储备电池四种。

      1、原电池,其实就是一次性电池,是指电池放点后不能用一般的充电方法使活性物质复原而继续使用的电池,如锌-二氧化锰干电池、锂锰电池、锌空气电池以及一次锌银电池等都是此类一次性电池。

      原电池工作原理

      2、蓄电池,又称二次电池,是指电池在放电后可以通过充电的方法是活性物质复原而继续使用的电池,其实也就是我们目前最常见的充电电池,比如铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池以及锂离子电池等等。

      蓄电池是目前汽车上最常见的一种电池

      3、燃料动力电池,燃料动力电池又称联系电池,是指参加反映的活性物质从电池外部持续不断的输入电池,或者可以说其实燃料动力电池就是一个发电站,比如质子交换膜燃料动力电池、碱性染料电池、磷酸燃料动力电池等等。

      4、储备电池,这种电池是指电池正负极与电解质在储存期间不直接接触,使用前注入电解溶液使正负极接触,此后电池进入待放电状态,如镁电池、热电池等等。

      储备电池

      物理电池,物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池,如太阳能电池、超级电容器以及飞轮电池等。

      太阳能电池

      生物电池,生物电池是利用生物化学反应发电的电池,如微生物电池。酶电池以及生物太阳电池等等。

      微生物电池工作原理

      新能源车关于电池系统的要求

      就像关于内燃机车关于发动机的各种要求,新能源车关于电池组也有着苛刻的要求,而这几项关于电池组的要求则直接关系到了新能源车在电动驱动方面的效能等问题:

      1、比能量,为了提高电驱动的续航里程,要求汽车上动力锂电池要最大限度的存储能量,但其前提是不能过多的新增车体自重、占用空间,所以要电池组要有很高的比能量。

      2、比功率,为了能使电驱动的加速性能。爬坡性能以及负载性能与内燃机车相提并论,所以关于电池组的比功率会有很高的要求。

      3、充放电效率,电池中能量必须经过充电-放电-充电的循环,高德充放电效率关于电驱动的行驶效率有着至关重要的用途。

      4、稳定性,电池组应当在快速充电和放电的往复工况中保持性能的稳定性,使其在动力系统使用条件下能达到足够的放电循环次数。

      5、成本,除了降低电池的初始购买成本,还要提高电池的使用寿命。

      6、安全性,电池不能引起自燃或者燃烧,同时在发生车辆碰撞的时候,不会对驾乘人员造成人身伤害。

      铅酸蓄电池

      铅酸蓄电池自1958年发明以来,其使用和发展已经有了100多年的历史,其广泛应用于内燃机车的动力端,而新能源车所使用的铅酸蓄电池因为要为车辆供应动力,所以它的重要发展方向是提高比能量,增大循环使用的寿命。铅酸蓄电池是最成熟的新能源电池系统,1881年,前列辆电动三轮车使用的就是铅酸蓄电池,犹豫铅酸蓄电池成熟、可靠性好、原材料价格低廉,同时比功率也基本上可以满足电动驱动的动力要求,所以在新能源汽车中广泛应用。

      铅酸蓄电池

      铅酸蓄电池的优点:

      1、除锂离子电池外,在场用蓄电池中,铅酸蓄电池的电压最高,即为2.0V;

      2、制造成本低廉;

      3、可以做成小至1Ah大至几千Ah的各种尺寸和结构的蓄电池;

      4、高倍率放电性能良好,可用于发动机启动;

      5、电能效率可以达到60%;

      6、高低温性能良好,可以在-40℃~60℃条件下工作;

      7、易于浮充使用,没有记忆效应,且易于识别荷电状态。

      铅酸蓄电池的缺点:

      1、比能量低,在新能源车重所要占用的整体质量以及体积比较大,一次充电可行驶的历程比较短;

      2、使用寿命短,且后期使用成本高;

      3、充电时间长;

      4、铅是重金属,存在污染,与新能源动力车的概念背道。

      镍氢电池

      镍氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型电池,它的正极活性物质重要由镍制成,负极活性物质则由氢合金支撑,属碱性电池。镍氢电池具有高比能量、高功率,适合大电流放电、可循环充放电、无污染,属于一种绿色能源,目前很多新能源动力车型所使用的电池组都会选择镍氢电池。

      大众的Hybrid版途锐所使用的电池即为镍氢电池

      镍氢电池的特点:

      镍氢电池具有无污染、高比能、大功率、快速充放电、耐用等诸多特性,与铅酸蓄电池相比,镍氢电池具有比能量高、质量轻以及循环寿命长等特点,同时还具有一下特点:

      1、比功率高,目前商业化的镍氢电池功率可以达到1350W/kg;

