电动汽车
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电动汽车——对电池的需求

自古以来,人类就一直在发明更新的机器,以提高生活舒适度并提高工厂的生产力。 电动汽车大约诞生于 19 世纪中叶,现代电动汽车/混合动力汽车发展于 20 世纪末。 与内燃机汽车相比,这些电动汽车被认为更舒适、更易于操作。 但现在后者造成了环境问题。 在今天寻求保护我们的环境并以更多方式使用可持续和可再生能源的过程中,汽车行业扮演着最重要的角色。

就其产品的尾气排放而言,该行业是污染最严重的行业。 电池行业也可以发挥重要作用。 越来越多的电池用于电动汽车(电动汽车)、太阳能和风能等可再生能源 (RES) 等应用。 通过电池进行电力推进有助于降低大气污染水平和运营成本。 此外,它还减少了对原油的依赖。 电动汽车是当今最热门的话题。

所有汽车制造商都有自己设计的电动汽车和电动汽车电池 (EVB)。 尽管铅酸电池直到最近还是使用最广泛的EVB,但现在锂离子电池已经占据主导地位。 但考虑到初始成本和安全方面,在锂离子电动汽车电池组的成本下降到可以承受的水平并且安全方面进一步提高之前,铅酸电池不能完全被淘汰。

所有汽车制造商都有自己设计的电动汽车和电动汽车电池 (EVB)。 尽管铅酸电池直到最近还是使用最广泛的EVB,但现在锂离子电池已经占据主导地位。 但考虑到初始成本和安全方面,在锂离子电动汽车电池组的成本下降到可以承受的水平并且安全方面进一步提高之前,铅酸电池不能完全被淘汰。
2010年前后,全球上路电动汽车的数量还远远不足2万辆。 但到了2019年,这一数字却增长了400多倍,接近700万。

近80%的空气质量问题与汽车尾气有关。 在西方和日本等工业化国家,已经确定三分之二的二氧化碳、三分之一的氮氧化物和近一半的碳氢化合物是由于上述排放造成的。 当工业化国家出现这种情况时,在没有严格执行环境控制的发展中国家也好不到哪儿去。

尽管交通密度低,但效率低下的 ICE 车辆对空气污染起了很大的作用。 除上述原因外,车辆排放会产生大量的“温室气体”(GHG),即二氧化碳。 平均而言,一辆汽车将产生近四倍于其重量的二氧化碳。 在英国、美国和澳大利亚,汽车排放分别占所有二氧化碳排放量的 20%、24% 和 26%。 所有这些原因以及 1960 年代和 1970 年代以及 1973 和 1979 年的石油危机是电动汽车和合适的电动汽车电池发展背后的真正原因。

电动汽车 - 零排放

电动汽车使用一个或多个单独由电池供电的电动机用于牵引目的(纯电动汽车),没有任何内燃机 (ICE)。 因此,它没有尾气排放,因此被称为零排放车辆 (ZEEV)。 混合动力电动汽车 (HEV) 有两种动力源,一种具有高能量含量(化石燃料),另一种是高放电率电池。
电动汽车及其变体的主题是一个庞大的主题,应单独详细讨论。 了解电动汽车和 HEV 的简要定义就足够了。

纯电动汽车零部件

一、电能储存(电池)
二、 电子控制模块 (ECM)
三、 电池管理系统(BMS)
四、 电力传动系统

每辆电动汽车都有里程指示器,里程显示在仪表板上的显眼位置。 在一些电动汽车中,当距离剩余约 25 公里时,灯开始闪烁。

传统混合动力电动汽车的组件

一、电能储存(电池)
二、 化学储能(油箱)
三、 电力传动系统
四、 燃烧传动系

电动汽车电池介绍

电动汽车电池所需的特性

电动汽车电池需要具备多种特性,但以下特性最为重要,可对电池可行性进行合理准确的评估。
一个。 电池组的初始购买成本(每千瓦时成本,包括所有用具)
湾 比能量,这是电池大小的一个指标(Wh/kg)
C。 比功率,这是加速和爬坡能力的指标(W/kg)
d. 运营成本(成本/公里/乘客)
e. 具有免维护特性的长循环寿命
F。 快速充电(10分钟80%)
G。 能够在再生制动期间吸收高电流。
H。 安全、可靠和易于回收。

电动汽车和混合动力汽车

在纯电动汽车中,电力由电池以连续模式提供。 电池的能量容量设计为可以为电动汽车的整个设计范围提供这种连续放电额定值。 通常,电动汽车电池不允许放电超过容量的 80%,因此其荷电状态 (SOC) 不会低于 20% 至 25%。

电动汽车电池范围

这是为了防止电池过度放电,并避免在电池过度放电时遇到困难。 此外,电池还应该能够接受来自再生制动系统的能量输入。 如果电池充满电,再生制动能量不能被电池接受。
上述连续放电率的当前趋势是容量额定值的一倍。 例如,如果额定容量为 300 Ah,则放电率为 300 安培。 电动汽车的电池总是一天一次完全放电。 当然,它会在应用时从再生制动接收返回能量。

再生能量的平均百分比约为 15%。 在某些情况下,这个数字可能会超过 40%。 再生功率不超过 40 kW。 它的最高值是在特定的减速度。

如今,电动汽车电池制造商声称的循环寿命约为 1000 至>10,000 次循环。

电动汽车电池标称需要 36 至 40 千瓦时(可用能量容量)的电池,往返里程为 300 至 320 公里。 但大多数 OEM 制造商指定的值高于此值,通常高出 40% 至 60%。 这将补偿由于循环导致的寿命降低,因此即使在保证电池寿命之后,电动汽车的正常运行仍有安全的容量余量。 电动汽车中的 96 千瓦时电池的可用容量为 86.5 千瓦时。

