燃油车受限情况下,关于新能源汽车的若干问题

原创 LittleRob  2018-11-15 23:36:19  阅读 472 次 评论 0 条
摘要:

1    什么是新能源汽车,包括哪些类型? 新能源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。 新能源汽车包括四大类型混合动力电动汽车(HEV)、纯电动汽车(BEV,包括太阳能汽车)、燃料电池电动汽车(FCEV)、其他新能源(如超级电容器、飞轮等高效储能器)汽车等。非常规的车用燃料指除汽油、柴油、天然气(NG)、液化石油气

1    什么是新能源汽车,包括哪些类型?

新能源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。

新能源汽车包括四大类型混合动力电动汽车(HEV)、纯电动汽车(BEV,包括太阳能汽车)、燃料电池电动汽车(FCEV)、其他新能源(如超级电容器、飞轮等高效储能器)汽车等。非常规的车用燃料指除汽油、柴油、天然气(NG)、液化石油气(LPG)、乙醇汽油(EG)、甲醇、二甲醚之外的燃料

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2    为什么要发展新能源汽车?

1. 改变能源结构:中国目前是第二大原油消费国和第一大进口国,对进口石油的依赖度近6成。

2. 能源利用率高:从原油开采到内燃机热效率等转换之后,真正的原油平均能量利用率仅14%左右。而将这些能源发电之后,转换效率会略高能到20%左右。当然,这些不是关键,重点是新能源汽车能推动新能源发电如风能、太阳能、水利、核能等;中国在这方面已排在前列,2015年在风电和光电均排在全球第一。

3.环保:雾霾问题,一到冬天就成为焦点。虽然雾霾的元凶有多种,但保有量超过3亿台并每年以超2000万台速度增长的汽车行业,如果在排放上大幅降低甚至实现零排放,对雾霾问题会有相当重要的改善。

4. 一些产业优势:全球第一的稀土资源(永磁电机中的重要磁性材料)、全球第三的锂矿储量(不确定锂电池是否是将来主流技术,但目前是主流)、各种新能源环保发电产业蓬勃发展(风电,光电全球第一)、夜间谷时电网利用率低、技术上没有任何劣势(对比传统内燃机欧美百年的技术积累来说,纯电动汽车这一领域,大家都在同一起跑线上。甚至由于市场因素,中国很可能应用积累上能实现“弯道超车”。)

3    我国新能源汽车技术路线?

电池技术,轻量化技术,制造技术

4    车用动力电池有哪些类型?

目前市场上主流技术仍以铅酸电池技术、镍氢电池技术、燃料电池技术、锂电池技术为主。

铅酸蓄电池

铅酸蓄电池的应用历史最长,技术最为成熟,是成本、售价最低廉的蓄电池,已实现大批量生产。其中阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA)一度成为重要的车用动力电池,应用在众多欧美汽车公司开发的EV和HEV上,例如通用在20世纪80年代和90年代分别开发出的Saturn和EVI电动汽车等。

但是,铅酸电池的比能量较低,续航时间短,自放电率高,循环寿命低;其主要原料铅的重量大,而且在生产和回收过程中可能产生重金属的环境污染。所以,目前铅酸电池主要用于汽车启动时的点火装置,以及电动自行车等小型设备。

镍氢电池

镍氢(Ni/MH)电池具有良好的耐过充、过放能力,不存在重金属污染问题,而且在工作过程中不会出现电解液增减现象,可以实现密封设计、免维护。与铅酸电池和镍镉电池相比,镍氢电池具有较高的比能量、比功率及循环寿命。

其缺点是电池具有的记忆效应较差,而且随着充放电循环的进行,贮氢合金逐渐失去催化能力,电池内压会逐渐升高,影响到电池的使用。此外,镍金属昂贵的价格,也导致成本较高。

在关键材料上,镍氢电池主要由正极、负极、隔膜和电解质构成,正极为镍电极(Ni(OH)2);负极一般采用金属氢化物(MH);电解质主要为液体,主要成分是氢氧化钾(KOH)。目前镍氢电池的研究重点主要在正、负极材料上,其技术研发相比较成熟。

车用镍氢电池已实现了批量生产和使用,是混合动力汽车研制中应用最多的车载电池类型。最典型的代表即目前混合动力汽车量产规模最大的丰田Prius。丰田与松下合资成立的PEVE公司是目前世界最大的镍氢动力电池制造商。

如今镍氢电池现阶段已经退出主流动力电池行列,那么为何丰田还会固执己见的坚守镍氢电池的阵营呢?

