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电动汽车、电池及其充电和运行问题:1分钟完成充电有意义吗 精选

已有 16268 次阅读 2012-8-30 08:51 |系统分类:科普集锦|关键词:电动汽车,动力电池,快速充电,功率密度,能量密度| 动力电池, 电动汽车, 能量密度, 功率密度, 快速充电

摘要:电动汽车绝非“4个(或3个)轮子 + 2组沙发,因为这样的过度简化使人们以为人人可以制造电动汽车。电动汽车首先是一个具有一定安全性和舒适性能的载人运输工具,之后才是电池驱动的。电动汽车的电池绝不是容量越大越好,充电速度越快越好。恰恰相反,因为电动汽车本来是为了解决城市汽车尾气污染和城市峰谷用电方式带来的问题而提出来的,因此电动汽车只要具有一定的续航能力,而且能够使用市电在6小时以内完成充电就行。其电池可以是任何二次化学电源,只要能满足需要即可。

 

电动汽车本来是为了解决城市汽车尾气和噪声污染和城市用电峰谷问题而提出和设计的。所有在城市生活的人都体验过上下班高峰时呛人的汽车尾气和噪声,也知道在夜间时城市用电量比白天少。因为电能难以储存,因此夜间用电低谷时,城市电网鼓励居民尽量在夜间用电。电动汽车因为没有尾气,噪音也小,如果夜间充电也可以使用夜间过剩的电力。因此,电动汽车确实是解决城市问题的良方。

在中国,目前能源供应情况是煤多油少,石油供应的对外依存度持续增加。在这种情况下,通过坑口电厂战略的实施,电力供应及其有效使用可能是一个亟待解决的问题。电动汽车作为可以大量消耗夜间富余电力的手段符合国家需求,因此值得各级政府和消费者支持。

电动汽车实际上可以分为两类。一种是运行时直接与电网相连的,包括已运行多年的城市有轨或无轨公交电车;一种是运行时依靠自身携带的电池提供能源的电动汽车。后者因为使用的电池技术可以不同,有些时候会有不同的名字。例如,在旅游景点经常看到的电瓶车就是使用铅酸电池技术的。此外,它们也可以使用镍氢电池、锂离子电池、燃料电池等技术。为了解决电池储存能量有限的问题,还有一种混合动力汽车,它们使用汽油发动机和电动机,以不同的耦合方式驱动汽车。本文主要讨论电池驱动的汽车。

相对于西方工业化国家,中国的汽车工业毫无疑问是落后的。因此,几年前有人提出了“弯道超车”的概念,希望中国能够在代表者未来发展方向的电动车方面能捷足先登,在汽车工业中争得一席之地。一时间,以比亚迪为代表的自有品牌大干快上,快速推出了电池技术仍不过关的锂离子电池驱动的电动汽车,结果是几辆汽车出事故,造成了人员伤亡。

这些事件严重危害了消费者对该产品的信心,因此也大大减缓了电动汽车工业在我国的发展。我们到了该认真地思考这个问题的时候了。比如电动汽车真是“两组沙发+4个(或3个)轮子”?电动汽车的电池到底需要多大?电池技术中,哪些指标是关键的?据报道,韩国人发明了可在1分钟内充满电的电池(http://tech.huanqiu.com/discovery/2012-08/3053631.html),这种技术有用吗?本文就对这些问题谈谈本人的看法。

 

电动汽车应该具有的性能

首先,电动汽车绝对不是“两组沙发+4个(或3个)轮子”。虽然使用轮毂电机的完全电动化的汽车可以在结构上有所简化,比如说可以取消变速箱、差速器以及其它一些内燃机汽车必须有的能量输送装置,但是,它需要增加可以任意调节速度的而且在不同转速下都具有高的能量转换效率的轮毂电机,而且需要一个更加强大的能够根据驾驶人的愿望指挥汽车有效运行的电脑。否则的话,其能量转换效率、行车安全性和舒适性会大打折扣。

更重要的,电动汽车是一个载人工具,因此驾乘人员的安全性和舒适性至关重要。我曾驾驶过几个简易的电动汽车,其安全性和舒适性只能与农用三轮车相比,这样的汽车我相信绝不是城市消费人群需要的。因此,与解决城市交通产生的污染和用电问题的初衷背道而驰。这样的电动汽车我建议赶快下马,任何这样的投资必定是失败的。