虽然今天的锂离子电池可以轻松提供 170 Wh/kg 的比能量,但电池组的比能量下降了 35%。 结果,总比能降低到 120 Wh/kg。 2019 年,非电池组件的封装百分比已从约 35% 降至约 28%。 但 Cell-to-Pack 技术(消除中间代理、模块)等技术创新可能会进一步提高未来电动汽车电池的比能量。 目前电动汽车电池的比功率特性非常令人满意,因此研发工程师和科学家正在瞄准更高的比能量。

电动汽车中的电力传动系统

牵引电机为全电动汽车提供动力。 但是有用于操纵电动机性能的控制器。 有两种类型的电动机,交流电动机和直流电动机。 后者更容易控制,成本也更低;缺点是重量较重,体积较大。 电力电子技术的快速发展增加了具有更宽操作范围的高效交流电机,但随之而来的是更高的成本。 在 EV 中,输入到电机的能量由称为电子控制模块 (ECM) 的高度复杂的电子电路控制。 EV 操作员通过加速踏板提供输入。

电动汽车中的电池管理系统 (BMS)

与上述电子控制模块类似,还有一个电池控制系统,称为电池管理系统(BMS),它控制电动汽车电池的性能。 BMS 还可以在电池或模块级别安装单独的电子设备,用于监控电池的温度和电压,通常称为电压温度监控 (VTM) 板。

除此之外,还有一个热管理系统,其范围可以从被动解决方案(例如使用外壳作为散热器)到主动管理的液体或空气冷却系统,强制冷却(或加热)空气或液体通过电池组。 用于打开和关闭电流的开关和接线也是系统的一部分。 所有这些不同的系统必须组合成一个单一的系统解决方案,以确保电池功能安全并满足其寿命和性能预期。

电力、电池和电动汽车的历史

电力和电池

为什么要讨论电动汽车和电动汽车的历史? 有句老话:“不记得过去的人注定要重蹈覆辙”。 因此,对技术如何发展有一个基本的了解是值得的。 这将在理解其未来道路以及使其真正成功的关键利益相关者方面发挥重要作用。 正如约翰·华纳 (John Warner) 在其关于锂离子电池的书中所述,“当时的世界博览会很好地体现了技术创新和世界总体变化的速度”[1。 John Warner,《锂离子电池组设计手册》,Elsevier,2015 年,第 14 页]。

人们可以理解,世界博览会提供了一幅关于不同技术状态的那些日子的图景。 电池技术的发展之所以成为可能,是因为当时电力和电力网络的可用性、扩展和增长。 在这里我们必须明白,只有因为电力“供应”,才产生了对电池(储能)的“需求”。 否则,储能可能根本就不会出现。

电动汽车电池的开发

读者通常认为电池是最近的发明之一;他们大多了解 Leclanché 电池和铅酸电池;然而,有证据表明电池在公元前 250 年左右就已投入使用。 1930 年代,一位德国考古学家在巴格达的一个建筑工地工作,发现了一些完全改写了电池历史的东西。他在挖掘过程中发现的东西看起来像是一个能够产生大约 1-2 V 电力的原电池。

直到 1700 年代中期,电池开发才取得进展。 1745 年至 1746 年,两位发明家在平行但不同的轨道上发现了后来被称为“莱顿”罐的东西来储存电力。 然后像 Benjamin Franklin、Galvani、Volta、Ampere、Faraday、Daniel 和 Gaston Planté 等电化学家,以及一些发明家,出现在电力和电化学的视野中。 下表按时间顺序说明了电池的发展情况。