这就不得不说到镍氢电池最大的优势:超强的耐用性!

曾经美国著名的汽车媒体《消费者报告》对一台使用了十年后的第一代普锐斯进行了对比测试。测试结果显示,采用镍氢电池的第一代普锐斯车型在经过了10年行驶33万公里之后,将其与新车时的数据对比,无论是在油耗性能还是在动力性能都保持在同一水平,说明混动系统和镍氢电池组仍然工作正常。

此外,即便在使用十年跑了33万公里之后,这辆第一代普锐斯其镍氢电池组从未发生过问题,人们十年前所质疑因电池容量衰减将大幅影响油耗和动力性能的情况也没有出现。由此看来,一向严谨保守的日本人对于镍氢电池的钟爱确实有其独到的原因。

燃料电池

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

和普通化学电池相比,燃料电池可以补充燃料,通常是补充氢气。一些燃料电池能使用甲烷和汽油作为燃料,但通常是限制在电厂和叉车等工业领域使用。氢燃料电池基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。

氢燃料电池的工作原理是:将氢气送到燃料电池的阳极板(负极),经过催化剂(铂)的作用,氢原子中的一个电子被分离出来,失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜,到达燃料电池阴极板(正极),而电子是不能通过质子交换膜的,这个电子,只能经外部电路,到达燃料电池阴极板,从而在外电路中产生电流。

电子到达阴极板后,与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧,可以从空气中获得,因此只要不断地给阳极板供应氢,给阴极板供应空气,并及时把水蒸气带走,就可以不断地提供电能。

燃料电池发出的电,经逆变器、控制器等装置,给电动机供电,再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动,就可使车辆在路上行驶。与传统汽车相比,燃料电池车能量转化效率高达60~80%,为内燃机的2~3倍。

燃料电池的燃料是氢和氧,生成物是清洁的水,它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳,也没有硫和微粒排出。因此,氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车,氢燃料是完美的汽车能源!

氢燃料电池的特点:

1、无污染:燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应,而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式--最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放象COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述,燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的,整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。

2、无噪声:燃料电池运行安静,噪声大约只有55dB,相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装,或是在室外对噪声有限制的地方。

3、高效率:燃料电池的发电效率可以达到50%以上,这是由燃料电池的转换性质决定的,直接将化学能转换为电能,不需要经过热能和机械能(发电机)的中间变换。

4、氢燃料电池车的优势毋庸置疑,劣势也是显而易见。随着科技的进步,曾经困扰氢燃料电池发展的诸如安全性、氢燃料的贮存技术等问题已经逐步攻克并不断完善,然而成本问题依然是阻碍氢燃料电池车发展的最大瓶颈。

氢燃料电池的成本是普通汽油机的100倍,这个价格是市场所难以承受的。另外加氢站的背后,是一整套氢能源生产和运输网络作为支撑,而世界上绝大多数国家没有意愿和空间去大力发展一种不常用能源的体系化。

尤其氢能源的转化率较低,且在能源生产中会造成污染。另一方面是加氢站本身的建设要求与成本极高,需要专门的低温设备来满足能源存储需要。目前只有日本、韩国和美国加州有较多的加氢站,而这个较多其实也就是几十所左右。

进入2017,原本有些沉寂的燃料电池汽车市场仿佛突然有了一些回暖。一方面是一直被寄予厚望的纯电动车电池技术升级连续遇到了瓶颈。而行驶里程太短和充电时间过长这两大因素依旧制约着新能源汽车的前景。另一方面,是燃料电池汽车在多个领域的性价比正在不断提升。原本高昂的燃料电池汽车生产成本正在经历快速下降。相比于处在竞争状态的中高档纯电动车,5分钟充满燃料的体验和500km以上的里程当然更具诱惑力。

