電動汽車
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電動汽車-對電池的需求

自古以來,人類一直在發明更新的機器,以提高他的生活舒適度,並提高工廠的生產力。 電動汽車誕生於19世紀中葉左右,現代電動汽車/混合動力電動汽車在20世紀末發展起來。 與ICE發動機車輛相比,這些電動汽車被認為更舒適,更易於操作。 但現在後者造成了一個環境問題。 在當今保護環境和擁有更多使用可持續和可再生能源的方法的過程中,汽車行業扮演著最重要的角色。

就其產品的尾氣排放而言,該行業是污染最嚴重的行業。 電池行業也扮演著重要的角色。 越來越多的電池用於電動汽車(電動汽車),太陽能和風能等可再生能源(RES)等應用。 通過電池的電力推進有助於降低大氣中的污染水準以及運營成本。 此外,它還減少了對原油的依賴。 車輛的電力推進是當今最受關注的話題。

所有汽車製造商都有自己的電動汽車和電動汽車電池(EVB)的設計。 雖然鉛酸電池直到近代才成為使用最廣泛的EVB,但鋰離子電池現在已經佔據了主導地位。 但考慮到初始成本和安全方面,鉛酸電池不能完全廢黜,直到鋰離子電動汽車電池組的成本下降到一個負擔得起的水準,並且安全方面得到進一步改善。

所有汽車製造商都有自己的電動汽車和電動汽車電池(EVB)的設計。 雖然鉛酸電池直到近代才成為使用最廣泛的EVB,但鋰離子電池現在已經佔據了主導地位。 但考慮到初始成本和安全方面,鉛酸電池不能完全廢黜,直到鋰離子電動汽車電池組的成本下降到一個負擔得起的水準,並且安全方面得到進一步改善。
大約在2010年,全球道路上的電動汽車數量遠低於20,000輛。 然而,在2019年,這個數位增加了400多倍,接近700萬。

近80%的空氣品質問題與汽車排放有關。 在西方和日本的工業化國家,已經確定三分之二的CO,三分之一的氮氧化物和近一半的碳氫化合物是由於上述排放造成的。 工業化國家的情況就是這樣,但在沒有嚴格執行環境管制的發展中國家,情況也好不到哪裡去。

效率低下的ICE車輛對空氣污染做出了重大貢獻,儘管交通密度很低。 除上述原因外,車輛排放還會產生大量的「溫室氣體」(GHG),即CO2。 平均而言,一輛汽車將產生近四倍於其重量的二氧化碳。 在英國、美國和澳大利亞,車輛排放分別佔二氧化碳總排放量的20%、24%和26%。 所有這些原因以及1960年代和1970年代以及1973年和1979年的石油危機是電動汽車和合適的電動汽車電池發展背後的真正原因。

電動汽車 - 零排放

電動汽車使用一個或多個僅由電池供電的電動機用於牽引目的(純電動汽車),沒有任何內燃機(ICE)。 因此,它沒有尾管排放和所謂的或零排放車輛(ZEEV)。 混合動力汽車(HEV)有兩種電源,一種具有高能量含量(化石燃料),另一種是高放電率電池。
電動汽車及其變體的主題是一個龐大的主題,應單獨詳細討論。 在這裡,瞭解電動汽車和HEV的簡要定義就足夠了。

純電動汽車零部件

一、電能儲存(電池)
第二。 電子控制模組
第三。 電池管理系統
四。 電氣傳動系

每輛電動汽車都有一個里程指示器,並且範圍顯示在儀錶板上。 在一些電動汽車中,當距離還剩下大約25公里時,燈開始閃爍。

傳統混合動力汽車的元件

一、電能儲存(電池)
第二。 化學儲能(燃油箱)
第三。 電氣傳動系
四。 燃燒傳動系

電動汽車電池介紹

電動汽車電池所需的特性

電動汽車電池需要幾個特性,但以下特性至關重要,並提供對電池可行性的合理準確的評估。
一個。 電池組的初始購買成本(每千瓦時成本,包括所有用具)
b. 比能量,這是電池尺寸的指示器(Wh/kg)
c. 比功率,這是加速和爬坡能力的指標(W / kg)
d. 運營成本(成本/公里/乘客)
e. 迴圈壽命長,具有免維護特性
f. 快速充電(10分鐘內充電80%)
g. 能夠在再生制動期間吸收高電流。
h. 安全性、可靠性和易回收性。

電動汽車和混合動力電動汽車

在純電動汽車中,動力由電池在連續模式下提供。 電池的能量容量經過精心設計,可以為電動汽車的總設計範圍提供這種連續放電額定值。 通常,電動汽車電池不允許放電超過容量的80%,因此其充電狀態(SOC)不會降至20%至25%以下。

電動汽車電池續航里程

這是為了保護電池免受過放電,並避免在電池過度放電時遇到困難。 此外,電池還應該能夠接受來自再生制動系統的能量輸入。 如果電池充滿電,電池無法接受再生制動能量。
目前上述連續放電率的趨勢是容量額定值的一次。 例如,如果容量額定值為 300 Ah,則放電率為 300 安培。 電動汽車電池總是每天會經歷一次完全放電。 當然,它將在應用時從再生制動中獲得返回能量。

再生能量的平均百分比約為15%。 在某些情況下,這個數位可能會上升到40%以上。 再生功率不超過40千瓦。 其最高值是在特定的減速時。

如今,電動汽車電池製造商聲稱迴圈壽命約為1000至 > 10,000次迴圈。

電動汽車電池名義上需要36至40 kWh(可用能量容量)電池,往返續航里程為300至320公里。 但大多數OEM製造商指定的值超過此值,通常為40%至60%。 這將補償由於迴圈而導致的壽命降低,因此即使在保證的電池壽命之後,電動汽車的正常運行也有一個安全的容量裕量。 電動汽車中的96千瓦時電池的可用容量為86.5千瓦時。