引人入胜的电池发展史

表格1 –

大约公元前 250 年 巴格达或帕提亚电池(巴格达) 埃及人可能使用电池在高级珠宝上电镀银
长间隙 进展不大
1600 吉尔伯特(英格兰) 电化学研究的建立
1745 年 10 月 Kliest,德国物理学家 莱顿罐
1745-1746 荷兰莱顿大学的科学家 Pieter van Musschenbroek, 莱顿罐
1700 年代中期 本杰明·富兰克林 “电池”一词的诞生
1786 路易吉·伽伐尼 (1737-1798) 为发现原电池奠定了基础(“动物电”)
1796 亚历山德拉·沃尔特 (1745-1827) 发现不同的金属圆盘(“Volta 堆”)以交替方式堆叠时,湿糊板隔板(用盐水饱和)插入它们之间,可以连续提供大量电流
1802 克鲁克香克 (1792 - 1878) 将铜片与同等大小的 Zn 片放在密封盒中。 盐水是电解质。
1820 是 安培 (1755 - 1836) 电磁学
1832 年和 1833 年 迈克尔·法拉第 法拉第定律
1836 JF丹尼尔 CuSO4 中的 Cu 和 ZnSO4 中的 Zn
1859 Raymond Gaston Plantae (1834-1889)(法国) 铅-二氧化铅电池的发明
1860 Raymond Gaston Plantae (1834-1889)(法国) 向巴黎法国学院发表演讲
1866【5】 德国电气工程师维尔纳·冯·西门子 机电发电机的发展
1873 Zenobe Gramme,比利时科学家 发明磁电机和第一台直流电机
1866 年 Geroge-Lionel Leclanche 格罗格-莱昂内尔·勒克朗什(法国)(1839 - 1882) 勒克朗什电池的发明
1881 Camille A Faure (法国) 1840 - 1898) 引线网格的粘贴
1881 塞隆 Sellon 铅锑合金
1880年代- -- 在法国、英国、美国和苏联等几个国家开始商业制作
1881 - 1882 格莱斯顿和部落 铅酸电池反应的双硫酸盐理论
1888 加斯纳(美国) 完成干电池
1890年代- -- 电动道路车辆
1899 容纳(瑞典)(1869-1924) 镍镉电池的发明
1900 在美国和法国 1900 房屋、工厂和照明 火车。
1900 a.Phillipart 带有单独的戒指 管状铅酸电池板
1900 b.伍德沃德 管状铅酸电池板 带管状袋
1901 TA 爱迪生(美国)(1847-1931) 镍铁电偶的发明
1902 韦德,伦敦 预订“二次电池”
1910 史密斯 开槽橡胶管(Exide Ironclad
1912 100 EV 在美国 制造商制造了 6000 辆电动乘用车和 4000 辆商用车
1919 G. Shimadzu(日本) 氧化铅生产用球磨机
1920 -- 木质素在铅酸电池负极板中的应用。
1920 年以后 世界各地的 较新的应用,如应急电源、轨道车空调以及船舶、飞机、公共汽车和卡车上的许多其他服务
1938 AE朗格 氧循环原理
1943- 1952 莱文和汤普森;让宁、诺依曼和戈特斯曼;局技术 Gautrat 密封镍镉的构造
1950 峡谷木酒窖 原电池书籍
1955 峡谷木酒窖 存储电池书籍(第 4 版)
1965 盖茨公司的约翰·德维特 密封铅酸项目建议书 电池
1967 1967 年该技术发明后,在 Batelle-Geneva 研究中心开始研究镍氢电池
1969 鲁奇和奥克曼 密封铅酸电池中的复合过程
1970 年中 - VR实验室的发展
1971 盖茨能源产品 D-cell,由 Gate Energy Products(美国科罗拉多州丹佛市)推出
1973 亚当·海勒 提出锂亚硫酰氯原电池
1975 唐纳德·麦克莱兰 和约翰·德维特 基于氧循环原理的商用密封铅酸蓄电池
1979 - 1980 JB Goodenough 和同事 正极材料在高于约 3V 的电势下与锂反应,如果它们已经含有锂,并且这种锂可以被电化学提取。
1980年代- -- 1980年代发现的新型氢化物合金
1986 斯坦福·奥夫申斯基 镍氢电池由 Ovonics 申请专利。
1989 - 1990 -- 镍金属的商业化 氢化物电池
1991 西吉雄 锂离子电池
1992 Yoshio Nishi(索尼公司) 1995年在第30届东京车展上展出了搭载锂离子电池的EV。
1996 Goodenough、Akshaya Padhi 和同事 提议的磷酸铁锂正极材料
1992 KV Kordesch(加拿大) 商业化可充电碱性二氧化锰电池 (RAM)
1993 -- OBC 进行了世界上首次使用镍金属的电动汽车演示 1993年的氢化物电池。
1997 M. Shiomi 和同事们, 日本仓储 日本电池株式会社 在负 HEV 或光伏发电系统应用中添加更多的碳。
1999* -- 锂离子的商业化 聚合物电池
2002 - 2003 D. Stone, E. MJ Kellaway、P. Jennings、Crowe、A. Cooper 多标签 VRLAB
2002 Y.绪方 添加 Ba 的新型正极板栅铅合金 Pb-Ca-Sn 与 Ba
2004 -2006 林和同事们, CSIRO能源技术, 澳大利亚 HEV用超级电池
2006 SM Tabaatabaai & 同事 由有机泡沫化合物制成的三维网状板形成的网格材料。 通过使用镀铜赋予泡沫网格导电性
2006 戴长松 & 同事 镀铅泡沫铜网格用于 负极板
2008 EALABC、日本古河电池有限公司、澳大利亚 CSIRO Energy Technology 和英国 Provector Ltd. 用于经过 100,000 英里道路测试的 HEV 的超级电池(144V,6.7Ah)。 性能超越镍氢电池
2011 阿贡国家实验室 镍锰钴正极材料(NMC)
2013 N. Takami 等人。 锂钛氧化物阳极
2018 N. Takami 等 TiNb2O7 阳极
2020 彭博新能源财经 LIB 电池组成本降至 176 美元/kWh = 127 电池成本 + 49 电池组成本)

电动汽车的惊人历史!!

电动汽车的历史从 19 世纪开始就流传了很长一段时间。
下表提供了导致当今电动汽车的事件的详细信息

表 2

发明者 国家 时期 细节
1 Anyos Istvan Jedlik 匈牙利物理学家 1828 第一辆电动模型车
2 托马斯·达文波特 美国发明家 1834 第一台商业成功的电动机
3 西布兰杜斯·斯特拉廷和克里斯托弗·贝克尔 荷兰教授 1834-1835 1835年,1834年蒸汽三轮车 1835 一辆配备第一批电池的全电动三轮车
4 罗伯特·戴维森 苏格兰发明家 1837-1840 1837 年制造了他自己的电池,并制造了他的第一台中等大小的电动机。
5 古斯塔夫·特鲁韦 1881 改进了西门子开发的带有 Starley 蓄电池的小型电动机。 他将这种发动机安装在一辆英国三轮车上,因此他刚刚发明了历史上第一辆电动汽车。
6 威廉莫里森 美国 1892 开发了他的六人四马力马车,最高时速可达 14 英里/小时
7 亨利·福特 底特律 1893 1893年,成功测试汽油机 [https://www .history.com/topics/inventions/model-t].
8 亨利 G 莫里斯和佩德罗 G 萨洛姆 费城 1894 与马驾驶的出租车相比,Electrobat 提供了一项利润丰厚的业务,因为它的停机时间更短,行程更多
9 贝尔实验室, 美国 1945 发明了快速取代真空管的晶闸管
10 威廉·肖克利 贝尔实验室, 1950 可控硅(SCR)或晶闸管
11 摩尔和其他电力工程师 通用电气 1956 威廉·肖克利的 SCR
12 通用汽车 (GM) 通用汽车 (GM) 1966 电动车

关于电动汽车的有趣事实!!

