电动汽车知识2

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个因素严重制约着电动汽车的发展： 

　　(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4～8h，使用极为不便； 

　　(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大车速的提高，无法与燃油汽车相抗衡； 

　　(4)使用寿命短。普通的蓄电池充、放电次数仅300～400次，即使是性能较好的蓄电池的充放电次数也不过700～900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蓄电池的研究。下面，对电动汽车各种类型蓄电池的性能及研制与应用情况予以叙述。 

 　2 铅酸电池 

　　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，使用寿命较短。 

　 2.1  铅酸电池的原理与结构 

　　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是可逆的。 

　　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：

　　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)由纯硫酸和蒸馏水混合而成的溶液。 

 　2.2 铅酸电池的性能及应用 

　　目前唯一经济实用的铅酸电池比能量为35～40wh／kg，远较汽油的比能11kwh／kg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、38wh／kg时，寿命周期相应为100、200、500、1000和2000次。美国Ⅲ型“冲击”牌电动轿车采用的铅酸电池，其比能定为35wh／kg，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19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80～130km，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 锌-空气电池 

　　锌-空气电池的比能量可达150～400wh／kg。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：O2＋2H2O＋4e→4OH－，极板锌的氧化过程为：Zn＋2OH－→ZnO＋H2O＋2e；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、滤清、通风等。另外，要放电电压等缺点，尚需进一步解决。 

　　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之久。 

　　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，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100km／h。从起步加速到50km／h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3min。 

　 4 镍-镉(Ni－Cd)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，无硫化现象，工作可靠，耐强电流放电。其缺点是内阻大，价格高。 

　　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5～6％的水银，以提高其导电能力和化学活性。 电解液为化学纯净的苛性钾或苛性钠溶液，充放电时的可逆化学反应如下式： 

　　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N i－C d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)集团及法国签订了合作开发电动汽车专用Ni－Cd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。其电池结构特点是：①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；②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；③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，在车上很容易安装。 

　　该电池的比能为：54wh／kg，电池组容量：120V～100Ah(20个6V～100Ah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2500～3 000法朗／kwh。该公司计划将Ni－Cd电池比能提高到65wh／kg，循环寿命达3000次以上，并且要降低成本。 　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(Ah·V)：100·12·5，蓄电池个数：24。一次充电40km／h，常速续驶里程：548km，达到世界领先水平。100km／h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Ni－Cd电池，一次充电行驶路程仅80km，最高车速为90km／h。

　 5 镍金属氢化(Ni－MH)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1991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Ni－Cd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N i－C  d电池相似，该电池可深度放电。 

　　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3～5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、快充电的优良性能。 

　　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125km／h，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 EV”，该车最高时速达130km／h以上，续驶里程210km。当以40km／h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100Ah，能量密度为70wh／kg。 

　　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 使用寿命期。 

 　6 锂离子(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，电压28.8V，容量100Ah，比能量高达100wh／kg。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300w／kg，约为Ni－H电池的2倍。 

　　LiP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电池组。 

　　加拿大的Hydroquebec电气公司与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120wh／kg，在新电池中是最高的。 

　　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。

　　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 

　　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β-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。电 子通过外电路移向阳极，而钠离子Na＋通过β-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等。 

　　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6wh／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250～300℃，且寿命短，目前使用尚有一定困难。 

　 8 钠氯化镍(Na－NiCl)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，使电池的工作更为安全。 

　　该电池利用的是带NiCl正电极的电池，β-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790wh／kg，实际电池组的值为100wh／kg。尽管电池组在157℃时开始工作，但使用β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250～350℃。 

　　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，β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β氧化铝开始并深入的。这样，放电时即使已部分充电，电池仍将回复到其初始低阻力，直到电池前面的全部材质放完电。 

　　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示。 

　　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。