雖然今天的鋰離子電池可以輕鬆提供170 Wh / kg的比能量,但該電池組的比能量下降了35%。 結果,總比能量降低到120 Wh / kg。 2019年,非電池組分的包裝百分比已從約35%降至約28%。 但技術創新,如電池到電池技術(消除中間代理,模組)可能會進一步提高未來電動汽車電池的比能量。 目前電動汽車電池的特定功率特性非常令人滿意,因此研發工程師和科學家的目標是更高的比能量。

電動汽車中的電動傳動系統

牽引電機為全電動汽車提供動力。 但是有控制器用於操縱電動機的性能。 有兩種類型的電動機,交流和直流電動機。 後者更容易控制,成本也更低;缺點是它們的重量更重,體積更大。 電力電子學的快速發展增加了具有更寬工作範圍的高效交流電機,但隨之而來的是更高的成本。 在EV中,電機的能量輸入由稱為電子控制模組(ECM)的高度複雜的電子電路控制。 EV操作員通過油門踏板提供輸入。

電動汽車中的電池管理系統(BMS)

與上述電控模組類似,還有一種用於電池的控制系統,稱為電池管理系統(BMS),它控制EV電池的性能。 BMS還可以在電池或模組級別安裝單獨的電子設備,以監控電池的溫度和電壓,通常稱為電壓溫度監控器(VTM)板。

除此之外,還有一個熱管理系統,其範圍可以從被動解決方案(例如將外殼用作熱散熱器)到主動管理的液體或空氣冷卻系統,該系統強制冷卻(或加熱)空氣或液體通過電池組。 用於打開和關閉電流的開關以及接線也是系統的一部分。 所有這些不同的系統必須組合成一個系統解決方案,以便電池安全運行,並滿足其壽命和性能預期。

電力,電池和電動汽車的歷史

電力和電池

我們為什麼要討論電池和電動汽車的歷史? 有一句老話說:”那些不記得過去的人註定要重蹈覆轍”。 因此,對技術如何發展有一個基本的瞭解是值得的。 這將在瞭解其未來道路以及使其真正成功的關鍵利益相關者方面發揮重要作用。 正如約翰·華納(John Warner)在他關於鋰離子電池的書中所說,”當時的世界博覽會很好地代表了整個世界技術創新和變革的速度”[1.John Warner, The Handbook of Lithium-Ion Battery Pack Design, Elsevier, 2015, page 14].

人們可以理解,世界博覽會提供了關於不同技術現狀的那些日子的畫面。 電池技術的發展之所以成為可能,僅僅是因為當時電力的可用性,擴展和增長以及電力網路。 在這裡,我們必須明白,僅僅因為電力的”供應”,電池(儲能)的”需求”才被創造出來。 否則,儲能可能根本不會出現。

電動汽車用電池的開發

讀者通常認為電池是最近的發明之一。他們大多知道Leclanché細胞和鉛酸細胞;然而,有證據表明電池在西元前250年左右被使用。 在20世紀30年代,一位德國考古學家在巴格達的一個建築工地上工作,發現了一些東西,這些東西完全改寫了電池的歷史,他在挖掘過程中發現的東西看起來像一個能夠產生大約1-2伏電力的電偶。

直到1700年代中期,電池開發幾乎沒有取得什麼進展。 在1745年至1746年,兩位發明家在平行但不同的軌道上發現了後來被稱為「萊頓」罐子來儲存電力的東西。 然後,像本傑明·佛蘭克林,伽伐尼,沃爾特,安培,法拉第,丹尼爾和加斯頓·普蘭特這樣的電化學家,僅舉幾例發明家,出現在電化學和電化學的視野中。 下表按時間順序說明了電池的發展。