编号 细节
1 1897 年在美国的电动汽车比赛中吸引了众多爱好者。 那一年,Pope Manufacturing Company 制造了大约 500 辆电动汽车。
2 20 世纪的前三个十年(1910-1930)是电动汽车的最佳时期。 在此期间,电动车与汽油车竞争,当时美国城市的道路都是未铺砌的,行驶里程小根本不是问题。 但是,在欧洲,由于铺砌的道路改善了长途旅行,公众想要长途汽车,而 ICE 汽车已准备好提供。
3 美国的大城市在 1910 年代开始享受电力带来的好处。 在那个时候,小行驶距离有利于电动汽车。 电动汽车很容易为出租车和送货车的车队所有者所接受。
4 内燃机汽车历史上的三个重要事件推动了它们的快速发展,同时也为电动汽车的棺材钉上了最后一颗钉子。 一个。 亨利福特在 1908 年推出了“低成本、大批量”的 T 型车。 [https://en .wikipedia.org/wiki/Ford_Model_T] 湾 查尔斯·凯特林 (Charles Kettering) 于 1912 年发明了电动汽车启动器。 C。 美国高速公路系统开始连接美国城市
5 1960 年代和 1970 年代的环境问题极大地推动了 EVB 的研发工作。 航程和性能仍然是需要克服的障碍
6 1973 年和 1979 年的石油危机再次为 EVB 的发展提供了更多的鼓励。
7 大量的 ICE 车辆因违反空气质量标准而造成空气质量问题。 在世界先进城市尤其如此。 这促使美国加利福尼亚州于 1990 年初通过了清洁空气法案来推广电动汽车。
8 清洁空气法案最初规定,到 1998 年,该州销售的所有新轻型汽车中的 2%(30,000 辆 EV)应为 ZEV,2001 年的 5%(75,000 辆)上升到 2003 年的 10%(1,50,000 辆)。 除此之外,在没有遵循加州计划的州,汽车制造商必须在 1994 年和 1996 年之间将轻型汽车的尾气氮氧化物和总碳氢化合物排放量分别减少 60% 和 39%。 环境保护署 (EPA) 于 2003 年要求进一步减少 50% 的排放量。
9 1996 年 3 月 29 日,由于受到不利影响的汽车制造商和石油供应商的强大压力,加州空气资源委员会 (CARB) 1998 年的 ZEV 授权被软化,独立小组评估称,高级电池要到今年才能上市2001 年也是另一个原因。 与上述小组的评估一致,这种改进的电池仅在最近 2018 年才以可承受的成本提供(电池组成本 176 美元/千瓦时 = 127 电池成本 + 49 电池组成本)。 电池专业人士预测,到 2025 年,EVB 成本将降至 < 100 美元/kWh,到 2030 年降至 62 美元/kWh(外推法)
10 美国先进电池联盟(USABC): 美国联邦政府和美国三大汽车制造商(克莱斯勒、福特和通用汽车)决定在 3 年内集中资源(约 2.62 亿美元)进行电池研究。 这些制造商与电力研究所 (EPRI) 等其他组织于 1991 年成立了美国先进电池联盟 (USABC),美国政府在该联盟中提供同等资助。
11 USABC 为 EV 电池制定了两套目标(表 3),旨在为第一阶段(1994-95 年)开发一个临时电池组和一个长期目标,以便 EV 性能将与 IC 发动机车辆竞争。
12 先进铅酸电池联盟(ALABC): 阿拉巴马 [5. RF Nelson, The Battery Man, May 1993, pp. 46-53] 成立于 1992 年 3 月,旨在管理一项为期 4 年的研究计划,该计划的资金为 1,930 万美元(约合 4.8 亿卢比),用于开发高-高性能电动汽车铅酸电池,将在中短期内占据相当大的电动汽车市场份额。 ALABC 由国际铅锌研究组织 (ILZRO) 管理,是十四家最大的铅生产商、十二家电池制造商、电力公司、电机制造商、充电器和联轴器制造商、动力总成供应商、控制器/电子制造商、和电动汽车贸易组织。
13 从 1991 年开始,能源部 (DOE) 的车辆技术办公室 (VTO) 与美国先进电池联盟 (USABC) 签订了合作研发协议。
14 每年锂离子电池市场规模可能会从 250 亿美元(2019 年)上升到 1160 亿美元(2030 年)。
15 2019 年电池组的成本从 1100 美元/千瓦时降至 156 美元,预计到 2030 年将降至 62 美元/千瓦时。 (彭博新能源财经)

电动汽车用镍氢电池技术

Ni-MH电池系统的发明是Ni-Cd和Ni-H2电池的衍生。 Ni-Cd 系统中的 Cd 被认为是一种有害物质。 新系统的相关优势是更高的比能量、更低的压力以及镍氢电池的成本。 这项工作得到了两家德国汽车制造商在 20 年的时间里的支持

产生能量的电化学反应:
除了负极之外,Ni-Cd 和 Ni-MH 电池之间有很多相似之处。 与镍镉电池的情况一样,在放电过程中,正极活性物质 (PAM) 羟基氧化镍被还原为氢氧化镍。 (因此,正极表现为阴极):

NiOOH + H 2 O +e 放电↔电荷 Ni(OH) 2 + OH E° = 0.52 伏特

负极活性材料 (NAM) 的反应如下:(因此负极表现为阳极):

MH + OH 放电↔电荷 M + H 2 O + e E° = -0.83 伏特

即,在放电期间发生氢的解吸。

放电过程中的总反应为

NiOOH + H 2 O + e 放电↔电荷 Ni(OH) 2 + OH

MH + OH 放电↔电荷 M + H 2 O + e

NiOOH + MH 放电↔充电 Ni(OH) 2 + M E° = 1.35 伏特

请记住

电池电压 = V正极– V负极

因此 0.52 – (-0.83) = 1.35 V

这里要注意的是,半电池反应中显示的水分子不会出现在整个或总电池反应中。 这是因为电解质(氢氧化钾水溶液)不参与产生能量的反应,它仅用于导电目的。 另请注意,在铅酸电池中用作电解质的硫酸水溶液实际上参与了如下所示的反应:

PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4放电↔电荷 2PbSO 4 + 2H 2 O

这是铅酸电池和碱性电池之间的重要区别。 在充电反应期间发生相反的过程。

密封的镍金属氢化物电池使用类似于阀控式铅酸 (VRLA) 电池中发生的氧复合反应,从而防止由于气体在接近结束时产生而导致的内部压力不必要的增加。充电,尤其是在过充电期间。