要解决电动汽车的安全性和舒适性问题,就必须向已有的汽油发动机汽车技术学习。事实上,国外电动汽车的发展就比较符合技术的发展规律。他们通常是在现有成熟产品的基础上,通过增加电动部分来完成的。这就是混合动力技术的来源。通过这样做,他们达到了燃油经济性的大幅提升,因此部分解决了城市大气污染的问题。之后,他们完全可以根据电池技术和电动技术的进展,适时、逐步地用电池取代汽油,最后完全去除汽油发动机和相关的能量传递系统,达到完全电动化。我认为,这应该也是我国电动汽车发展的路径。

当前,我国正在进行经济发展方式的变革。我认为,那种因陋就简、低价销售的发展方式尤其需要完全革除。电动汽车必须比现有的汽油汽车更省能源、更加环保、同时又不牺牲汽车已有的安全性和舒适性。

2 电动汽车的电池技术

一般认为,电动汽车的关键在于电池。这话不全对,只能说它有道理。因为作为电动汽车的能量来源,电池是关键的和必不可少的。但是,现有的电池技术是否完全不符需要,因此制约了电动汽车的发展,是一个需要认真讨论的问题。

前文已经指出,电动汽车是为了解决城市交通带来的污染和城市本身用电问题而提出的良方。因此,所有关于电动汽车的讨论,至少在现阶段必须立足于这一需要。由于电动汽车的续航里程完全取决于电池的容量,也就是说,假如一个汽车行驶100公里需要15 kWh的能量,那么行驶200公里就需要30 kWh。也就是说电池需要相应扩容1倍。因此,电动汽车在设计时完全可以预留相应的位置,销售时按照客户要求添加相应的电池即可。

就个人购买时选择续航里程时,可以根据自己的平日行驶里程加上一定的富余量来确定。因为,电池在使用过程中容量会逐步下降,而且路况不同用电量也会不同。假如说,一个人每天的常规运行路程只有50公里,那么一个续航里程100公里左右的汽车已足够了;当然一个每天需要跑100公里上下班的人,也许会需要150 ~ 200公里的续航里程。

如果按照上述思路,现有电池技术完全可以满足需要。例如,能量密度最低的铅酸电池储电量大致是30 Wh/kg,因此储电15 kWh需要的电池质量是500 kg;镍氢电池大致是60 Wh/kg,储存同样的电量需要250 kg;锂离子电池能量密度更高,可以达到100 Wh/kg以上,储存同样的电量需要不到150 kg。考虑到汽油发动机质量在150 kg以上,再加上汽油发动机的供油系统(包括汽油)等,这些在电动汽车中不存在的质量超过200 kg。因此,续航里程在100 km左右的镍氢电池动力的电动汽车的质量可以与现有的汽油发动机汽车的质量持平。只是使用铅酸电池电动汽车会更重一些,锂离子电池则会轻一些。

我们知道,保证汽车舒适性的一个指标是汽车自重,它一般在1200 kg以上。因此,虽然铅酸电池使汽车自重大幅度增加,但由于其安全性好,价格只有锂离子电池的1/3,对于短距离交通需求的满足还是具有一定的可行性的。锂离子电池较轻,但是其安全性问题一日不解决,在电动汽车上广泛使用就成问题。因此,个人认为,当前电动汽车行业应注意镍氢电池技术的应用,兼顾铅酸电池和锂离子电池使用的可能性

3 电动汽车电池技术指标

首先看一下汽车的运行指标。由于汽车的安全性和舒适性对所有的汽车应该是一样的,我们这里只讨论汽车的运动性能。它们主要包括加速到100 km/h所需时间、爬坡能力、100公里平均油耗等等。前两个指标实际上与汽车的功率输出有关,后一个指标则表征了汽车的能量转换效率。对于电动汽车来说,前两个指标除了与电动机的能量转换效率有关外,也与电池正常运行时能够输出的功率有关。假如电动机的能量转换效率和输出功率足够高,那么电动汽车的功率输出就只与电池的功率输出有关了。至于百公里油耗,电动车有相应的百公里用电相对应。

电池的放电速度与电池的化学(指铅酸、镍氢、镍镉、锂离子等等技术,它们使用的化学不同)及其使用的技术有关。比如说,市面上卖的干电池有两种,即酸性电池(也有称碳性电池)和碱性电池。有经验的人知道,如果使用耗电量较大的数码相机等设备,使用碱性电池是可以的,但酸性电池就不一定行,因为有些时候根本不能开机,或者只能拍几张照片。这就是电池化学和相关技术对输出功率和能量储存影响的例子。同样的,电动汽车的电池技术必须具有足够的功率输出能力和能量储存能力。

