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电源系统_电动汽车

电源系统

电源是制约电动汽车发展的因素。作为电动汽车的电源应该具有高比能和高比功率等性能,以满足汽车的动力性和续驶里程的要求。另外,还应具有与汽车使用寿命相当的循环寿命、效率高、成本低和免维护等特点 。

目前用于电动汽车上的电源主要是蓄电池,其次是燃料电池。蓄电池是能量存储装置,通过外界充电实现储能;燃料电池是能量生成装置,通过化学反应产生电能。蓄电池技术成熟,价格合理,而燃料电池则被认为是最有发展前途的电动汽车动力源。

蓄电池的主要性能指标有:①比能量--单位电池质量所能存储的电量(W·h/kg),是评价电动汽车整车质量和续驶里程的指标;②能量密度--单位电池体积所存储的电量(W·h/L),它影响蓄电池的尺寸;③比功率--单位电池质量所能输出的功率(W/kg),是评价电动汽车加速性、爬坡能力及最高车速的指标;④功率密度--单位电池体积所能输出的功率(W/L);⑤循环寿命--蓄电池充、放电一次称为一个循环,循环寿命表示更换电池前所能完成的循环数。循环寿命短,将增加电动汽车的维护费用。

1.蓄电池

铅酸蓄电池广泛地应用于电动汽车上,其主要原因是技术成熟,价格便宜,可靠性好,单体额定电压高(2.0V)。另外,输出电流大以及良好的高、低温性能等均适合电动汽车使用。但是铅酸蓄电池存在比能量低,充电时间长,使用寿命较短等缺点。

镍隔(Ni-Cb)电池比功率大,比能量高,可快速充电,使用寿命长,抗电流冲击能力强,工作温度范围宽(-40℃~85℃),在较大的放电电流范围内电压变化较小等,成为电动汽车很具吸引力的电源。但是生产成本高(约为铅酸电池的2~4倍),单体额定电压只有1.2V,重金属镉具有致癌性等,限制了它在电动汽车上的广泛应用

镍氢(Ni-MH)电池与Ni-Cd电池有许多相同的特性,但由于无镉,因此不存在重金属污染问题,被称为"绿色电池"。批量生产的成本约为铅酸电池的四倍。Ni-MH电池单体额定电压为1.2V,其负电极为经吸氢处理后的储氢合金,正电极为氢氧化镍,电解液为KOH溶液。

钠硫(Na-S)电池有很高的比功率和比能量,但其工作温度高,再加上钠的活化性和腐蚀性,因此在结构设计上必须保证坚固和安全。Na-S电池以熔融态钠为负电极,熔融态硫为正电极,陶瓷β-Al2O3作电解质,并作为离子传导媒介和熔融态电极的隔离物,以避免电池自放电。

锂离子(Li-Ion)电池自20世纪90年代初问世以来发展很快。虽然目前锂离子电池仍处于开发阶段,但在Nissan FEV、Nissan Prairic Joy和Altra等电动汽车上都采用锂离子电池。它具有单体额定电压高,比能量和能量密度高和使用寿命长等优点,缺点是自放电率高。

电动汽车用的各种蓄电池的性能参数见表,美国先进电池联合会(USABC)制定的电动汽车用蓄电池远期性能指标也列于表中。

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.燃料电池

燃料电池是燃料与氧化剂通过电极反应将其化学能直接转化为电能的装置。燃料电池不需要充电,只要外部不断地供给燃料和氧化剂,就能连续稳定地发电。电动汽车用燃料电池的燃料为氢和甲醇,氧化剂为空气。燃料电池具有比能量高、使用寿命长、维护工作量少以及能连续大功率供电等优点。另外,燃料电池电动汽车可达到与燃油汽车相同的续驶里程。(如下左图)

根据电解质的不同,燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、溶融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池五类。适于电动汽车用的有碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池。在燃料电池中,燃料作负电极的工作物质,在负电极发生氧化反应;氧气(空气)作正电极的工作物质,在正电极发生还原反应。在碱性燃料电池中,氢气和氧气(空气)分别吸附在用活性炭制成的电极上,并将两个电极置于KOH电解液中,若接通外电路,便有电流流过负载。

使用镍作为正电极的催化剂,锂镍氧化物作为负电极的催化剂,可以加速电池的反应过程。质子交换膜燃料电池使用固体隔膜作电解质,隔膜夹在正、负电极之间,并以铂作电极反应的催化剂

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质子交换膜燃料电池用作电动汽车的电源有以下优点:

①在所有燃料电池当中,质子定换膜燃料电池的比功率和功率密度都最高,在相同输出功率的情况下,体积最小;

②工作温度低,起动时间短;

③电池中惟一的液体为水,从而避免了腐蚀作用;

④使用固体电解质,因而不会发生电解液蒸发、外溢等问题。质子交换膜燃料电池的缺点是内阻稍大,而且需使用贵金属铂作电极催化剂。

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直接用甲醇作燃料的燃料电池称为直接甲醇燃料电池。发展直接甲醇燃料电池的原因是甲醇来源丰富,生产成本低,而且易于储存、运输和销售,便于电动汽车使用。

燃料电池类型 比功率(W/kg) 功率密度(W·h/L) 工作温度(℃) 预期寿命
(103h)
预计成本
(US$/kW)
碱性燃料电池(AFC) 30-105 0.2-0.3 60-100 10 200
质子交换膜燃料电池(PEMFC) 340-1500 0.35-0.6 50-100 40 200
直接甲醇燃料电池(DMPC) - 0.04-0.23 50-100 10 200

3.能量管理系统

能量管理系统由电压、电流和温度等传感器 以及控制单元及其输入/输出接口等组成 ,其功用 为:①检测 电动汽车电池组中各单体电池的端电压和温度以及各单体电池充、放电电流;②预报电池组剩余的电量和电动汽车还能续驶的里程;③电池需要充电时,及时报警,以防电池过放电而影响其使用寿命;④当电池组充电时,能量管理系统根据检测 到的各单体电池的相关数据,确定各单体电池的充电状态,并控制充电机的充电过程,保证各单体电池均衡充电,不使其过充电或欠充电;⑤合理分配电池能量,以达到节能目的,例如,当铅酸电池作为电动汽车的主电源时,在汽车起动和爬坡时,暂时关闭空调器等耗电大的电器,以使电池放电流不致过大。

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