在充电过程中,PAM 在 NAM 之前达到完全充电,因此正极开始放出氧气。

4OH → 2H 2 O + O 2 + 4e

在缺乏电解质结构和采用合适的隔膜的帮助下,上述反应产生的气体穿过隔膜的多孔基质到达 NAM。

由于 O 2与 MH 电极结合在负极上生成水,因此防止了电池内部的压力积聚。 即便如此,在长时间过度充电或充电器出现故障的情况下,仍有一个安全阀。

4MH + O 2 → 4M + 2H 2 O

此外,根据设计,NAM 永远不会充满电,从而防止产生氢气的可能性。 此外,遵循智能充电算法以限制超出电池复合效率能力的 O2 生成非常重要。 这也是通过仔细控制两种活性材料的比例来实现的。

读者可以参考以下关于镍氢电池的详细说明
一个。 Michael Fetcenko 和 John Koch 在手册中关于 Ni-MH 电池的章节
湾 Kaoru Nakajima 和 Yoshio Nishi 第 5 章:电子储能系统。

电动汽车中的铅酸电池技术

先进铅酸电池联盟 (ALABC) [7. JF Cole, J. Power Sources, 40, (1992) 1-15] 成立于 1992 年 3 月,旨在管理一项为期 4 年的研究计划,其资金为 1,930 万美元(约合 4.8 亿卢比),用于开发高性能电动汽车铅酸电池将在中短期内占据相当大的电动汽车市场份额。

ILZRO 管理着这个财团,是十四家最大的铅生产商、十二家电池制造商、电力公司、电机制造商、充电器和耦合器制造商、动力系统供应商、控制器/电子产品制造商和电动汽车贸易组织之间的合作组织。 目前会员人数为 48 人,来自 13 个国家。 ALABC(现为 CBI)有五个关键的研发目标,已包含在表 3 中。 先进的铅酸电池能够为电动汽车提供 90 英里或更长的日常通勤距离、几分钟的充电时间和大约 3 年的使用寿命。

ALABC 1998年的技术状况表明,随着目前在研项目中,阀控铅酸蓄电池的性能特性为48 Wh/kg、150W/kg,10分钟快速充电80%, 1998年底前按计划开发800个循环寿命。 这种性能的实现将代表铅酸电池社区在 1990 年代期间取得的巨大进步,并为电动汽车提供了前景,每次充电可行驶超过 100 英里,可在一天内重复多次甚至更长时间500 次在电池组的使用寿命内 [https://batteryuniversity .com/learn/article/battery_developments]

电动汽车中的锂离子电池

锂离子电池发展史

表3:

研究工作 发明人/作者 隶属关系 评论
发现固相 NaAl11O17 的高离子电导率,称为钠 β-氧化铝,导致 Na-S 电池系统 库默和同事 1967 福特汽车公司实验室 锂离子电池的历史开始
钠硫电池系统 N. Weber 和 JT Kummer 1967 福特汽车公司实验室 高温系统
研究 FeS 或 FeS2 作为正极材料与锂金属 DR Vissers 等。 1974 安利 与锂反应后,这些材料发生重构反应,初始相消失并形成新相
锂金属阳极和硫化钛 (TiS2) 阴极 惠廷汉教授 1976 宾厄姆顿大学,宾厄姆顿,纽约 13902,美国 Li在循环过程中在金属表面形成枝晶,导致短路。
1980 年对 Li1−xCoO2 的研究最初包含锂,并从其中电化学去除锂。 古迪纳夫教授和同事 1980 英国牛津大学 Li插层化合物
基于焦炭的特殊负极材料 吉野明 1985 新型负极材料
上述负极材料与 LixCoO2 结合 吉野明 1986 旭化成株式会社 锂离子电池
锂离子电池的安全性得到证明 吉野明 1986 旭化成株式会社 锂离子与锂金属负极安全性得到证明
1991 年的商用锂离子电池。 1991 索尼公司
随着进一步的发展,锂离子电池商业化。 1992 旭化成和东芝的合资企业。
新型正极材料锰酸锂和磷酸铁锂 古迪纳夫小组 1997 古迪纳夫小组
石墨阳极 1990

锂离子钴酸锂 (LCO) 电池化学

总反应为

C 6 + LiCoO 2 ⇄ Li x C 6 + Li 1-x CoO 2

E电池= 3.8 – (0.1) = 3.7 V。

LiFePO 4化学锂离子电池

总反应 LiFePO 4 + 6C → LiC 6 + FePO 4

E电池= 3.3 – (0.1) = 3.2 V

现代电动汽车时代

直到 1990 年代,主要汽车制造商在混合动力和电动汽车解决方案上的努力才开始产生成果。 在取得这些进步的同时,第一批商用锂离子电池于 1991 年推向市场并迅速被采用。 随着个人电子产品的迅速普及,这些高能量密度电池成为从便携式电子产品到混合动力汽车和电动汽车等许多不同应用的首选储能解决方案。

1970 年代的石油短缺催生了电动汽车的现代时代。

现代 HEV/电动汽车的发展

表4

电动汽车/混合动力汽车 大约 年 评论
通用汽车 (GM) EV1。 1996-1999 电动车 1
平行混合动力卡车”(PHT), 1999
2-模式混合系统 2008
“皮带-交流发电机-启动器”(BAS)型轻度混合动力系统 2011 1. 通用汽车的第一个 BAS 是一个 36-V 系统,带有由 Cobasys 开发的镍氢电池。 2、第二代(e-Assist)将系统电压提升至115V,改用日立汽车能源设计的0.5kWh锂离子风冷电池
通用汽车的 Voltec 技术 2010 Volt 是一种“串联混合动力车”,将小型 ICE 和 355V 锂离子电池与 LG Chem 的电池和通用汽车设计的电池组以及两个电动机结合在一起。
丰田混合动力系统 (THS) 1997 风冷 288-V 镍氢电池,能量约 1.7 kWh
全电动 RAV4 SUV 2006 基于 Tesla Model-S 电池组的第二代 RAV4 EV 电池配备 386-V 锂离子电池,功率约为 52 kWh。
本田洞察 1999-2006 “双人座,最高燃油经济性的汽油燃料混合动力汽车
三菱 2009 我-米耶夫
马自达 2000-2011 Tribute、Mazda3 和 Mazda6 的混合动力选项
现代 2012 混合奏鸣曲、Tuscon 和 Elantra
起亚 2000 混合 Optima
斯巴鲁 2007 XV Crosstrek 和 Stella 插电式混合动力。
日产 2010 叶子
福特 2011 1. Focus EV 使用 23 kWh 锂离子电池(LG Chem); 2. C-Max (2012)
宝马 2013 e-Tron、i-8 和 Active Hybrid
中国比亚迪、北京汽车工业集团公司(BAIC)、吉利、上海汽车工业集团公司(SAIC)长安、奇瑞、东风、一汽(FAW)、华晨汽车、 福田、长城、力帆等 2000年代后期 .

