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東歐電動汽車專家:新能源汽車及其電池設計和發展

特普生科技 特普生科技 2023-05-15 12 295
本文來源于國際能源署LEA,目的在了解全球電動汽車電池供應鏈。鳴謝 自主研制NTC芯片的特普生儲能CCS集成溫度采集母排,對本文的大力支持,感謝特普生海外技術翻譯官林博女士!

電池是整輛新能源汽車中最昂貴、最重要,也是是最具爭議的部分。電動汽車的反對者通常將電池列為主要問題——除了價格高之外,他們還提到壽命短、需要提前更換、續航里程不足以及回收時對環境造成的影響一系列的問題。

許多指控曾經是正確的,但在今天已經無法成立。我們將首先探討電池是如何設計的,它們最重要的參數是什么,另外本文還將介紹它們的容量、續航里程和使用壽命,最后,我們也將簡要概述電動汽車電池的發展。

電池設計

電動汽車的電池因制造商而異,每家生產的電池也都略有不同,但基本上它們都是以相同的方式即基本電池單元和模塊構成的。

電池由數百個(有時是數千個)小電池單元組成,這些電池單元以串聯或并聯方式連接以達到所需的電壓和電流。每個電池單元的電壓為 3-4V。目前使用三種類型:圓柱形、棱柱形和袋形,每種都有其優點和缺點。

特斯拉使用圓柱形電池,它們的主要優勢是制造成熟度和高度優化。它也是效率最高的最便宜的選擇。

寶馬和大眾使用更緊湊、更易于冷卻且制造成本低廉的棱柱形電池,但它們的能量密度低且充放電循環次數存在問題。日產、雷諾和雪佛蘭使用在單個模塊設計和容量方面最靈活的軟包電池,但需要仔細控制溫度和壓力。

電池單元形成電池模塊,電池模塊是每個電池的構建塊。這種安排使生產、安裝、管理和維護更容易。如有必要,可以更換各個模塊,即使在發生火災時,這種布置也有助于降低其膨脹率。

電池模塊

重要電池參數

電動汽車電池制造商必須平衡許多重要需求。作為一款電動汽車,電池的重量和尺寸絕對是至關重要的。出于這個原因,研究人員和制造商關心比能量或能量密度——這是每單位重量或體積的能量(即 Wh/kg 或 Wh/l)。
當前研究競賽朝著具有最高能量密度的電池展開。有些人關注單個電池單元的能量密度,而另一方面,其他人則更關注整個模塊的密度,其中電池的形狀及其排列也會發揮作用。
電池可以保持其特性的充電和放電循環次數也很重要,因為它表明了電池的整體壽命。通常電池可以使用 1000 - 1500 次循環,但已經有一些電池可以承受 7000 次充電。
最后同樣重要的是,價格因素。到目前為止,它約占電動汽車總價格的 30%。通常我們會遇到每單位能源的價格--是美元/千瓦時。2010年還是1100美元/千瓦時,2019年只有156美元/千瓦時。我們可能會在 2024 年低于 100 美元/千瓦時的預期限制。這是更高的電池效率、更高的能量密度和更好的生產過程自動化的結果。電池價格的降低有望使電動汽車的價格與內燃機汽車的價格處于同一水平。

電池容量和范圍

電動汽車電池的容量及其續航里程也是至關重要的。

根據現有技術,給出了各種類型電池的最大比能量,并努力平衡重量、價格和續航里程。當今市場上的電池容量從 16 kWh(三菱和 MiEV)到 90 kWh(特斯拉 S)不等。

一般來說,鉛電池續航里程在30-80公里,鎳電池可達200公里,鋰電池320-480公里。再生制動可以將制動產生的能量傳輸回電池,然后再次使用,在正常的城市交通中可以將續航里程延長 10-15%,在極端條件下最多可以延長 50%。

此外,電池的續航范圍取決于許多不同的因素,例如天氣。在配備內燃機的汽車中,汽車會因發動機產生的熱量而變暖,而在電動汽車中,則需要犧牲部分電池容量來預熱。在極端條件下,打開空調會使續航里程減少多達 96 公里。當然,續航里程取決于地形、駕駛技能、重量和車輛類型——這與內燃機汽車完全相同。

電池壽命

最常見的問題之一是電池容量的早期損失和更換電池的需要。然而,據大多數司機的經驗表明,對于具有先進電池管理系統 (BMS) 的電池來說,這種擔憂是沒有根據的。

除了BMS,車載充電器和充電站(電源)也參與充電,并不斷相互通信,使充電不危及電池壽命。

日產聆風在 2010 年至 2016 年間售出超過 25 萬輛汽車,僅需更換 0.01% 的電池。許多汽車行駛了超過 200,000 公里,并在此期間保留了 90% 的電池容量。而特斯拉Tesla Roadsters , 即使在超過 160,000 公里之后,仍保留了 80-85% 的容量,無論行駛的氣候帶如何。

電動汽車的電池一般只有少數幾個電池有缺陷,由于模塊化排列,可以很容易地更換它們,然后電池就可以毫無問題地繼續發揮作用。特斯拉 Model S 為其電池提供 8 年保修。此外,據估計,鋰電池和太陽能電池板的使用壽命可達 20 年以上。

