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使用动力系统和电池化学成分的电动汽车

Robert Keim 2019-09-11

电动机不是外来设备,用于发电和配电的基础设施已经到位。那么,为什么将汽车从燃烧转换为电力如此困难呢?从技术角度来看,主要障碍是电池。在性能要求方面,电动汽车电池根本无法与为小型电子设备供电的电池进行比较。当我看到智能手机投入使用时,设计师赢得电池竞赛:人们经常使用这些设备,并且由于需要充电而显得极为不便。另一方面,对于电动汽车而言,电池是一个限制因素。lNe电子头条

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电动汽车电池必须能够提供非常大的功率,并且为了提供足够的范围,它必须存储相应的大量能量而不会太笨重或太重。它还必须能够承受极端的环境条件和众多的充电周期。这是一个很高的要求。lNe电子头条

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电动汽车电池电源要求lNe电子头条

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与高性能处理器或LCD监视器的功耗相比,加速普通尺寸车辆所需的功率量非常高。该文件(PDF)表示在典型车辆的加速期间估计的平均功率为61kW。假设道路平坦,没有逆风。需要非常高的峰值功率是一个困难的设计要求:没有人想要在刮风天上坡行驶时无法正常加速的汽车,因此,电池必须具有足够低的内阻以支持仅在偶尔的“最坏情况”条件下才发生的高功率传输。lNe电子头条

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使用动力系统和电池化学成分的电动汽车lNe电子头条

这种电池等效电路由国家可再生能源实验室开发;串联电阻限制了电池可以提供的最大电流,从而限制了最大功率。lNe电子头条

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什么是能量密度?lNe电子头条

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关键概念是能量密度,其是指给定物质或装置相对于其物理尺寸或重量可以存储的能量的量。(在精确科学背景下,能量密度表示单位体积的能量,比能量表示单位质量的能量。)通常,电池比汽油和煤等化石燃料更方便;但能量密度和比能量要低得多。例如,汽油或柴油的比能量可能比锂离子电池高100倍,比铅酸电池高300倍。lNe电子头条

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电池与汽油的对比并没有看上去那么糟糕,因为电动马达能比内燃机(ICE)更有效地将储存的能量转换成汽车运动。然而,即使纠正了效率上的差异,仍然难以达到与装满油箱的ICE车辆相当的范围。lNe电子头条

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我已经看到了目前可用电动车的一些令人印象深刻的范围数字,但重要的是要记住它们的缺点:这些高容量电池并不便宜。它们的制造成本高达数千美元,可以占电动汽车购买价格的很大一部分;对电池反复充电和放电会导致受各种因素影响的劣化,因此难以预测。我不知道我们有多少关于电动汽车长期电池性能的可靠数据,但我认为我们都听说过在正常运行条件下能够达到十万英里标准的ICE车辆;与填充油箱相比,为高容量电池充电非常慢。甚至特斯拉的增压器也让你等了半个小时。lNe电子头条

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电动汽车电池化学品lNe电子头条

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研究人员已经研究了不少电池技术作为电动汽车的动力源。在1994年发布的阿贡国家实验室发现了一份相当古老的文件,其中包括以下化学品作为“候选电动汽车电池系统”:铅酸、镍/镉(NiCd)、镍/铁、镍/金属氢化物(NiMH)、钠/硫、锌/溴、锌/空气、钠/氯化镍、锂/硫化铁和锂聚合物。该清单的顺序基于每个系统的比能量,铅酸具有最低值(每公斤25-40瓦时)和最高的锂聚合物(每公斤100-200瓦时) 。lNe电子头条

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目前,电动汽车最受青睐的电池化学成分是锂离子电池。2012年发表的一篇论文表明,NiMH以前是混合动力电动汽车的主导技术,不过预测锂离子系统的使用将迅速扩大。lNe电子头条

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此图片来自美国能源部提供的动画,描述了锂离子电池的功能。lNe电子头条

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2013年,NiMH被认为是有利的,因为它是一种成熟的化学物质,但锂离子技术最终使NiMH不那么吸引人,锂离子提供更高的比能量,相对于重量更高的功率输出,并且与记忆效应相关的问题更少。lNe电子头条

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电动汽车的影响lNe电子头条

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你可能已经注意到,电动汽车并没有完全取代传统的以汽油和柴油为基础的个人交通方式。长途旅行是这个国家历史和身份的重要组成部分,当提供令人满意的远程驾驶体验时,现代电池仍然无法与石油燃料竞争。如果你认为在电动汽车更容易接受的地方你会更开心,那就考虑一下中国,电动汽车的投资很普遍。或更好的是看看挪威:lNe电子头条

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尽管美国有3.288亿人,挪威只有530万人,挪威的电动汽车市场份额约为美国的32倍。该图表取自国际能源署发布的这篇文章。lNe电子头条

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向电动汽车的大规模转型将给工业化社会带来重大变革。在我看来,尽管人类社会是众所周知的复杂,但大多数这些变化都是有益的,所以也许我们不应该过分强调除了挪威之外每个国家电动车的缓慢采用。无论如何,电池系统是电动汽车实用性和可承受性的主要障碍,这意味着电池技术的发展将成为电动汽车工业不断发展的决定性因素。lNe电子头条