      2、循环次数多,目前应用在电动汽车辆上的镍氢动力锂电池组,80%放点深度循环可以达到1000次以上,为铅酸电池的三倍以上,100%DOD循环寿命也在500次以上,在混合动力的汽车上可以使用五年以上;

      3、无污染,镍氢电池不含铅、镉等对人体有害的金属;

      4、耐过充过放,无记忆效应;

      5、使用温度范围大,正常使用温度范围在-30~50℃,存储温度范围-40~70℃

      6、安全,可以抵抗短路、挤压、针刺、跌落、加热、震动等情况,且不会发生爆炸或者燃烧现象。

      锂离子电池

      锂离子电池最早在1990年由日本的索尼公司推向市场,是目前世界上最新一代的充电电池系统,与其它电池想比,其有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、更快的充电、自放电率低一级工作温度范围款和安全等优势,相比较镍氢电池,混合动力汽车采用锂离子电池,可是电池系统的质量下降40%~50%、体积减小20%~30%,能源效率也有提升。

      锂离子电池工作原理(磷酸铁锂离子电池其实只是锂离子电池的一个分支)

      锂离子电池按照不同的正极材料可以分为锰酸锂离子电池、磷酸铁离子电池以及镍钴锂离子电池(镍钴锰离子电池)等,大多数新能源车型所使用的第一代锂离子电池均为锰酸锂离子电池,其成本更低、安全,但是循环寿命欠佳,同时在高温状态下循环寿命短,甚至在高温状态下会出现锰离子溶出现象,而现在大多数新能源车型所使用的第二代电池组为磷酸铁离子电池,也是未来锂离子电池的发展方向所在。

      锂离子电池优点

      1、工作电压高,其工作电压为3.6V,是镍氢、镍镉电池工作电压的3倍;

      2、比能量高,其比能量达到150Wh/kg,是镍镉电池三倍,镍氢电池1.5倍;

      3、循环寿命长,其循环寿命可以达到千次以上,在低放电深度下可以达到几万次,超过了其它几种二次电池;

      4、自放电率低,锂离子电池的自放电率仅为6~8%,远低于镍镉电池和镍氢电池。

      5、无记忆性、无污染、随意塑形。

      锂离子电池缺点

      1、成本高,重要是正极材料的LiCoO的成本高,但按单位瓦时的价格来计算的话,其实已经低于镍氢电池,与镍镉电池持平,但高于铅酸蓄电池。

      2、必须有特殊的保护电路,以防止过充现象。

      燃料动力电池

      燃料动力电池(FuelCell,FC)是一种化学电池,它直接把物质发生化学反应时释放的能量转化为电能,工作时要持续地向其供给活物质(起反映的物质)燃料和氧化剂。犹豫它是把燃料通过化学反应释放出的能量变成电能,所以成为燃料动力电池。燃料动力电池的发展是以电化学、电催化、电极过程动力学、材料科学、化工过程和自动化等学科为基础的,而最早的燃料动力电池在1839年格洛夫使用电解水出现的氢气和氧气而制造出了最早的燃料动力电池。

      燃料动力电池优缺点

      其实根据燃料动力电池车的工作原理来说,其所谓的燃料动力电池其实就好象串联式混合动力车的工作原理,其燃料动力电池并不是纯粹意义上的电池,而是一个输送电能的发动机,其将化学能转化为电能后输送给电池,尔后再将电能输送给电动机,或者其实称它为串联式混合动力车也未尝不可,但是它的优点却更多:

      1、比如它的能量转换的效率更高。过氢氧化和用途将其所释放的化学能转变为电能,而不通过热机过程,也不受卡诺循环的限制;

      2、无污染。其排放物仅为可食用的纯净水,或者说开车不要带太多的饮用水了。

      3、结构简单。燃料动力电池车(质子交换膜燃料动力电池)的电池模块是一种积木化的结构,使得电池组的组装以及维护都非常方便,同时因为其工作为误解些运动部件,以及工作中只会出现水,所以其在运行中的噪音也会更低。

      4、氢能源来源充分。氢是一种来源非常广泛的能源,且是一种可再生资源,比如可以通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行重整制氢、光解水制氢等方法得到氢气。

      不过缺点同样存在,其成本与其它新能源动力相同会非常高,同时对氢的纯净度要求非常高,以及因为氢属于活性物质,所以关于其储存器具的要求也颇为严苛,致使其在科技含量以及成本上都不会比其它新能源动力低,而这些也正是制约燃料动力电池发展的重要瓶颈,虽然奔驰汽车在燃料动力电池方面有着不错的发展,但是其瓶颈则依然卡在了电池能量密度、制造成本等问题之上。

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