今天,电动汽车和混合动力汽车显然会继续存在。 到 2030 年代初,随着技术的不断改进和电池的成本变得容易负担,零排放电动汽车 (ZEV) 的选择将超过车主的所有其他选择。

电动汽车电池价格在 2010 年高于每千瓦时 1,100 美元,但在 2019 年下降了 87% 至 156 美元/千瓦时。 到 2023 年,平均价格可能会接近 100 美元/千瓦时。

表 5

[2. 2020 年全球电动汽车展望(IEA) 第 155 页,https://webstore.iea.org/download/direct/3007]

电动汽车库存、销量、市场份额、电池尺寸、续航里程等。

2010 2017 2018 2019 2025 2030 评论
销售额(百万) 0.017 0.45 2.1
销售额(百万) 7.2 2019 年中国 47%
库存扩张 60% 2014-19 年期间年均增长 60%
中国的份额 47%
全球汽车销量 2.6%
环球股票 1%
增加百分比 40% 增加的两个原因:电动汽车型号具有更高的千瓦时电池,因此目前提供和预期的续航里程更高 BEV 相对于 PHEV 的市场份额正在增加。
平均电池组尺寸 (kWh) 37 44 20-30千瓦时(kWh)2012年
电池组尺寸(千瓦时) 50 至 70 48 至 57 70 到 80 对于 PHEV 大约 2018 年为 10-13 千瓦时(全电动续航里程为 50-65 公里),2030 年为 10-20 千瓦时。 2019 年 -14 % 比 2018 年增长
平均航程(公里) 350 到 400
全球预测 2019 年,全球预测 = 3 % 的市场份额
增加或减少 (%)
增长百分比 2016 年至 2019 年 增加 6%
增长百分比 2016 年至 2019 年 减少 30%

根据国际能源署的说法,既定政策情景 ( SPC )是一种包含现有政府政策的情况;可持续发展情景 ( SDC )完全符合巴黎气候协议的目标。 后者包括 EV30@30 运动的目标(到 2030 年所有模式的电动汽车的市场份额为 30%,两轮车除外)。

在 SPC 中,世界电动汽车库存(除两轮和三轮车之外的所有模式)从约 800 万辆(2019 年)增加到 5000 万辆(2025 年),并非常接近 1.4 亿辆(2030 年,约 7%)。 对应于非常接近 30% 的年平均增长率

电动汽车销量接近 1400 万辆(2025 年,相当于所有道路车辆销量的 10%)和 2500 万辆(2030 年,相当于所有道路车辆销量的 16%)。

在 SDC,全球电动汽车库存在 2025 年将达到近 8000 万辆,到 2030 年将达到 2.45 亿辆(不包括两轮/三轮车)。

EV30@30 运动于 2017 年在第八届清洁能源部长级会议上启动。 参与国包括加拿大、中国、芬兰、法国、印度、日本、墨西哥、荷兰、挪威、瑞典和英国。

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2025 2030
年度锂离子电池市场规模(十亿美元) -- -- -- -- -- -- -- -- 25 60 116
电池组成本($/kWh) 1100 -- -- 650 577 373 288 214 176 156 100 62

图1。

全球年度锂离子电池市场规模

https://www.greencarcongress.com/2019/12/20191204-bnef.html

到2030年,电动汽车LIB的销售市场规模可能达到1200亿美元左右。

电动汽车

电池价格高于 2010 年的 1,100 美元/千瓦时和 2016 年的 288 美元/千瓦时,去年(2019 年)降至 156 美元/千瓦时,大约四年后,平均成本可能非常接近 100 美元/千瓦时kWh,根据一家市场研究公司的报告。 领先的电动汽车制造商之一使用最容易获得的 18659 电池将成本降低到 250 美元/千瓦时。
ANL 制定了一个计算模型 (BatPac),用于评估电动汽车锂离子电池的性能和生产成本。 使用特定类型的 80 kWh 电池和确定的年生产能力的电池化学,平均电池价格估计在 105 至 150 美元/kWh 的范围内。

部分 EV 电池组示例

电动汽车消费者希望电池有 8 年的保修期或特定的公里数限制。 一家领先的电动汽车制造商提供 8 年保修和无限里程。
东芝声称其电池即使在 5000 次循环后仍能保持 90% 千瓦时,相当于每天一次循环充电循环 14 年。 尽管东芝在谈论在 2021 年出售电池,但它并没有声称成本。

特斯拉电池报告(http://doc.xueqiu.com/1493d8803372d3fd67cb5c51.pdf)(版权所有:2014 Total Battery Consulting, Inc.)