電池發展的迷人歷史

表 1 –

約250B.C。 巴格達或帕提亞炮台(巴格達) 埃及人可能用電池在高級珠寶上電鍍銀
長間隙 而且進展甚微
1600 吉伯特(英格蘭) 電化學研究的建立
1745年10月 克利斯特,德國物理學家 萊頓瓶
1745-1746 萊頓大學的荷蘭科學家Pieter van Musschenbroek, 萊頓瓶
1700年代中期 本傑明·佛蘭克林 "電池"一詞
1786 路易吉·伽伐尼(1737-1798) 為發現一次電池奠定了基礎(「動物電」)
1796 亞歷山德拉·沃爾塔(1745-1827) 發現不同的金屬盤("Volta樁")以交替的方式堆疊,中間夾有潮濕的糊狀板分離器(用鹽水飽和),可以連續提供顯著的電流
1802 克魯克香克 (1792 - 1878) 將具有相同尺寸的Zn片大小的Cu片排列在密封的盒子中。 鹽水是電解質。
1820 答.M。 安培 (1755 - 1836) 電磁
1832 & 1833 邁克爾·法拉第 法拉第定律
1836 丹尼爾 CuSO4 中的 Cu 和 ZnSO4 中的 Zn
1859 雷蒙德·加斯頓·普蘭塔(1834-1889)(法國) 鉛-二氧化鉛電池的發明
1860 雷蒙德·加斯頓·普蘭塔(1834-1889)(法國) 向巴黎法蘭西學院介紹
1866 [5] 德國電氣工程師Werner von Siemens 機電發電機的開發
1873 Zenobe Gramme,比利時科學家 發明磁電機發電機及首台直流電機
1866 傑羅格-萊昂內爾·萊克蘭切 傑羅格-萊昂內爾·萊克蘭切 (法國) (1839年 - 1882年) 萊克蘭奇細胞的發明
1881 卡米爾·阿·福爾 (法國) 1840 - 1898) 粘貼潛在客戶網格
1881 塞隆 鉛與銻的塞隆合金化
19 世紀 80 年代- -- 在法國,英國,美國和蘇聯等幾個國家開始商業生產
1881 - 1882 格萊斯頓和部落 鉛酸電池反應的雙硫酸鹽理論
1888 加斯納(美國) 乾電池的完成
19 世紀 90 年代- -- 電動道路車輛
1899 榮格納 (瑞典) (1869-1924) 鎳鎘電池的發明
1900 在美國和法國 1900 房屋,工廠和 火車。
1900 a.帶單獨戒指的菲立派特 管狀鉛酸細胞板
1900 b.伍德沃德 管狀鉛酸細胞板 帶管狀袋
1901 愛迪生 (美國) (1847-1931) 鎳鐵夫婦的發明
1902 韋德, 倫敦 書籍"二次電池"
1910 史密斯 開槽橡膠管(Exide Ironclad
1912 100 EV 在美國 製造商生產6000輛電動乘用車和4000輛商用車
1919 G. 島津(日本) 用於氧化鉛製造的球磨機
1920 -- 在鉛酸細胞的負極板中使用木質素。
1920年以後 遍佈全球 較新的應用,如應急電源、軌道車空調以及船舶、飛機、公共汽車和卡車上的許多其他服務
1938 A.E. 朗格 氧氣迴圈原理
1943- 1952 Levin & Thompson;Jeannin, Neumann & Gottesmann;局技術高特拉特 密封鎳鎘的構造
1950 峽谷木維納爾 關於原電池的書
1955 峽谷木維納爾 蓄電池書(第4版)
1965 蓋茨公司的約翰·德維特 密封鉛酸專案提案 電池
1967 鎳氫電池的研究始於1967年該技術發明后,Batelle-Geneva研究中心
1969 魯茨基和奧克曼 密封鉛酸電池中的重組過程
1970年中 - VR LAB的開發
1971 蓋茨能源產品 D-cell,由Gate Energy Products(美國科羅拉多州丹佛市)推出
1973 亞當·海勒 提出鋰亞硫醯氯原電池
1975 唐納德·麥克萊蘭 和約翰·德維特 基於氧迴圈原理的商用密封鉛酸蓄電池
1979 - 1980 J.B. 古迪納夫和同事們 在電位高於約3V時與鋰反應的正極材料,如果它們已經含有鋰,並且這種鋰可以通過電化學提取。
20 世紀 80 年代- -- 20 世紀 80 年代發現的新型氫化物合金
1986 斯坦福·奧夫辛斯基 鎳氫電池由Ovonics獲得專利。
1989 - 1990 -- 鎳金屬的商品化 氫化物電池
1991 西義雄 鋰離子電池
1992 西義雄(索尼公司) 1995年,搭載鋰離子電池的EV在第30屆東京車展上展出。
1996 古迪納夫、阿克沙亞·帕迪和同事 提出磷酸鐵鋰正極材料
1992 K.V. 科爾德施(加拿大) 可充電鹼性二氧化錳電池(RAM)的商業化
1993 -- OBC進行了世界上第一次鎳合金EV演示 1993年的氫化物電池。
1997 M. 鹽見和同事們, 日本存儲 株式會社,日本 在負HEV或光伏發電系統應用上增加碳量。
1999* -- 鋰離子的商業化 聚合物電池
2002 - 2003 D. 斯通 M.J.凱拉韋,P.詹寧斯,克勞,A.庫珀 多選項卡 VRLAB
2002 緒方Y. 含Ba的新型正柵鉛合金,添加鉛-Ca-Sn,含Ba
2004 -2006 Lam和同事, 中證能源技術, 澳大利亞 用於混合動力汽車的超級電池
2006 S.M. Tabaatabaai & Co-workers 由有機泡沫化合物製成的三維網狀板材形成的網格材料。 通過使用鍍銅賦予泡沫網格導電性
2006 戴昌松和同事 鉛鍍銅泡沫網格 負極板
2008 EALABC,古河電池株式會社,日本,CSIRO能源技術,澳大利亞和Provector有限公司,英國 超級電池(144V,6.7Ah),用於HEV,經過100,000英里的路面測試。 性能超過鎳氫電池
2011 阿貢國家實驗室 鎳錳鈷正極材料(NMC)
2013 N. Takami et al. 鋰鈦氧化物陽極
2018 N. Takami et al TiNb2O7 陽極
2020 彭博社 鋰電池組成本降至176美元/千瓦時=127個電池組成本+49個電池組成本)

電動汽車的驚人歷史!

電動汽車的歷史從19世紀開始就跨越了很長一段時間。
下表提供了導致當今電動汽車的事件的詳細資訊

表 2

發明家 國家 時期
1 Anyos Istvan Jedlik 匈牙利物理學家 1828 第一輛電動模型車
2 湯瑪斯·達文波特 美國發明家 1834 第一台商業上成功的電動機
3 西布蘭杜斯·斯特拉廷和克裡斯托弗·貝克爾 荷蘭教授 1834-1835 1835年,1834年的蒸汽三輪車 1835年,全電動三輪車配備了首批電池之一
4 羅伯特·大衛森 蘇格蘭發明家 1837-1840 1837年建造了自己的電池,並製造了他的第一台大小適中的電動機。
5 古斯塔夫·特魯維 1881 改進了西門子開發的小型電動機,帶有Starley蓄能器。 他將這種發動機安裝在一輛英國三輪車上,因此他剛剛發明瞭歷史上第一輛電動汽車。
6 威廉·莫裡森 美國 1892 開發了他的六人四馬力的馬車,最高時速可達約14英里/小時
7 亨利·福特 底特律 1893 1893年,成功測試了汽油發動機 [https://www .history.com/topics/inventions/model-t].
8 亨利·莫裡斯和佩德羅·薩洛姆 費城 1894 與馬駕駛計程車相比,Electrobat提供了一項利潤豐厚的業務,因為它的停機時間更短,行程更多
9 貝爾實驗室, 美國 1945 發明瞭晶閘管,迅速取代了真空管
10 威廉·肖克利 貝爾實驗室, 1950 可控矽整流器 (SCR) 或晶閘管
11 莫爾和其他電力工程師 通用電氣 1956 SCR by William Shockley
12 通用汽車(通用) 通用汽車(通用) 1966 電動貨車

關於電動汽車的有趣事實!!

