电动车电池

✍ dations ◷ 2024-12-23 05:14:14 #电动载具技术,可充电电池,电池应用

电动车电池(electric-vehicle battery)简称EVB,是用在纯电动车(BEV)或混合动力电动汽车(HEV)上,供应电动机能量的电池。多半是可以充电的蓄电池,目前常见的是锂离子电池。电动车电池一般会设计为高容量,有较大的安培小时(或千瓦·时)规格。

电动车电池和一般车上负责启动、照明以及点火(SLI)的车用电瓶(英语:Automotive battery)不同。电动车电池需要可以在较长的时间内持续有功率输出,属于需要输出相当程度电量的深循环电池(英语:Deep-cycle battery)。电动车电池的特点是其较高的功率重量比、比能及能量密度:若电动车电池较轻,车重也会比较轻,可以提升车辆的性能,因此一般会希望电动车电池的重量可以比较轻。相较于液态燃料而言,大部分电动车电池的比能仍然要过低,这也限制了车辆电动化的最大马力范围。里程数大到一定程度的车辆可能会因为重量问题而无法改为电动车。

电动车中的电池由于考虑其功率密度,最常见是锂离子电池及锂离子聚合物电池。其他用在电动车中的蓄电池有铅酸蓄电池(满槽铅酸电池、深循环铅酸电池,以及阀门调节铅酸电池(英语:valve regulated lead acid battery))、镍镉电池、镍氢电池等,偶尔也有使用锌空气电池及熔融盐电池(英语:Molten salt battery)中的钠镍氯化物电池(zebra)。电池中储存的电量(电荷数)是以安培小时或是库仑为单位,而其储存能量是以千瓦·时为单位。自从1990年代末开始,便携式电子产品、笔记电脑、手机及电动工具的需求已带动锂离子电池的技术进展。电动车的市场也因此获益,在电池的性能及功率密度上都有所提升。锂离子电池和以往的镍镉电池不同,锂离子电池可以每天充放电,而且可以在任何电量状态下进行充电或放电。

电池组(battery pack)的成本占电动车总成本中相当的比例。截至2019年 (2019-表达式错误:无法识别的标点“月”。),若以千瓦小时的单位成本来看,电动车电池的成本已较2010年下降了87%。2018年时,全电里程数超过250 mi(400 km)的电动车(像是Tesla Model S)已商品化,应用在不同的车辆领域中。若考虑运行时的成本,纯电动车在行驶时需要的电费是同功率汽车燃料费的一小部分而已,因此其能量转换效率较高。

满槽铅酸电池是最便宜的电动车电池,以往也是最常见的电动车电池。铅酸电池可以分为两种:负责车辆引擎发动点火的电池(车用电瓶(英语:Automotive battery)),以及深循环电池(英语:Deep-cycle battery)。车用电瓶在设计时会只用其一部分的电力,提供较大的放电电流,以启动引擎,而深循环电池是持续性的提供电池,使电动载具(例如叉车或是高尔夫球车)运行。深循环电池也用在娱乐性车辆的辅助电池,不过需要多级充电。铅酸电池放电时,不能使电量降到其容量的50%以下,若电量过低,会降低其寿命。铅酸电池需要定期检查电极及电解液,偶尔也需要电解液。

由于铅酸电池是成熟的技术,容易取得,价格低,早期的电动车几乎都是使用铅酸电池。只有少许厂商例外,例如底特律电机公司(英语:Detroit Electric)是用镍铁电池。深循环电池比较贵,寿命比车辆要短一点,大约每三年就要更换。

电动车应用中的铅酸电池重量约占车辆总重的25–50%。铅酸电池和其他电动池电池相近,其比能较石化燃料要低。刚开始时,这个差异不太明显,因为电动车的传动系统重量比较轻,就算一般车辆上使用最好的电池(因此重量较重)也是如此。目前深循环电池的效率(70–75%)及储存电量会在温度较低时下降,而加热线圈最多会将效率及电池里程数降低40%。

