电动汽车储能及充放电相关技术

随着我国社会和经济的发展,家用汽车将不断普及,汽车的能耗和排放将不断增加,因此研制和推广清洁高效的汽车动力同样势在必行。可以不依赖石油资源,能源效率是传统燃油汽车的1.5~2.0倍,与燃油汽车相比在全寿命周期可以减排20%的二氧化碳,因此被认为是目前最有发展潜力的交通工具。我国已经把发展列入“十二五”规划,准备在今后的几年内大规模发展。

　　1电动汽车种类

　　通常,电动汽车有纯电动汽车(PureElectricVehicle,PEV)、混合动力汽车(HybridElectricVehicle,HEV)、燃料电池电动汽车(FuelCellElectricVehicles,FCEV)三种类型,近几年混合动力汽车中的外接充电式(Plug-In)混合动力汽车(ParallelHybridElectricVehicle,PHEV)特别受到关注,国内外专家认为,PHEV有望在几年后得到广泛的推广使用。

　　1.1纯电动汽车

　　纯电动汽车是指完全由动力蓄电池提供电力驱动的电动汽车,见图1,目前主要采用铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池作为驱动力。

　　铅酸电池是非常成熟的蓄电池,价格比较便宜,虽然铅酸电池的制造和废弃存在着重金属污染的严重缺点,但是在近阶段还是电动汽车的重要驱动电力。

　　镍氢电池的比能量高、使用寿命长,但是镍氢电池需要采用高价的镍金属(占成本的60%),因此制造成本较高,大量推广遇到很大困难。

　　锂离子电池技术发展很快,近10年来比能量已经从100Wh/kg增加到了180Wh/kg,比功率可达2kW/kg,循环寿命达1000次以上,工作温度范围达-40~55℃。近年由于磷酸铁锂离子电池的研发有重大突破,又大大提高了电池的安全性,因此目前已有许多发达国家将锂离子电池作为电动汽车用动力电池的主攻方向。我国拥有锂资源优势,2004年锂电池产量已占全球市场的37.1%,预计到2015年以后,锂离子电池的性价比有望达到可以和铅酸电池竞争的水平,而成为未来电动汽车的主要动力电池。

　　根据能量转换效率,可以对纯电动汽车和燃油汽车的经济性进行粗略的比较。假设电池最高可充电荷电状态(StateOfCharge,SOC)为0.9,放电SOC为0.2,即实际可用的电池容量仅占总容量的70%;由电网供电价为0.5元/kWh,电池的平均效率为0.75。粗略计算,铅酸电池每提供1kWh电能,价格为3.05元左右(其中2.38元为电池折旧费,0.67元为电网供电费),镍氢电池每提供1kWh电能,费用为9.6元,锂离子电池为10.2元。

　　1.2混合动力电动汽车

　　混合动力电动汽车具备两个以上动力源,其中有一个可以释放电能,见图2。

　　混合动力汽车按混合方式不同,可分为串联式、并联式和混联式三种;按混合度(电机功率与内燃机功率之比)的不同,又可分为微混合、轻度混合和全混合三种。其中外挂式皮带驱动启动/发电(BSG)式是微混合动力汽车的典型结构,所用的电机功率一般仅2~3kW,具有发动机的停车断油功能,可节燃油5%~7%。轻度混合动力汽车的典型结构,在汽车发动机曲轴后端加装一个电动/发电型盘式电机(ISG)。全混合或混联式混合动力汽车采用纯电力驱动功能,丰田公司的Prius轿车即属于这类全混合汽车。目前我国研制的混合动力汽车,大多采用ISG轻度混合或BSG微混合方案,主要是考虑这两种方案的技术难度较小,生产成本也较低。但是根据研究表明,混合动力汽车的节油率几乎与汽车功率的混合度成正比,因此从长远来看和推广发展全混合电动汽车是一种必然趋势。日本丰田公司在1997年率先向市场推出先驱者(Prius)混合动力汽车,并在日本、美国和欧洲各国市场上均获得较大成功,累计产销量已超过60万辆。随后日本本田、美国福特、通用和欧洲一些大公司,也纷纷向市场推出各种类型的混合动力汽车。

　　外接充电式混合动力汽车(PHEV)作为最新一代的混合动力汽车类型,近年来受到各国政府、汽车企业和研究机构的普遍关注。PHEV在混合动力汽车中采用大容量的动力电池,电池容量一般为5~10kWh,约是纯电动汽车电池容量的30%~50%,是一般混合动力汽车电池容量的3~5倍,因此可以说是一种介于混合动力汽车与纯电动汽车之间的过渡性产品。与传统的内燃机汽车和一般混合动力汽车(HEV)相比,PHEV更多依赖动力电池驱动汽车,通常可以保证车辆采用纯电动驱动行驶50~90km,只有当汽车超过这一里程后才需要启动内燃机。因此它的燃油经济性进一步提高,二氧化碳和氮氧化物排放更少。

　　据统计:法国城镇居民的用车,80%的日均驾车里程少于50km;在美国,汽车驾驶者的用车也有60%以上日均行驶里程少于50km,80%以上日均行驶里程少于90km。因此PHEV有很好的适用性,特别适合于一周5天驾车上下班,行驶里程50~90km之间的工薪族使用。