Srl No
1 在美國,電動汽車比賽吸引了許多來自1897年的愛好者。 那一年,教皇製造公司生產了大約500輛電動汽車。
2 20世紀的前三十年(1910-1930)是電動汽車的最佳時期。 在此期間,電動汽車與汽油車競爭 由於當時美國城市的未鋪砌道路,其小行駛里程根本不是問題。 但是,在歐洲,由於鋪設的道路改善了長途旅行,公眾想要遠端汽車,而ICE車輛已經準備好提供。
3 美國大城市在1910年代開始享受電力的好處。 在那些日子里,小型行駛里程對電動汽車有利。 電動汽車很容易被車隊擁有者接受計程車和送貨車。
4 ICE車輛歷史上的三件大事推動了它們的快速發展,同時,在EV的棺材裡釘上了最後一顆釘子。 一個。 1908年推出亨利·福特的"低成本,大批量"T型車。 [https://en .wikipedia.org/wiki/Ford_Model_T] b. 查理斯·凱特林於1912年發明瞭電動汽車起動器。 c. 美國高速公路系統開始連接美國城市
5 20 世紀 60 年代和 70 年代的環境問題極大地推動了 EVB 的研發工作。 範圍和性能仍然是需要克服的障礙
6 1973年和1979年的石油危機再次為EVB的發展提供了更多的鼓勵。
7 ICE車輛的大量人口通過違反空氣品質標準造成了空氣質量問題。 在世界上的先進城市尤其如此。 這促使美國加利福尼亞州在1990年初通過了《清潔空氣法案》來推廣電動汽車。
8 "清潔空氣法"最初規定,到1998年,該州銷售的所有新輕型車輛中有2%將是ZEV(30,000輛電動汽車),2001年為5%(75,000輛),2003年將上升到10%(1,50,000輛)。 除此之外,在不遵循加利福尼亞州計劃的州,汽車製造商必須在1994年至1996年期間將輕型車輛的NOx和總碳氫化合物排放量分別減少60%和39%。 2003年,環境保護署(EPA)要求將排放量再減少50%。
9 1996年3月29日,由於受到不利影響的汽車製造商和石油供應商的強烈壓力,加州空氣資源委員會(CARB)1998年的ZEV授權被軟化,一個獨立小組的評估是,先進電池要到2001年才能提供也是另一個原因。 正如上述小組的評估一樣,這種改進的電池直到2018年才以一些負擔得起的成本提供(包裝成本176美元/千瓦時=127電池成本+ 49電池成本)。 電池專業人士預測,到2025年,EVB成本將降至<100美元/千瓦時,到2030年將降至62美元/千瓦時(通過推斷)
10 美國先進電池聯盟 (USABC): 美國聯邦政府和美國三大汽車製造商(克萊斯勒、福特和通用汽車)決定在3年內將其資源(約2.62億美元)集中用於電池研究。 這些製造商與電力研究所(EPRI)等其他組織一起,於1991年建立了美國先進電池聯盟(USABC),美國政府在其中獲得了平等的資金。
11 USABC為EV電池制定了兩套目標(表3),旨在為第一階段(1994-95)開發臨時電池組和長期目標,以使EV性能與IC發動機車輛競爭。
12 先進鉛酸電池聯盟(ALABC): 阿拉巴克 [5.R.F. Nelson,The Battery Man,1993年5月,第46-53頁]成立於1992年3月,旨在管理一項為期4年的研究計劃,資金為1930萬美元(約合48億盧比),用於開發高性能電動汽車鉛酸電池,該電池將在中短期內佔據電動汽車市場的重要份額。 ALABC由國際鉛鋅研究組織(ILZRO)管理,是十四家最大的鉛生產商,十二家電池製造商,電力公司,電機製造商,充電器和耦合器製造商,動力總成供應商,控制器/電子製造商和電動汽車貿易組織之間的合作夥伴組織。
13 從1991年開始,能源部(DOE)的美國先進電池聯盟(USABC)的車輛技術辦公室(VTO)之間最終確定了合作研發協定。
14 年度鋰離子電池市場規模可能從250億美元(2019年)上升到1160億美元(2030年)。
15 電池組的成本從1100美元/千瓦時降至2019年的156美元,預計到2030年將降至62美元/千瓦時。 (彭博社)

電動汽車鎳氫電池技術

鎳氫電池系統的發明是鎳鎘和鎳氫電池的衍生物。 鎳鎘系統中的鎘被認為是一種有害物質。 新系統的相關優點是更高的比能量,更低的壓力和鎳氫電池的成本。 這項工作得到了兩家德國汽車製造商在20年的時間里的支援。

產生能量的電化學反應:
Ni-Cd和Ni-MH電池之間有很多相似之處,除了負極。 與Ni-Cd電池的情況一樣,在放電過程中,正活性物質(PAM)氫氧化鎳被還原為氫氧化鎳。 (因此,正極表現為陰極):

NiOOH + H2O +e 放電↔充電 Ni(OH)2 + OH E° = 0.52 V

負極活性物質(NAM)發生反應如下:(因此負極表現為陽極):

MH + OH 放電↔充電 M + H2O + e E° = -0.83 伏

也就是說,氫氣的解吸發生在放電過程中。

放電過程中的總反應為

NiOOH + H2O + e

放電↔充電 Ni(OH)2 + OH

MH + OH 放電↔充電 M + H2O + e

鎳氫 + MH 放電↔充電 鎳(OH)2 + M E° = 1.35 伏

請記住

電池電壓 = V正 – V

因此 0.52 – (-0.83) = 1.35 V

這裡需要注意的是,在半細胞反應中顯示的水分子並不出現在整體或總細胞反應中。 這是由於電解質(氫氧化鉀水溶液)不參與產生能量的反應,並且僅用於電導率目的。 另外,請注意,鉛酸電池中用作電解質的硫酸水溶液實際上參與反應,如下所示:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 放電↔充電 2PbSO4 + 2H2O

