电动汽车电源概述

电动汽车电源概述1电动车辆的电源1.1电源的种类和发展1、电动车辆用动力电池储能电源是制约电动车辆发展的关键因素，要使电动车辆进入实用过程，对储能电源提出的要求是：比能量高，比功率大，使用寿命长，成本低廉。比能量(单位质量或体积输出的电量)决定了电动车辆的续驶里程。电动车辆的储能电源受车重和布置空间的限制，一次充电后的行驶里程决定于电池携带的总电量，比能量提高就可以增加电动车辆的储备能量。比功率(单位质量或体积输出的功率)则决定了电动车辆的动力性(诸如加速能力、爬坡能力和负载运行能力)。使用寿命长(电池充放电循环次数多)对延长电池的更换周期是至关重要的，可降低车辆的总使用费用。成本低廉则降低了电动车辆的初购价格和总的使用费用。此外，缩短电池的充电时间和使用中电池的安全性也是必须考虑的问题。目前，电动车辆所采用的储能电源有:铅酸(Pb-H2SO4)蓄电池镍镉(Ni-Ca)电池钠硫(Na-S)电池尚在研究的有:镍氯(Ni-MH)电池锂(Li)电池锌(Sn)—空气电池飞轮电池(Fly—wheelBatteries)燃料电池太阳能电池等。几种储能电源的性能参数如表3-1所示。表1—1储能电源的性能参数电池类别铅酸电池铅酸电池(改进型)镍镉电池镍氢电池锂电池钠硫电池锌空气电池飞轮电池比能量(W．h／kg)30—40555575-80100118160150比功率(W／kg)150-200225190160-230200243小5000循环寿命(次)500-70020006001200短25年备注成本低，充电慢准双极且铅布电池成本高，可快速充电无污染，可快速充电充电较快寿命短充电困难可快速充电2、动力电池的发展铅酸蓄电池是储能电源中最成熟的，它自1859年被发明以来，已有一百四五十年的历史了。因其原料丰富，技术成熟，价格便宜，可靠性高，比功率尚可，仍是电动车辆的首选电源。但它比能量低，难于快速充电，使用寿命不长，难于满足电动车辆的全面要求。铅酸蓄电池仅作为短期发展目标或作为过渡性电源。考虑到对常规铅酸蓄电池的改进，如采用水平电极、准双极性结构、铅丝编制而成的板栅、胶体电解质、免维护型蓄电池，使其比能量、比功率、快速充电性能有较大的改善，但其发展的潜力毕竟有限了。镍镉电池比功率大、比能量高，可快速充电，循环寿命长，成为电动车辆很具吸引力的电源。但价格高，尤其是重金属镉如不能很好地回收，会造成环境污染，这是需要解决的关键问题。钠硫电池也是近期电动车辆看好的电池，它有很高的比功率和比能量，但其工作温度高和基于钠的活化性考虑，要求设计必须保证高度牢固安全。目前尚存在寿命较短，长时间不充电液态钠、硫就会因固化而无法使用的问题。镍氢电池具有许多与镍镉电池相似的特性，但它不存在重金属污染，被称为“绿色电池”，近几年受到国际上的普遍关注，批量生产的成本约为铅蓄电池的4倍，但因循环寿命长，比能量高，做电动车辆的电源的实际费用要低。锂电池有一次电池和二次电池。电动车上用的是二次电池，有锂离子电池、锂熔盐电池、锂聚合物电池等。它具有比能量高等一系列优点，国际上将它作为电动车辆电源发展的长期目标，并作为电动车辆与内燃机车辆全面竞争中获胜的希望。飞轮电池不同于上述化学电池，它是一只高转速、长时间运转的飞轮带动的发电机，具有比能量高、比功率大、充电快、寿命长、无污染的特点，在电动车辆上应用有美好的前景。但它是一项高新技术，其应用尚有待发展。燃料电池也是电动车辆上尝试应用的储能电源。它是将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化成电能的发电装置，也是具有吸引力的发展电源。它与内燃机相比，排放废气少、污染小、噪音低，无二次电池的自放电，但它不能充电，无法利用电动车辆的再生制动能量。太阳能电池纯粹无污染，且太阳能无需购买、但它能量密度低，比能量小，且太阳能电池的成本还较高，尚无法作为电动车辆的电源。它可作为一种辅助电源，成为辅助充电服务的部分内容。