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日產聆風推出鋰離子電池

電池保養、二次生命和回收

電池容量和壽命不僅取決于電池的類型和電池中發生的化學反應,還取決于駕駛員的行為和他的注意事項。深循環鋰電池的放電量不應低于其總容量的 20%。對于新一代,可以多放一點,但決不能完全放完。一些制造商“鎖定”一部分電池容量,確保電池永遠不會放電過多。例如,福特已開始標明其汽車的可用電池容量,以考慮到這一事實。

同樣重要的是,盡可能使用“慢速”交流充電站為電池充電。20千瓦以上的直流充電站專為長途旅行而設計,但不應濫用。一旦電池不再足以滿足電動汽車的運行需求,就會出現另外兩種選擇,二次生命和回收利用。

如果電池不再適合電動汽車的運行,就有可能賦予它第二次生命,不需要那么高的容量。電池最常用作固定電池儲能裝置。可再生能源的主要問題一直是其生產與消費之間的差異和存儲選擇不足,而這正是電動汽車電池可以解決的問題。它們不會成為環境的負擔,而是可以幫助我們增加可再生能源的份額。

回收是最后一步,其目標是使用最少的能量回收最大量的廢舊材料。歐盟指令要求制造商主動收集電池并自費回收。最困難的部分是電池單體的直接回收和用于化學反應的金屬的分離。然而,即使使用鈷,也可以實現高達 85% 的效率。

電池的發展歷程是怎樣的?

他們的未來呢?

最后,讓我們回顧一下電動汽車電池的歷史是怎樣的?

最早出現于 20 世紀初的第一輛電動汽車使用鉛電池作為動力。這很容易獲得,最重要的是,廉價電池在當時已經非常先進。鉛蓄電池的主要缺點是它們永遠不能放電到 50% 以下,并且需要定期監測電解質。同時它們比較重,占電動汽車總重量的25-50%。鉛蓄電池的使用壽命約為三年。

與其他電池一樣,與汽油或其他化石燃料相比,鉛電池的比能較低。在這種情況下為 30-50 Wh/kg。其正常效率為 70-75%,在寒冷天氣下,效率會進一步降低高達 40%。

1959年:亨尼千瓦電動汽車由Eureka Williams Corporation推出,最高速度為60英里/小時,范圍為60英里,但僅生產了100輛車

后來出現了鎳氫電池。它們比鉛電池具有更好的比能量,此外,它們的使用壽命也很長。放置在第一輛豐田 RAV4 混合動力汽車中的電池在行駛了 16 萬多公里和 10 多年后仍然可以正常工作。

一些電動汽車的反對者所擔心的,即電池不會持續很長時間,需要盡快更換,這對于上一代電池來說已不再適用。但缺點是效率低、自放電率高和耐寒性能差。然后發明了稱為Zebra的電池。要使用它們,必須將電解質加熱到 270°C,因此,寒冷的天氣對它們來說不再是問題。只有最初的供暖成本增加了。此外,它們無毒且具有更高的比能量——高達120Wh/kg。但它的功率非常低,<300 W/kg,并且需要進行初始預熱是很危險的。主要問題是保持電池充電。

電動汽車 Volta 1963

1979 年,鋰離子電池首次問世,至今仍是最受歡迎的電池之一,幾乎無處不在。第一個原型的問題主要是溫度敏感性、高溫變形、低溫性能低和早期退化。

新一代鋰離子電池犧牲了部分比能量和比功率,以支持更長的壽命、環保、降低火災風險和提高充電速度。因此,可以在幾分鐘內為它們充電。磷酸鋰電池的使用壽命超過 10 年,充電周期超過 7,000 次。

目前正在考慮未來的兩個主要選擇。第一種是保護鋰電池,但用硅代替其中的石墨。這將顯著增加比能量和能量密度。問題只是充電狀態和放電狀態之間的體積變化很大。第二種選擇是非常有趣的固體電池,它不使用電解質,因此陰極和陽極之間的隔板再也不會出現問題。這將使它們更安全,并允許更長的壽命。預計該技術引進時間最長為五年,商業化生產時間為十年。

儲能熱管理研究院的結束語:

隨著全球能源結構的調整和環保意識的提高,新能源汽車電池作為新型能源的重要組成部分,得到了廣泛關注和發展,尤其是固態電池作為一種新型電池技術,具有高能量密度、高安全性和長循環壽命等優點,正受到越來越多行業的關注和研究。同時,隨著新能源汽車電池的普及和應用,電池回收利用已成為重要的環保和資源節約問題,相關技術也在不斷發展和完善。

總的來說,新能源汽車電池的發展趨勢是高性能、低成本、長壽命、高安全性和環保可持續等方面的綜合提升,這將進一步推動新能源汽車的普及和應用。

特普生,成立于2011年,是國家高新技術、專精特新企業。主要研制NTC芯片熱敏電阻溫度傳感器儲能線束儲能CCS集成采集母排儲能模組鋁巴等溫度采集產品系列。一體化研制、一致性品質的特普生,競爭力優勢明顯:自主研制NTC芯片核心技術及實現醫用0.3%精度;專利百項,保留不公開技術2項;為全球新能源產品、大消費品與工業品提供了定制化的溫度采集技術。

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