這是鉛酸電池和鹼性電池之間的重要區別。 相反的過程發生在電荷反應過程中。

密封的鎳氫電池使用類似於閥控鉛酸(VRLA)電池中發生的氧複合反應,從而防止由於在充電結束時產生氣體而導致的內部壓力的意外增加,特別是在過度充電期間。

在充電過程中,PAM在NAM之前達到完全充電,因此正極開始析出氧氣。

4OH → 2H2O + O2 + 4e

因此,從上述反應中逸出的氣體通過分離器的多孔基質傳播到NAM,這得益於電解質結構的匱乏和採用合適的分離器。

由於O2 與MH電極結合在負極上產生水,因此可以防止電池內部的壓力積聚。 即便如此,在長時間過充電或充電器故障的情況下,仍有安全閥。

4MH + O2 → 4M + 2H2O

此外,根據設計,NAM永遠不會被允許充滿電,從而阻止了氫氣生產的可能性。 此外,遵循智慧電荷演算法以限制O2的產生超出電池複合效率的能力非常重要。 這也是通過仔細控制兩種活性材料的比例來實現的。

讀者可以參考以下內容,詳細瞭解鎳氫電池
一個。 關於鎳氫電池的章節,作者:Michael Fetcenko和John Koch在手冊中
b. Kaoru Nakajima和Yoshio Nishi在:電子儲能系統中第5章。

電動汽車中的鉛酸電池技術

先進鉛酸蓄電池聯盟 (阿拉巴克)[7. J.F. Cole, J. Power Sources, 40, (1992) 1-15] 成立於 1992 年 3 月,旨在管理一項為期 4 年的研究計劃,其資金為 1930 萬美元(約合 48 億盧比),用於開發高性能電動汽車鉛酸電池,該計劃將在中短期內佔據電動汽車市場的重要份額。

ILZRO管理著該聯盟,是十四家最大的領先生產商,十二家電池製造商,電力公司,電機製造商,充電器和耦合器製造商,動力傳動系供應商,控制器/電子製造商和電動汽車貿易組織之間的合作夥伴組織。 成員目前為48個,來自13個國家。 ALABC(現為CBI)有五個關鍵的研發目標,已包含在表3中。 先進的鉛酸電池能夠為電動汽車提供每天90英里或更長時間的通勤里程,幾分鐘的充電時間,以及大約3年的使用壽命。

ALABC在1998年的技術狀況表明,隨著目前專案的進展,性能特點為48 Wh/kg、150W/kg、10分鐘內快速充電80%、迴圈壽命為800的氣門調節鉛酸電池在1998年底前按計劃開發。 這種性能的實現將代表鉛酸電池界在20世紀90年代的驚人進步,並提供電動汽車的前景,每次充電範圍超過100英里,可在一天內重複幾次,在電池組的使用壽命期間可重複500多次。 [https://batteryuniversity .com/learn/article/battery_developments]

電動汽車中的鋰離子電池

鋰離子電池的發展歷史

表 3:

研究工作 發明人/作者 隸屬關係 言論
發現固相NaAl11O17的高離子電導率,稱為鈉β-氧化鋁,導致Na-S電池系統 庫默爾和同事 1967 福特汽車公司實驗室 鋰離子電池的歷史開始了
鈉-S電池系統 N. Weber 和 J.T. Kummer 1967 福特汽車公司實驗室 高溫系統
FeS或FeS2作為正極材料與Li金屬的研究 D.R.維瑟斯 et.al。 1974 斷續器 在與Li反應時,這些材料發生重構反應,初始相消失並形成新的相
鋰金屬陽極和硫化鈦(TiS2)陰極 惠廷厄姆教授 1976 賓厄姆頓大學, 賓厄姆頓, 紐約 13902, 美國 鋰在迴圈時在金屬表面形成枝晶,導致短路。
最初含有鋰的材料,以及從中電化學去除鋰的材料,是1980年Li1−xCoO2的工作。 古迪納夫教授和同事們 1980 英國牛津大學 鋰插層化合物
基於焦炭的特殊負極材料 吉野彰 1985 新型負極材料
將上述負極材料與LixCoO2結合 吉野彰 1986 旭化成株式會社 鋰離子電池
鋰離子電池的安全性得到驗證 吉野彰 1986 旭化成株式會社 鋰離子與鋰金屬陽極安全性得到驗證
1991年的商用鋰離子電池。 1991 索尼公司
隨著進一步發展,鋰離子電池被商業化。 1992 旭化成和東芝的合資企業。
較新的正極材料鋰錳酸酯和磷酸鐵 古迪納夫的團隊 1997 古迪納夫的團隊
石墨陽極 1990

鋰離子鈷酸鋰 (LCO) 電池化學

總的反應是

C6 + 鋰鈷2 ⇄ 鋰xC6 + 鋰1-x氧化鈷2

E電池 = 3.8 – (0.1) = 3.7 V。

磷酸鐵鋰4 化學的鋰離子電池

總反應LiFePO 4+6C→LiC6+FePO 4

E電池 = 3.3 – (0.1) = 3.2 V

現代電動汽車時代

直到20世紀90年代,主要汽車製造商在混合動力和電動汽車解決方案方面的工作才開始產生結果。 隨著這些進步,第一批商用鋰離子電池於1991年推向市場,並迅速被採用。 隨著個人電子產品的快速普及,這些高能量密度電池成為從攜帶型電子產品到混合動力和電動汽車等許多不同應用的首選儲能解決方案。