EV 电池组(版权所有:2014 Total Battery Consulting, Inc.)(http://doc.xueqiu.com/1493d8803372d3fd67cb5c51.pdf)

Electric vehicle battery 1
Electric vehicle battery copy 1
Electric vehicle battery copy 3

全球电动汽车充电基础设施

轻型电动汽车充电器的主要部分归消费者所有。 中国拥有约 80% 的公共充电器,而全球轻型电动汽车的存量则为 47%。 仅去年(2019 年),中国公共充电器的增长就占全球公共充电器的 60%,而中国拥有全球 80% 的公共充电器和 50% 的公共慢速充电器。

表 7

全球电动汽车充电基础设施

[ 2020 年全球电动汽车展望(IEA) https://webstore.iea.org/download/direct/3007 ]。

绝大多数电动轻型汽车充电器都是私人充电器。

可用充电器(百万) 7.3
私人的 上市 快速充电器 慢速充电器
650万~80% 87.6 万 12% (862 000) 4% 263 000 8% 598 000

与 2018 年相比增长 60%

巴士 2019

可用充电器 – 184000 台(与 2018 年(157 000)相比,2019 年增加了 17%

全球电动卡车充电基础设施。

卡车类型 中型货运卡车(3.5 至 15 吨 GVW) 重型货运卡车(>15 吨 GVW)
电池组能量大小 70 - 30 万瓦时 200 - 1000 千瓦时

印度情景:电动汽车和电动汽车充电基础设施

印度电动汽车库存

在新政策情景中,到 2030 年,印度所有模式的电动汽车销量份额将达到近 30%,几乎符合其目标(印度政府,2018 年)。 汽车电气化主要在两轮车领域,到 2030 年,纯电动汽车将占十分之四的新单位。 电动汽车也渗透到轻型车和城市客车市场,占所有乘用车和轻型商用车的 14%,占所有客车销量的 11%。

2017 年,印度制定了到 2030 年全面过渡到电动汽车的目标,推动了电动汽车在印度的部署。 2018 年,制定了 30% 的目标,并得到标准化、公共车队采购和有针对性的经济激励措施等多项政策措施的支持,用于车辆使用和充电基础设施部署。

在 EV30@30 情景中,作为向电动汽车过渡的全球领跑者,印度在 2030 年所有模式(两轮/三轮车除外)的电动汽车销量份额将达到 29%(包括两轮/三轮车为 54%)。 到 2030 年,印度 72% 的两轮车、31% 的汽车和 24% 的公共汽车是电动的。 [ 8. 2020 年全球电动汽车展望 (IEA) 第 139 页,https://webstore.iea.org/download/direct/3007]。

在印度,西孟加拉邦运输公司 (WBTC) 通过政府鼓励使用电动汽车的第一阶段政策,即所谓的混合动力和电动汽车的更快采用和制造 (FAME I),增加了 80 辆电动公交车和充电器。 部分 9 米巴士配备 125 kWh 电池组,而一些较长(12 米)巴士配备 188 kWh 电池组。

图 3。

2030 年印度的电动汽车销量 [ 2020 年全球电动汽车展望(IEA) 第 159 页,https://网上商店。 iea.org/download/direct/3007]

印度的电动汽车销量
EV sales in India 2030

去年(2019年),印度电动汽车销量为75.0万辆,总库存达到约759万辆。 去年,两轮车比 2018 年增长了 130%。

https://www.autocarindia.com/car-news/ev-sales-in-india-cross-75-lakh-mark-infy2019-412542 于 2020 年 8 月 6 日访问)。
在当时的情况下,2-W 制造商学会了在没有政府补贴的情况下自给自足。 去年(2019年)4月销量下滑是由于(FAME II)二期的严格规定。 没有电动汽车可以满足新标准。 此外,耗时约 45 天的重新认证过程延迟了销售。

印度的电动汽车充电基础设施

充足的电动汽车充电基础设施 (EVCI) 一直是电动汽车普及的关键。

事实证明,从公共和家庭充电基础设施的角度来看,一个国家拥有强大的电动汽车供应设备 (EVSE) 网络的效率是购买电动汽车提供回扣和补贴的三倍。对推广电动汽车至关重要。 在全球范围内,公共充电基础设施在过去十年中以惊人的 84% 的复合年增长率增长,2009-2012 年和 2013-2014 年的同比增长率超过 100%,2010-2018 年的平均同比增长率约为 180%。

印度电动汽车充电基础设施的增长趋势

印度是一个新兴的电动汽车市场,作为世界第四大汽车市场,我们正逐渐成为电动汽车的重点区域。
印度 EVCI 增长的未来主要是积极的,并实现全球 EVCI 渗透率增长率。
Gensol Mobility 拥有并经营市内电动出租车车队 BluSmart,增加了其在首都地区的业务。

电动汽车充电基础设施

图5

印度公共电动汽车充电基础设施增长趋势

印度公共电动汽车供应设备 ( EVSE ) 缓慢而快速

后锂离子或超锂离子

为了使续航里程增加一倍,电动汽车制造商正在寻找更新类型的电池。 正在调查以下系统:
一个。 锂固态电池(http://www.usaspeaks.com/news/toyota-unveils-solid-state-battery-design-for-evs/)
湾 锂空气(氧气)电池 [ 11. David L. Chandler |麻省理工学院新闻办公室]
C。 钠离子电池
d. 锌空气电池 [12. Jonathan Goldstein、Ian Brown 和 Binyamin Koretz JPower Sources,80 (1999) 171-179]。
e. 锂电池

电动汽车电池组设计

电池组中的电池数量将取决于锂离子电池的化学性质,而后者又取决于所使用的阴极材料。
以一个由镍钴铝 (NCA) 阴极型电池制成的 85 千瓦时电池为例,每个电池的容量为 3.25 Ah:
假设:
电池组电压 = 350 V
标称电池电压 = 3.6 V
额定能量容量 = 85 kWh
实际能源容量 = 80 kWh(~ 95 % 额定容量)
额定容量 = 3.25 Ah
实际容量 = 3.1 Ah(~额定容量的 95%)
对于 350 V 电池组并使用上述电池,它需要 350 V/3.6 V = 97.2 个电池,为简单起见,将其四舍五入为 96 或 98 个电池。

但是 96 个串联的单体电池的能量容量将为 96* 3.6 V*3.25 Ah = 1123 Wh。 所以,这个特殊的模块设计将是 1123 Wh。
因此,并联的电池数量 = 85000Wh/1123 Wh = 75.7 @ 76。
我们可以在一个模块中并联 76 个电池,其容量为 76*3.25 Ah = 247 Ah。