在电池技术研究和生产销售领域,一般地,将电池的功率输出能力分为两类,一个是正常运行时单位体积或单位质量的功率输出,另一个是单位体积或单位质量瞬时功率输出,其单位就是W/LW/kg。前者衡量正常运行时(对于电动汽车就是匀速运行时)的功率输出能力,后者则衡量处于非正常情况下(对于电动汽车就是启动、加速、爬坡时;也可以包括刹车能量回收时,不过此时是相反地过程)电池的能量输出能力。电池的能量储存能力,因为它的测定值与放电功率有关,一般规定其在恒流放电时(比如5小时把电量全部放完,俗称5小时率)或其它状况下,单位体积或单位质量电池能够放出的电量。

此外,由于充电电池在电力用尽时,需要充电,而充电需要一定的时间。考虑到电动汽车本来是解决城市交通环境污染和夜间电力过剩问题而提出的,电动汽车的充电时间以6 ~ 8小时为宜。同时,一般地讲,电池在开始充电时速度可以快点,但是到临近结束时需要慢点,因此,在设计充放电制度时,可以在最初的3 ~ 4小时内完成80%左右的充电电量。这样,既可以满足一些应急需要,也可以使电池的使用寿命得到延长。必须清楚的是,目前所有的电池技术都不允许频繁地快充快放,因为那样会严重地损坏电池,造成电池使用寿命缩短。

也许有人说了,有没有可能让电动汽车像汽油车一样在几分钟内完成充电呢?我认为,这不仅没有必要,也不现实。前几天,有报道称韩国的一个研究机构研制出了可以在1分钟以内完成充电的锂离子电池。其实,技术上还可以做出更快的,如超级电容器。但这样的电池肯定不会用作汽车的动力电池,虽然它有可能用于电动汽车。因为,按照目前的技术,普通家用电动汽车大概每运行100 km耗费10 ~ 20 kWh的电量(以下按15 kWh计算)。如果设计续航能力就是100 km,这意味着需要能储存15 kWh电能的电池。假如电池组的电压是300 V,如果在1分钟内完成充电,其输入功率至少为900 kW,相应的电流至少为3000 A。这样的充电站必须专门设计,需要复杂昂贵的配电设备,价格当然也不是普通民众能用得起的。但是如果充电在360分钟(6小时)内完成,其输入功率就可以降到2.5 kW左右,相应的电流为8.3安培左右。这是普通家庭用户可以承受的。当然,我们需要知道的是,用市电(220 V交流电)充电时,还需变换成直流电,这会带来损耗,相应的功率和电流都要增加一点。

因此,当我们使用电动汽车时,必须考虑电池技术和使用环境的限制。绝对不能人云亦云,更不能为一些不现实的技术天真地欢呼。

3          结论:建议的电动汽车研发方向和相关参数

第一,电动汽车是为了解决目前内燃机汽车尾气和噪音污染,以及城市夜间用电能力不足两大问题而提出的。对于中国,随着石油对外依存度的持续提高,汽油价格飞涨的现实,发展电动汽车十分必要,需要国家各级政府部门和民众的大力支持。

第二,电动汽车是一个载人工具,需要一定的安全性和舒适性。不顾安全性和舒适性的电动汽车必定会很快遭到市场摒弃。因此,任何电动汽车生产部门和研发部门必须做到安全第一。不能使用任何有害于安全性的技术,这包括电池技术和任何危害汽车安全性的诸如车架等附属设施的减配行为。

第三,电动汽车作为新一代的交通工具,必须更加节能、运行更加符合经济性的原则。因为非此不能吸引广大的用户。因此,研究高能效的轮毂技术和电机高效自动化控制技术势在必行。

第四,电动汽车生产厂家应该在上述要求的基础上,设计建造电动汽车,提出电池性能指标要求,然后向所有的电池厂商发布。电池厂商按照指标要求设计建造相应的电池,供电动汽车厂商选择。个人认为,那种把所有生产线都掌控在一个人或一群人的做法应该抛弃;应该吸取世界上的知名厂商的优秀经验,实行全球采购,把最好的产品用在自己的车上,使自己的用户得到最大的实惠。

第五,个人认为,电池生产厂商应该尽力研究自己拿手的电池技术,不必要一窝蜂地涌向特定的电池技术。每种电池技术都有优缺点,不能包打天下。汽车生产者和使用者必须明白这一道理,适合的就是最好的。

 



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