現代電動汽車時代是由1970年代的石油短缺引發的。

現代混合動力汽車/電動車的發展

表-4

電動汽車/混合動力汽車 約。 年 言論
通用汽車(GM)EV1。 1996-1999 電動汽車1
並聯混合動力卡車「(PHT), 1999
雙模混合動力系統 2008
"皮帶-交流發電機-起動器"(BAS)型輕度混合動力系統 2011 1. 通用汽車的第一款BAS是一款採用柯巴斯開發的鎳氫電池的36V系統。 2. 第2代(e-Assist)將系統電壓提高至115 V,改用日立汽車能源株式會社設計的0.5kWh鋰離子風冷電池
通用汽車的Voltec技術 2010 Volt是一款「串聯混合動力車」,將小型ICE與355V鋰離子電池與LG Chem的電池和通用汽車設計的電池組以及兩個電動機相結合。
豐田混合動力系統 (THS) 1997 風冷 288V 鎳氫電池,能量約為 1.7 kWh
全電動RAV4 SUV 2006 基於特斯拉Model-S電池組的第二代RAV4 EV電池具有約52 kWh的386 V鋰離子電池。
本田洞察 1999-2006 "雙座,最高燃油經濟性的汽油 - 燃料混合動力汽車
三菱 2009 i-Miev
馬自達 2000-2011 他們的Tribute,Mazda3和Mazda6上的混合動力選項
現代 2012 混合奏鳴曲,圖斯康和伊蘭特
起亞 2000 混合型 Optima
斯巴魯 2007 XV Crosstrek和Stella 插電式混合動力。
日產 2010
福特 2011 1. 福克斯電動車採用23千瓦時鋰離子電池(LG化學); 最大 2.C (2012)
寶馬 2013 e-Tron、i-8 和 Active Hybrid
中國比亞迪、北京汽車工業集團公司、吉利、上海汽車工業公司、長安、奇瑞、東風、第一汽車廠、華晨汽車、 福田、長城、力帆等 2000年代後期 .

今天,電動汽車和HEV顯然將繼續存在。 到2030年代初,隨著技術的不斷改進和電池成本變得容易負擔得起,零排放電動汽車(ZEV)的選擇將超過車主的所有其他選擇。

電動汽車電池價格在2010年高於每千瓦時1,100美元,但在2019年下降了87%至156美元/千瓦時。 到2023年,平均價格可能達到接近100美元/千瓦時。

表 5

[2. 2020年全球電動汽車展望(IEA)第155頁,https://webstore.iea.org/download/direct/3007]

電動汽車庫存,銷售額,市場份額,電池尺寸,範圍等

2010 2017 2018 2019 2025 2030 言論
銷售額(百萬) 0.017 0.45 2.1
銷售額(百萬) 7.2 2019年中國佔47%
庫存擴張 60% 2014-19年期間年均增長60%
中國的份額 47%
全球汽車銷量 2.6%
全球庫存 1%
增加 % 40% 增加的兩個原因:具有更高kWh電池的EV車型,因此目前提供和預期的更高範圍 BEV相對於PHEV的市場份額正在增加。
平均電池組尺寸(千瓦時) 37 44 20-30千瓦時(千瓦時) 2012年
電池組尺寸(千瓦時) 50 至 70 48 到 57 70 到 80 對於近似的PHEV 2018年為10-13千瓦時(所有電動行駛里程為50-65公里),2030年為10-20千瓦時。 2019年 -14 % 2018年增長
平均射程(公里) 350 到 400
全球預測 2019年,全球預測=3%的市場份額
增加或減少 (%)
增長百分比 2016年至2019年 6% 增加
增長百分比 2016年至2019年 減少 30%

根據國際能源署的說法,所述政策情景(SPC)是一種納入現有政府政策的情況;可持續發展情景(SDC)與巴黎氣候協定的目標完全一致。 後者包括EV30@30運動的目標(到2030年,除兩輪車外,所有車型的電動汽車市場份額均達到30%)。

在SPC中,全球電動汽車庫存(所有模式,兩輪和三輪車除外)從約800萬輛(2019年)增加到5000萬輛(2025年),非常接近1.4億輛(2030年,約7%)。 對應於年平均增長率非常接近30%

電動汽車銷量達到近1400萬輛(2025年,相當於所有道路車輛銷量的10%)和2500萬輛(2030年,相當於所有道路車輛銷量的16%)。

在SDC中,世界電動汽車庫存在2025年達到近8000萬輛,到2030年達到2.45億輛(不包括兩輪/三輪車)。

EV30@30運動於2017年在第八屆清潔能源部長級會議上啟動。 參賽國家是加拿大、中國、芬蘭、法國、印度、日本、墨西哥、荷蘭、挪威、瑞典和英國。

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2025 2030
年度鋰離子電池市場規模(十億美元) -- -- -- -- -- -- -- -- 25 60 116
電池組成本(美元/千瓦時) 1100 -- -- 650 577 373 288 214 176 156 100 62

圖 1.

全球年度 鋰離子電池 市場規模

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

到2030年,電動汽車LIB的銷售市場規模可能達到約1200億美元。

電動汽車

電池價格高於2010年的1,100美元/千瓦時和2016年的288美元/千瓦時,去年(2019年)降至156美元/千瓦時,大約四年後,平均成本可能非常接近100美元/千瓦時,據一家市場研究公司報告。 一家領先的電動汽車製造商使用最容易獲得的18659電池將成本降低到250美元/千瓦時。
ANL制定了一個計算模型(BatPac),用於評估電動汽車鋰離子電池的性能和生產成本。 使用80千瓦時電池的特定類型的電池化學和確定的年生產能力,平均電池價格估計在105至150美元/千瓦時的範圍內。

部分EV電池組示例

電動汽車消費者期望電池獲得8年保修或特定的公里限制。 一家領先的電動汽車製造商提供8年保修以及無限里程。
東芝聲稱,即使在5000次迴圈后,其電池仍將保持90%的千瓦時,相當於每天一個迴圈的14年充電週期。 儘管東芝正在談論在2021年出售電池,但它並沒有聲稱成本。

特斯拉電池報告(http://doc.xueqiu.com/1493d8803372d3fd67cb5c51.pdf)(版權:2014年道達爾電池諮詢公司)

EV電池組 (版權所有:2014 道達爾電池諮詢公司)(http://doc.xueqiu.com/1493d8803372d3fd67cb5c51.pdf)

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

全球電動汽車充電基礎設施

輕型電動汽車充電器的主要部分歸消費者所有。 中國擁有約80%的公共充電器,而全球輕型電動汽車庫存為47%。 僅去年(2019年),中國公共充電器的增長就佔全球公共充電器的60%,而中國擁有全球80%的公共充電器和50%的公共慢速充電器。