我们可以方便地将96块电池分成16块每块6块(或每块8块12块),全部串联。
因此,总电压为 16*6 =96 *3.6 V =345.6 V @ 350 V。

或者
总电压为 12*8 =96 *3.6 V =345.6 V @ 350 V
因此,一个模块的总额定 Wh 将为 247 Ah*6*3.6 V = 5335 Wh。

因此,电池组的总额定 Wh 将为 247 Ah*6*3.6 V*16 = 85363 Wh @ 85 kWh
因此,电池组的实际总瓦时将为 76*3.1 Ah = 236 Ah*350 V = 82600 Wh @ 82 kWh
现在的能量容量是 85 kWh。 所以,一个包中的细胞总数将是
85000 Wh/3.6 V*3.25 Ah= 7265 节电池(额定)
85000 Wh/3.6 V*3.1 Ah= 7616 节电池(实际)

以类似的方式,要使用 3.25 V 磷酸铁锂 (LFP) 电池实现 350 V 电池组,我们需要 (350 V/3.25 V) 107.7 电池。 同样,为简单起见,我们可以决定使用 108 或 110 个单元格。 这里我们可以为110节电池设计11个10节电池的模块,或者为108节电池设计18节6节电池的模块。
或者使用 2.3 V LTO(钛酸锂)电池,我们需要 (350 V/2.3 V) 152 节或四舍五入为 160 节以达到所需电压。
70 kWh 和 90 kWh,18650 个 3.4 Ah 的 NCA 电池;液冷。
90 kWh 电池组有 7,616 个电池;电池重 540 千克(1,200 磅 = 540 千克);

并联配置的故障概率较低,因此单节电池故障不会影响整个电池。

电池电量和容量计算

以前面的示例为例,电池组容量为 85 kWh,电压为 350 V。对于 EV,通常会考虑 1C 倍率放电。 因此,电流将为 85000 Wh / 350 V = 243 Ah。 因此电流将为 240 A。功率 = V * A = 350*240 = 84000 W = 84 kW 最大值。 但是 BMS 仅允许该功率的 80% 作为最大值。
因此实际使用的功率为 84*0.8= 67.2 kW。 如前所述,再生能量的平均百分比约为 15%。 在某些情况下,这个数字可能会超过 40%。 再生功率不超过 40 kW。

竞争锂电池的电压

表 8

性能参数 NCA 国家管理委员会 改性活生物体 LFP 中转 LCO
电池标称电压 (V) 3.6 3.6 3.8 3.2 2.2 3.6

比能量和能源效率

假设 25% 的效率,化石燃料可以提供 12000*0.25 = 3000 Wh/kg 可用能量。 在电池的情况下,效率更高,因此可以从电池中获得 150*0.9 = 135 Wh/kg 的可用能量。
可用比率 = 3000/135 = 22.22 倍
正比 = 12000/150 = 80 倍

锂离子电池回收

[ 14. Bin Huang Zhefei Panxiangyu Su Liang An, J Power Sources, Volume 399, 30 September 2018, Pages 274-286]
随着对 LIB 的需求不断增长,尤其是电动汽车领域, 大量锂离子电池将返回回收或再利用。 废旧锂离子电池得不到妥善处理,可能会导致环境污染和资源浪费等严重后果。 要解决这个问题,既需要技术创新,也需要政府的参与。
对更多细节感兴趣的读者可以参考有关该主题的出版物。

二次使用电池(EV 报废后重新使用 EV 电池

在回收领域,有考虑在电动汽车电池被丢弃后重新使用电动汽车电池或回收该电池的材料。

电动汽车将于 2020 年进入印度

2020 年不仅制造商将专注于符合 BSVI 标准的汽车和摩托车,而且一些制造商将采取额外措施来完全消除碳排放并涉足电动汽车平台。 以下是今年已确认的一些电动汽车,预计今年将很快推出一些电动汽车。 他们是:
塔塔 Nexon EV
G Motor India ZS EV
奥迪e-Tron
福特-马恒达 Aspire EV
大众 ID 3
捷豹 I-Pace
保时捷泰康 4S
可用的详细信息如下表所示:

表 9
电动汽车将于 2020 年进入印度
(http://overdrive.in/news-cars-auto/cars-coming-to-india-in-2020-electric-vehicles/)

EV(消耗的瓦时/公里) 价钱 电池类型 千瓦时容量 可用容量 马达 扭矩 加速 最高速度 射程公里 评论
塔塔 Nexon EV (100 瓦时/公里) 卢比15 至 17 升 锂离子 30.2 永磁交流电机 129PS 和 245 Nm 前轮 0 到 100 公里/小时 9.9 秒 不适用 > 300 公里充满电
通用ZS EV (129 瓦时/公里) 锂离子 44.5 液冷电池组 143PS/350Nm电机驱动前轮 345 车载充电器。 6至8小时充满电;还要设置 50 kW 充电器
奥迪e-tron (220 瓦时/公里) 锂离子 96 86.5 前后电机 436
福特-马恒达 Aspire EV 6 至 7 升卢比 锂离子 后桥电机 300+
大众 ID 3 (136 瓦时/公里) (138 瓦时/公里) (140 瓦时/公里) < 30000 欧元 锂离子 45(基础版) 330 (WLTP) 充电 30 分钟可行驶 290 公里(100 千瓦直流电)
卢比 ~ 23.85 L 税前和关税 锂离子 58(中规格) 205PS 和 310Nm 160 420
锂离子 77(最高规格) 550
捷豹 I-Pace (180 瓦时/公里) 锂离子 90 2个马达 400PS 和 696Nm 的扭矩 0-100 公里/小时 4.8 秒 320 >500 80% 通道 90 分钟
保时捷泰康 4S (195 瓦时/公里) 锂离子 79.4 双电机 800 V 435PS、530PS 超增压和 640 Nm。 在 4 秒内从 0 到 100 公里/小时。 250 407
锂离子 93.4 463

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