针对电动车辆的具体情况，对储能电源提出的要求：①能量密度高(2h放电率时不小于45W·h/kg)；②制造成本低；③寿命长，维护保养工作量小；④工作物质寿命长，自放电量少；⑤加速和爬坡性能好；⑥充电快、效率高，设备简单；⑦体积、质量小；⑧发生事故和充电失控时安全性好；⑨电池组更换简捷；⑩无需或少量特殊维护设备。1.2铅酸蓄电池1、铅酸蓄电池的结构电动车辆的电源即蓄电池，到目前为止仍是以铅酸蓄电池为主。电动车辆用铅酸蓄电池以动力型电池应用最为广泛，图3—1为动力型铅酸蓄电池的结构图，它由正负极板组、隔板、电解液、壳体等组成。每只蓄电池的输出电压为2v，由多只蓄电池串联成蓄电池组，得到电动机所需的电压。图3—1动力型铅酸蓄电池的结构图铅酸蓄电池的极板由极板栅架和涂覆在极板上的活性物质等组成，正极板上的活性物质是二氧化铅(PbO2)，负极板上的活性物质是纯铅(Pb)。为了保证正极板的强度，正极板采用排管式结构，负极板多采用板状结构，如图1-2所示。图1—2动力型蓄电池的正极板为了获得更大的输出电量，通常将蓄电池的极板并联成极板组，按蓄电池的输出容量不同，单只蓄电池中极板组的片数不同。图1—3为蓄电池的极板组。图1—3蓄电池的极板组蓄电池的隔板是为了防止蓄电池极板组中正负极板之间短路而设置的。制成隔板的材料有多孔橡胶和多孔塑料等多种，但只有这两种目前应用最广泛。因为隔板浸泡在电解液中，要求其多孔性好，便于电解液中的离子通过，而且要耐酸，抗腐蚀性、抗氧化性好。铅酸蓄电池的壳体以前用橡胶制造，因其强度低、重量大，目前逐渐被工程塑料所取代。当采用塑料制造蓄电池壳体时，电池的上盖与壳体间采用热塑封装工艺，蓄电池的上盖上有一个加液孔，用于向电池内加注电解液或补充蒸馏水，也可通过密度计检测蓄电池的充放电程度。加液孔用塑料螺塞封住，螺塞上有一个很小的通气孔，要确保该小孔畅通。单体铅酸蓄电池的端电压为2V，为了得到电动车辆所需的电压，应将多只单体电池串联起来。单体电池之间的连接可采用导线和螺母连接，为了减小连接回路的电压损失，采用铅焊的连接更合理。图1—4为铅焊连接的48V的蓄电池组。2、铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池的原理是人们在普兰特1859年发明的蓄电池的基础上，经过深入研究总结出来的。其基础是双极硫化理论，即在放电过程中，蓄电池正负极板上的工作物质(PbO2和纯铅)通过电池外电路的电子流动，打破电池内部的电位平衡，负极板失去电子，铅原子变成二价铅离子，尔后与电解液中的硫酸根结合生成硫酸铅；正极板得到电子，四价铅离子还原成二价铅离子，尔后与电解液中的硫酸根结合也生成硫酸铅。用电化学反应方程式表示为：铅酸蓄电池充电过程中电池内部的化学反应与放电时相反，正负极板上的硫酸铅在充电电流的作用下，分别转化成原来的Pb02和纯铅。铅酸蓄电池的充放电过程也可用图1—5表示。(a)放电开始(b)放电结束(c)充电结束1．二氧化铅2，硫酸溶液3．纯铅4.硫酸铅5．稀硫酸溶液图1—5铅酸蓄电池的充放电过程放电过程中，电池内部电解液中硫酸被消耗而生成水，所以电解液的密度减小；充电过程中，电池内部电解液中水被消耗而生成硫酸，所以电解液的密度增大。3、铅酸蓄电池的性能铅酸蓄电池的性能参数主要有额定输出容量、蓄电池的比功率、比能量、内阻等。铅酸蓄电池的额定容量是指蓄电池3h或5h的放电率条件下电池输出的电量，现在用得较多的是5h放电率；即，以标称容量l／5电流的放电至单格电压为1．7V时电池的放电时间与放电电流的乘积。如DG-300型蓄电池，以60A的电流放电至单格电压为1．7V时，蓄电池的放电时间应大于或等于5h。国产的部分动力型铅酸蓄电池的参数见表1—2。蓄电池的比功率是指蓄电池的输出功率与电池总质量的比值，单位是W/kg或kW/kg。输出功率为蓄电池端电压与输出电流的乘积，单位是W或kW。反映出同等质量的蓄电池输出电力的能力，在客观上决定了电动车辆的动力性能，蓄电池的比功率越大，则电动车辆的加速能力越好。