表 7

全球電動汽車充電基礎設施

[2020年全球電動汽車展望

(IEA)https:// 網店.iea.org/download/direct/3007]。

絕大多數電動輕型車充電器都是私人充電器。

提供充電器(百萬) 7.3
私人 公共 快速充電器 慢速充電器
650萬~ 80% 87.6萬 12% (862 000) 4% 263 000 8% 598 000

比2018年增長60%

巴士 2019

可用充電器 – 184000個(2019年比2018年增加17%(157 000)

全球電動卡車充電基礎設施。

卡車類型 中型貨車(3.5 至 15 噸 GVW) 重型貨車(>15噸GVW)
電池組能量大小 70 - 300k 瓦時 200 - 1000k 瓦時

印度方案:EV和EV充電基礎設施

印度電動汽車庫存

在新政策情景中,到2030年,電動汽車在印度所有模式下的銷量份額將達到近30%,幾乎符合其目標(印度政府,2018年)。 車輛電氣化主要集中在兩輪車領域,到2030年,BEV佔十分之四的新車。 電動汽車還滲透到LDV和城市公交車市場,佔所有乘用車和LCV的14%,佔所有公交車銷量的11%。

印度電動汽車的部署受到2017年到2030年向電動汽車全面過渡的目標的刺激。 2018年,制定了30%的目標,並得到了標準化,公共車隊採購和有針對性的經濟激勵措施等多項政策措施的支援,包括車輛吸收和充電基礎設施部署。

在EV30@30情景中,作為向電動汽車過渡的全球領跑者,印度在2030年的所有模式(兩輪/三輪車除外)的電動汽車銷售份額達到29%(包括兩輪/三輪車在內的54%)。 到2030年,印度72%的兩輪車,31%的汽車和24%的公共汽車是電動的。 [ 8. 2020年全球電動汽車展望(IEA)第139頁,https://webstore.iea.org/download/direct/3007]。

在印度,西孟加拉邦運輸公司(WBTC)通過政府鼓勵使用電動汽車的第一階段政策增加了80輛電動公交車和充電器,稱為混合動力和電動汽車的快速採用和製造(FAME I)。 一些9米長的公交車有125千瓦時的電池組,一些較長(12米)的公交車有188千瓦時的電池組。

圖 3.

2030年印度的電動汽車銷量 [2020年全球電動汽車展望 (IEA)第159頁,HTTPs: – 網上商店。 iea.org/download/direct/3007]

印度的EV銷量
EV sales in India 2030

去年(2019年),印度電動汽車銷量為75.0萬輛,總庫存達到約759萬輛。 去年,兩輪車比2018年增長了130%。

https://www.autocarindia.com/car-news/ev-sales-in-india-cross-75-lakh-mark-infy2019-412542 2020年8月6日訪問)。
在目前情況下,2-W製造商學會了在沒有政府補貼的情況下養活自己。 去年(2019年)4月的銷售額下降是由於(FAME II)第二階段的嚴格規定。 沒有電動汽車可以滿足新標準。 此外,重新認證過程消耗了大約45天,推遲了銷售。

印度的電動汽車充電基礎設施

充足的電動汽車充電基礎設施(EVCI)一直是電動汽車普及的關鍵。

事實證明,在一個國家,強大的電動汽車供應設備(EVSE)網路的可用性比從購買電動汽車需求的角度提供回扣和補貼有效三倍,公共和家庭充電基礎設施對於促進電動汽車至關重要。 在全球範圍內,公共充電基礎設施在過去十年中以令人難以置信的84%的複合年增長率增長,2009-2012年至2013-2014年期間的同比增長率超過100%,2010-2018年的平均同比增長率約為180%。

印度的EV充電基礎設施成長趨勢

印度是一個新興的電動汽車市場,作為世界第四大汽車市場,我們正在逐漸成為電動汽車的焦點地區。
印度EVCI增長的未來是積極的,並實現了全球EVCI滲透率的增長率。
擁有並運營城市內電動計程車車隊BluSmart的GensolMobility增加了其在國家首都地區的業務。

電動汽車充電基礎設施

圖 5

印度公共電動汽車充電基礎設施增長趨勢

印度公共電動汽車供應設備(EVSE)慢速和快速

鋰離子后或超鋰離子

為了將續航里程擴大一倍,電動汽車製造商正在尋找新型電池。 正在調查以下系統:
一個。 鋰固態電池(http://www.usaspeaks.com/news/toyota-unveils-solid-state-battery-design-for-evs/)
b. 鋰空氣(氧氣)電池 [ 11.大衛·錢德勒·|麻省理工學院新聞辦公室]
c. 鈉離子電池
d. 鋅空氣電池 [12.Jonathan Goldstein, Ian Brown and Binyamin Koretz JPower Sources, 80 (1999) 171-179].
e. 許可電池

電動汽車電池組設計

電池組中的電池數量將取決於鋰離子電池的化學性質,而鋰離子電池又取決於所使用的陰極材料。
例如,由鎳鈷鋁(NCA)陰極型電池製成的85 kWh電池,每個電池的容量為3.25 Ah:
假設:
電池組電壓 = 350 V
標稱電池電壓 = 3.6 V
額定能量容量 = 85 kWh
實際能量容量 = 80 kWh(約佔額定容量的 95 %)
額定容量 = 3.25 Ah
實際容量 = 3.1 Ah(~ 額定容量的 95 %)
對於350 V電池組並使用上述電池,需要350 V / 3.6 V = 97.2電池,為了簡單起見,將其四捨五入為96或98電池。

但串聯的96個單電池的能量容量為96 * 3.6 V * 3.25 Ah = 1123 Wh。 因此,這個特定的模組設計將是1123 Wh。
因此, 要並行連接 的電池數量 = 85000Wh/1123 Wh = 75.7 @ 76。
我們可以在一個模組中並聯連接76個電池,其容量將為76 * 3.25 Ah = 247 Ah。

我們可以方便地將96個細胞分成16個模組,每個模組6個電池(或12個模組,每個模組8個電池),所有這些都是串聯的。
因此,總電壓為 16*6 =96 *3.6 V =345.6 V @ 350 V。