锂离子电池

车用锂离子动力电池是在一次性锂电池基础上发展起来的,是目前纯电动车用电池研发的主要方向。锂离子电池具有无记忆性、自放电率低、环保、高比能量、高比功率等诸多优点,是继镍氢电池之后,最受研发机构和汽车厂商青睐的潜力车载电池。

锂离子电池特性

1、电压平台

锂离子电池由于采用的正负极材料不同,其单体电池的工作电压范围为3。 7~4v,其中应用规模较大的磷酸铁锂单体电池工作电压为3。 2v,是镍氢电池的3倍、、铅酸电池的2倍

2、比能量大

当前乘用车锂离子动力电池的能量密度接近200wh/kg,预计2020年达到300wh/kg

3、电池寿命短

由于电化学材料特性的制约,锂离子电池的循环次数没有取得突破,以磷酸铁锂为例,单体电池循环次数可以达到2000次以上,成组后仅为1000次以上。

4、对环境影响较大

锂离子电池采用轻金属锂,尽管不含汞、铅、有害重金属,被认为是绿色电池,对环境污染较小。 但实际上由于其正负极材料、电解液包含镍、金属物,美国已经将锂离子电池归类为一种包含易燃、锰、反应性、浸出毒性、腐蚀性、有毒有害性的电池,是目前各类电池中包含毒性物质最多的电池,并且因为其回收再利用的工艺较为复杂导致成本较高,因此目前的回收再利用率不高,废弃的电池对环境影响较大

5、成本依然较高

锂离子电池初期购置成本高,以目前车用动力电池主流产品磷酸铁锂电池为例,价格大约在2500元/kwh,随着电动汽车的普及,有望在2020年降低到1000元/kwh以下。 

5    比较两个性能指标比能量与比功率?

1.容量:在一定放电条件下可从电池获得的电量.称为容量.以Q表示,单位为Ah.电化当量越小.电池容量越大。恒电阻时.常以电池从开始放电到终止电压所能维持的时间来表示。刚制做出来.尚未使用的一次电池或刚完全充电的二次电池.以规定的温度和放电率放电到一定终止电压的容量称为额定容量,常用C来表示。放电率是电池的放电速率.常用小时率(放电时间)和倍率(电流)来表示。例如电池的额定容量为10Ah.以2A电流放电,则小时率为10Ah/2A=5h,这是5小时率,以C/5表示;或进行5小时放电,则倍率为10Ah/5h=2A.表示为0.2C.
2.比能量:又称能量密度。电池对外作功输出的电能为电量与电压之乘积,比能量为单位重量或单位体积电池对外输出的能量。单位为Wh.kg-1或Wh.L-1。例如铅酸电池.Pb十PbO2+H2SO4-2PbSO4,活性物质为Pb,PbO2.H2SO4.总的电化当量,k=3.866+4.463+2x1.830=11.989. E理取E0(=2.045 V).理论比能量为170.5Wh.kg-'。铅酸电池的实际比能量为10~50Wh.kg-'.比理论比能量低得多。原因:①计算比能量时所用的电动势数值只适用于平衡状态.当电流通过时电池的电压会下降;(2)实用的电池还有容器、集电极等辅助材料。从一些常见电池的能量看.可见锌银电池和碱性锌空气电池其有较大的比能量。
3.比功率:这是单位时间电池的比能量。比功率的大小表征电池能承受的工作电流的大小。功率较大,则可用较大的电流放电。例如银锌电池在中等电流密度下放电时,比功率可达100W.kg-'以上;而锌锰干电池在小电流密度下工作时.比功率只能达到10kg-'。比功率与内阻有关,因为电池的实际功率为电池的内阻越大,比功率越小.也就是高速率放电性能差。电池以高倍率放电时,比功率虽然增大.但由于极化增大.电池的电压降低很快.因此比能量降低;反之,电池以低倍率放电时.比功率降低而比能量增大。

6    汽车对动力电池的要求?

能量密度(续航里程),安全,快充,成本,寿命,尺寸兼容。

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