铅酸电池的充电及运行会释放氢、氧、硫,这些是会自然产生的物质,若有适当通风,一般而言是无害的。早期的Citicar(英语:Citicar)若没有适当的通风,在充电之后立刻会在车厢内出现异味。

早期的电动车会使用铅酸电池,例如原始版本的EV1(英语:EV1)。

目前已将镍氢电池(NiMH)视为是比较成熟的技术(英语:mature technology)。其充电和放电的效率(60–70%)较铅酸电池低,但其比能为30–80 Wh/kg,比铅酸电池高很多。镍氢电池若正确使用,其寿命非常的长,例如在混合动力车辆以及第一代的的NiMHToyota RAV4 EV(英语:Toyota RAV4 EV)已运行了十年,里程超过100,000英里(160,000千米)仍可以正常运作。其缺点有效率低、高自放电、充电周期不稳定,以及在冷天气时的效能不佳。

GM Ovonic生产镍氢电池,用在第二代的EV-1中,Cobasys(英语:Cobasys)开发了几乎一样的电池(十个1.2 V 85 Ah NiMH 电池串联,和Ovonic的十一个电池不同)。在EV-1中的运作相当良好。大型汽车镍氢电池的专利权(英语:Patent encumbrance of large automotive NiMH batteries)限制了近年来车辆上的镍氢电池使用。

钠镍氯电池或称为Zebra电池,用熔化的四氯铝酸钠(NaAlCl4)为电极。Zebra电池是比较成熟的技术,其比能是 120 Wh/kg。因为电池要加热才能使用,在天气冷时使用,除了因为加热需要耗费的额外成本外,对性能的影响不大。Zebra电池曾用做Modec商用车辆的电池。Zebra电池的充放电循环可以超过1000次,而且没有毒性。Zebra电池的缺点包括比功率较低(<300 W/kg),需要将电极加热到270 °C(518 °F),会消耗一些能量,在长程的能量储存上会是问题,而且也是潜在的危险。

锂离子电池(以及机构类似的锂聚合物电池)一开始是用在笔记型电脑以及消费者电子产生品。由于这类电池的高能量密度以及寿命较长,后来成为电动车电池的主流。最早商品化的锂离子电池以钴酸锂为阴极,石墨为阳极,一开始是由N. Godshall在1979年发明,约翰·B·古迪纳夫及吉野彰很快也开发了类似的产品。传统锂离子电池的缺点包括对温度很敏感、低温的性能不佳、以及性能会随着使用时间而退化。传统锂离子电池有会挥发的有机电解质、高危险的金属氧化物,且其阴极SEI层对热不稳定,若穿洞或是不正确充电,可能会着火。早期的电池在极低温时无法充放电,因此有些气候下必须配合加热器使用。锂离子电池的技术成熟度算是中等。特斯拉Roadster以及特斯拉的其他车辆就使用传统锂离子电池,是用在笔电上的电池。

近来的电动车使用新一代的锂离子电池技术,在比能以及比功率上比较差,但是在防火、环境友善程度、快充能力(多半在几分钟即可充饱)以及寿命上比较好。这些差异(像是磷酸盐,钛酸盐,尖晶石)已证实可以提高寿命,而用磷酸锂铁的A123(英语:A123 Systems)型寿命可以超过10年,充放电周期超过7000次,LG化学预估所开发的锂离子氧化镁电池(英语:Lithium ion manganese oxide battery)可以使用超过40年。

现在在实验室中也有许多有关锂离子电池的研究。速霸陆汽车的原型G4e中已使用钒酸锂电池,其能量密度可以到一般锂离子电池的二倍。阳极的硅奈米线、硅奈米颗粒及锡奈米颗粒可能也可以提升能量密度,而阴极的复合材料及超晶格也可能会提升能量密度。

有新的资料指出:锂离子电池受热以及快速充电都会使其退化的比一般使用要快,平均而言,电动车电池在服务六年六个月后,储电量仍可维持原来的90%。像是Nissan LEAF的电池的老化速度是Tesla的两倍,因为Tesla有电池的主动散热系统,而LEAF没有。

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