總電壓為 12*8 =96 *3.6 V =345.6 V @ 350 V
因此,一個模組的總額定 Wh 為 247 Ah*6*3.6 V = 5335 Wh。

因此,該電池組的總額定 Wh 為 247 Ah*6*3.6 V*16 = 85363 Wh @ 85 kWh
因此,電池組的實際總 Wh 為 76*3.1 Ah = 236 Ah*350 V = 82600 Wh @ 82 kWh
現在的能源容量為85千瓦時。 因此,一包中的細胞總數將為
85000 Wh/3.6 V*3.25 Ah= 7265節電池(額定)
85000 Wh/3.6 V*3.1 Ah= 7616 節電池(實際)

以類似的方式,要使用3.25 V磷酸鐵鋰(LFP)電池實現350 V電池組,我們需要(350 V / 3.25 V)107.7電池。 同樣,為了簡單起見,我們可能會決定使用108或110個單元格。 在這裡,我們可以為110個電池設計11個模組,每個模組10個電池,或者為108個電池設計18個模組,每個模組6個電池。
或者使用2.3 V LTO(鈦酸鋰)電池,我們需要(350 V / 2.3 V)152節電池或四捨五入到160節電池才能達到所需的電壓。
70千瓦時和90千瓦時,18650 NCA電池3.4 Ah;液冷。
90千瓦時電池組有7,616個電池;電池重量為540千克(1,200磅= 540千克);

並聯配置中發生故障的可能性很低,因此單節電池故障不會影響整個電池。

電池功率和容量計算

以前面的例子為例,85 kWh的電池組,電壓為350 V.通常對於電動汽車,1C速率放電被考慮在內。 因此,電流將是85000 Wh / 350 V = 243 Ah。 因此,電流將為240 A。功率 = V * A = 350*240 = 84000 W = 84 kW 最大值。 但BMS只允許80%的功率作為最大值。
因此,實際使用的功率將為84 * 0.8 = 67.2 kW。 如前所述,再生能量的平均百分比約為15%。 在某些情況下,這個數位可能會上升到40%以上。 再生功率不超過40千瓦。

競爭鋰電池的電壓

表 8

性能參數 斷續器 斷續器 改性活生物體 斷續器 斷續器 斷續器
電池的標稱電壓 (V) 3.6 3.6 3.8 3.2 2.2 3.6

比能源和能源效率

假設效率為25%,化石燃料可以提供12000 * 0.25 = 3000 Wh / kg可用能量。 在電池的情況下,效率更高,因此可以從電池獲得150 * 0.9 = 135 Wh / kg可用能量。
可用比 = 3000/135 = 22.22 倍
直接比 = 12000/150 = 80 次

鋰離子電池的回收利用

[ 14. 黃斌浙 潘象嶼蘇良安,《動力源》,第399卷,2018年9月30日,第274-286頁]
隨著對LIB的需求不斷增長,特別是來自電動汽車領域的LIB, 大量的鋰離子電池將返回回收或再利用。 對廢舊鋰離子電池缺乏妥善處理可能會導致嚴重後果,例如環境污染和資源浪費。 為了解決這個問題,既需要技術革新,也需要政府的參與。
對更多細節感興趣的讀者可以參考有關此主題的出版物。

二次電池(電動汽車報廢後再使用EV電池)

在回收領域,人們正在考慮在丟棄EV電池后再利用EV電池或從該電池中回收材料。

電動汽車將於2020年進入印度

到2020年,製造商不僅將專注於符合BSVI標準的汽車和摩托車,而且一些製造商將採取額外的措施來完全否定碳排放並冒險進入電動汽車平臺。 以下是今年已確認的幾款電動汽車,預計今年將很快推出一些電動汽車。 它們是:
塔塔耐克森電動汽車
G汽車印度ZS電動汽車
奧迪電子創
福特-馬恒達阿斯皮爾電動汽車
大眾ID 3
捷豹 I-佩斯
保時捷泰肯 4S
可用的詳細資訊如下表述:

表 9
2020年電動汽車將登陸印度
(http://overdrive.in/news-cars-auto/cars-coming-to-india-in-2020-electric-vehicles/)

電動汽車(消耗量/公里) 價格 電池類型 千瓦時容量 可用容量 電機 力矩 加速度 最高速度 範圍 公里 言論
塔塔耐克森電動汽車 (100瓦/公里) 15 至 17 L 盧比 鋰離子電池 30.2 永磁交流電機 129PS 和 245 Nm 前輪 0 至 100 公里 / 小時加速,時速僅需 9.9 秒 充滿電後>300公里
通用 ZS 電動汽車 (129瓦/公里) 鋰離子電池 44.5 液冷電池組 143PS/350Nm電機驅動前輪 345 車載充電器。 在6至8小時內充滿電;還可設置50 kW充電器
奧迪電子創 (220瓦時/公里) 鋰離子電池 96 86.5 後部和前部電機 436
福特-馬恒達阿斯皮爾電動汽車 Rs 6 至 7 L 鋰離子電池 後橋電機 300+
大眾ID 3 (136瓦/公里) (138 瓦/公里) (140瓦/公里) < 30000 歐元 鋰離子電池 45 (基本版) 330 (WLTP) 充電 30 分鐘內行駛 290 公里(直流電 100 千瓦)
盧比 ~ 23.85 L 稅前和關稅前 鋰離子電池 58 (中等規格) 205PS 和 310Nm 160 420
鋰離子電池 77 (最高規格) 550
捷豹 I-佩斯 (180瓦/公里) 鋰離子電池 90 2 個電機 400PS和696Nm的扭矩 0-100公里/小時加速時間:4.8秒 320 >500 80%通道90分鐘
保時捷泰肯 4S (195瓦/公里) 鋰離子電池 79.4 雙電機 800 V 435PS,過升壓時為530PS,扭矩為640 Nm。 0到100公里/小時,時速為4秒。 250 407
鋰離子電池 93.4 463

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