蓄电池的比能量是指蓄电池的输出电能量与电池总质量的比值，单位是W·h／kg或kW·h／kg。输出电能量为蓄电池端电压、输出电流和放电时间的乘积，单位是W·h或kW·h。反映出同等质量的蓄电池输出电能量的能力，在客观上决定了电动车辆的持续工作性能，蓄电池的比能量越大，则电动车辆的续驶里程越长。1.3钠硫蓄电池1、钠硫蓄电池的结构钠硫蓄电池是利用350℃熔融态钠和熔融态硫作为蓄电池正负极的工作物质，电池的工作温度为350-380℃。图1—6为钠硫蓄电池的结构图。2、钠硫蓄电池的工作原理10e2Na+5SNa2S53、钠硫蓄电池的性能图1—7为钠硫蓄电池的充放电特性。蓄电池的单格电压为1．9V，电池的比能量可达1OOW·h／kg，50％的放电深度时比功率可达106W／kg，80％的放电深度时循环寿命可达600次。1.4锂蓄电池锂电池具有比能量高、体积小的突出优点，在电动车辆上应用很有前途。但也存在工作温度高、隔板造价高等缺点。1、锂蓄电池的结构图3—8为加拿大摩里能源公司研制的锂—硫化钼电池的结构，其设计容量为50A·h。图3—9为美国西屋电气公司生产的比能量1OOW·h／kg的7片式锂合金—硫化铁蓄电池，标称容量200A·h。图1—8锂—硫化钼电池图1—97片式锂合金—硫化铁蓄电池锂合金—硫化铁蓄电池由一硫化三铁做正极，正极由氧化镁隔板隔开，电解液为LiBr、LiCl、LiF的混合物，其熔点为445℃。因电解质在蓄电池整个寿命期间不能更换，所以在电池制造时就必须熔进电极的隔板中，电极由活性材料和电解质粉末混合挤压构成，隔板由氧化镁和电解质粉末挤压成型。外壳为不锈钢罐，并作为蓄电池的负极，正极端子通过陶瓷导管引出。电池的工作温度为450~500℃之间，高于电解质的熔点，但低于负极锂合金的熔点。2、锂蓄电池的性能锂合金—硫化铁蓄电池的单格电压约1．17V，80％的放电深度时可提供100-120W／kg的比功率。当电池以100％的放电深度进行循环时，其循环寿命达350次，按6h(C／6)和3(C／3)h的放电率进行放电时，终止电压分别为1．5V和0．9V。图1—10为7片式锂合金一硫化铁蓄电池的放电特性。1.5镍(镉、氢)蓄电池镍—镉(Ni—Cd)蓄电池比能量较大，比功率可达190W／kg，并可以快速充电。过放电性好，循环使用寿命长(可达2000多次)。在电动车辆应用时初期投入成本较高，但因其寿命长，比能量高，实际使用成本并不比铅酸蓄电池高。但是重金属镉会造成严重的环境污染，为此，美国Ovonic电池公司开发了镍—氢(Ni—MH)蓄电池。镍—氢蓄电池也属于碱性电池，许多特性与镍—镉电池相近，无重金属污染，被称为“绿色电池”。1、镍蓄电池的结构镍—镉蓄电池的正极工作物质为氢氧化镍，负极为镉和铁的化合物，电解液为氢氧化钾。图1—11为6V镍—镉蓄电池外形图。1．提带2．钢制电池箱3．冷却隔板图1—116v镍—镉蓄电池镍—氢蓄电池的正极工作物质仍是氢氧化镍，负极由储氢合金(如钒、锆、钛、镍等)经吸氢处理后的粉末，合成膏状涂覆于极板上。电解液是氢氧化钾中加有少量氢氧化锂混合液。2、镍蓄电池的工作原理镍—镉蓄电池的化学反应方程式可表示为：2Ni(OH)3+2KOH+Cd=2Ni(OH)2+2KOH+Cd(OH)2放电过程中蓄电池正负极板上发生的化学反应：正极：2Ni(OH)3+2K++2e=2Ni(OH)2+2KOH负极：Cd+2(OH)--2e=Cd(OH)2充电过程中蓄电池正负极板上发生的化学反应：正极：2Ni(OH)2+2(OH)--2e=2Ni(OH)3负极：Cd(OH)2+2K++2e=Cd+2KOH3、镍蓄电池的性能镍—镉蓄电池单格的标称电压为1．3V，循环寿命长，在电动车辆上使用可达四年之久。美国Ovonic电池公司的镍—氢蓄电池3h放电率时的比能量可达75-80W·h／kg，80％放电深度时的比功率可达160~230W／kg，从放电程度60％到充电80％的时间仅为15min，蓄电池的工作温度为-28—+80℃，循环使用寿命超过600次。1.