电动车辆电池

电动车辆电池(Electric vehicle battery EVB)或牵引电池是用于为电池电动车辆(BEV)的推进提供动力的电池。 车辆电池通常是二次(可充电)电池。 牵引电池用于叉车,电动高尔夫球车,骑车地板洗涤器,电动摩托车,电动车,卡车,货车和其他电动车辆。

电动车辆电池与起动,照明和点火(SLI)电池不同,因为它们被设计为在持续的时间段内供电。 在这些应用中使用深循环电池代替SLI电池。 牵引电池必须设计为具有高安培小时容量。 用于电动车辆的电池的特征在于其相对高的功率重量比,比能量和能量密度; 更小,更轻的电池可以减轻车辆的重量并改善其性能。 与液体燃料相比,大多数现有的电池技术具有低得多的比能量,并且这经常影响车辆的最大全电动范围。 然而,金属 – 空气电池具有高比能,因为阴极由空气中的周围氧气提供。 电动汽车中使用的可充电电池包括铅酸(“淹没”,深循环和VRLA),镍镉,镍氢,锂离子,锂离子聚合物,以及不太常见的锌 – 空气和熔融 – 盐电池。 存储在电池中的电量(即电荷)以安培小时或库仑为单位测量,总能量通常以瓦特小时计。

与化石燃料汽车不同,这种电池占据了BEV的巨额成本,深刻地表现为价格范围。 截至2018年,少数范围超过500公里的电动汽车,如特斯拉Model S,已经成为奢侈品领域的佼佼者。 自20世纪90年代末以来,电池技术的进步受到便携式电子产品(如笔记本电脑和移动电话)需求的推动。 BEV市场已经在性能,能量密度方面获得了这些进步的好处。 电池可以每天放电和充电。 也许最值得注意的是,电池成本急剧下降,从2008年到2014年,电动车电池的成本降低了35%以上。

预计2020年汽车牵引电池市场将超过370亿美元。

就运营成本而言,运行EV的电价只是等效内燃机燃料成本的一小部分,反映出更高的能效。 更换电池的成本主导了运营成本。

电池类型

铅酸
水淹式铅酸电池是最便宜的,也是过去最常见的牵引电池。 有两种主要类型的铅酸电池:汽车发动机启动电池和深循环电池。 汽车交流发电机设计用于为快速充电提供启动电池高充电速率,而用于电动汽车(如叉车或高尔夫球车)的深循环电池以及RV的辅助房屋电池需要不同的多级充电。 没有铅酸电池应该低于其容量的50%,因为它会缩短电池的寿命。 水淹电池需要检查电解液液位,偶尔更换正常充电周期中的气体。

传统上,大多数电动汽车由于其成熟的技术,高可用性和低成本而使用铅酸电池(例外:一些早期的电动车,例如底特律电气,使用镍铁电池。)像所有电池一样,这些都有通过其建造,使用,处置或回收对环境产生影响。 从好的方面来看,美国汽车电池回收率高达95%。 深循环铅蓄电池价格昂贵,寿命比车辆本身短,通常需要每3年更换一次。

EV应用中的铅酸电池最终成为最终车辆质量的重要部分(25-50%)。 像所有电池一样,它们的比能量明显低于石油燃料 – 在这种情况下,30-40 Wh / kg。虽然由于EV中较轻的传动系统,差异并不像最初出现的那样极端,但即使是当应用于具有正常范围的车辆时,最好的电池往往会导致更高的质量。 当前一代普通深循环铅酸蓄电池的效率(70-75%)和存储容量随着温度的降低而降低,并且转移功率以运行加热线圈会使效率和范围降低多达40%。 电池效率,容量,材料,安全性,毒性和耐久性的最新进展可能使这些优越特性应用于汽车尺寸的EV。

电池的充电和操作通常导致氢气,氧气和硫气的排放,这些气体是天然存在的,并且如果适当地排气通常是无害的。 早期的Citicar业主发现,如果没有正确排气,充电后会立即将难闻的硫磺气味泄漏到机舱内。

与EV1和RAV4 EV的原始版本相比,铅酸电池为早期现代电动车提供动力。

镍金属氢化物
镍氢电池现在被认为是一种相对成熟的技术。 虽然充电和放电的效率(60-70%)低于铅酸,但它们的比能量为30-80 Wh / kg,远高于铅酸。 如果使用得当,镍氢电池可以具有特别长的寿命,正如在混合动力汽车和幸存的NiMH RAV4电动车中使用的那样,它们在100,000英里(160,000公里)和十多年的服务之后仍然运行良好。 缺点包括效率低,自放电率高,充电周期非常嘈杂,寒冷天气表现不佳。

GM Ovonic生产了第二代EV-1中使用的NiMH电池,Cobasys制造了几乎相同的电池(10个1.2 V 85 Ah NiMH电池串联,而奥维通电池则为11个电池)。 这在EV-1中非常有效。 近年来,专利保留限制了这些电池的使用。

斑马
钠或“斑马”电池使用熔融的氯铝酸钠(NaAlCl4)作为电解质。 这种化学反应有时也被称为“热盐”。 一种相对成熟的技术,Zebra电池具有120Wh / kg的比能量和合理的串联电阻。 由于电池必须加热使用,因此除了增加加热成本外,寒冷天气不会对其运行产生强烈影响。 它们已被用于多种电动汽车中。 斑马可以持续几千个充电周期并且是无毒的。 Zebra电池的缺点包括功率重量差(<300 W / kg)以及必须将电解液加热到约270°C(520°F),这会浪费一些能量并且长时间存在困难。术语存储费用。 自2006年投入生产以来,斑马电池一直用于Modec商用车。 锂离子 锂离子(和类似的锂聚合物)电池,通过其在笔记本电脑和消费电子产品中的广泛使用,在最新的电动汽车开发中占主导地位。 传统的锂离子化学涉及锂钴氧化物阴极和石墨阳极。 这使得电池具有令人印象深刻的200+ Wh / kg比能量和良好的比功率,以及80至90%的充电/放电效率。 传统锂离子电池的缺点包括循环寿命短(数百至数千次充电循环)以及随着时间的推移而显着降低。 阴极也有些毒性。 此外,如果刺穿或充电不当,传统的锂离子电池可能会带来安全隐患。 这些笔记本电脑在冷却时不接受或供电,因此在某些气候下加热器可能需要加热。 这项技术的成熟度适中。 Tesla Roadster(2008)使用传统锂离子“笔记本电池”电池的“刀片”,可根据需要单独更换。 大多数其他电动汽车正在利用锂离子化学的新变化,牺牲特定的能量和比功率,以提供耐火性,环保性,非常快速的充电(低至几分钟),以及非常长的寿命。 这些变体(磷酸盐,钛酸盐,尖晶石等)已被证明具有更长的使用寿命,A123预计其磷酸铁锂电池可持续至少10年以上和7000+充电周期,LG化学期望其锂电池 - 锰尖晶石电池可持续使用长达40年。 在实验室中,锂离子电池正在做很多工作。 锂钒氧化物已经进入斯巴鲁原型G4e,能量密度翻倍。 硅纳米线,硅纳米粒子和锡纳米粒子能够承受阳极能量密度[需要澄清]的几倍,而复合和超晶格阴极也有望显着提高密度。 细节 内部组件 电动汽车(EV)的电池组设计很复杂,并且因制造商和具体应用而异。 然而,它们都包含几个简单的机械和电气组件系统的组合,这些系统执行包装的基本所需功能。 实际的电池单元可以具有不同的化学品,物理形状和尺寸,这是各种包装制造商所优选的。 电池组将始终包含许多串联和并联的分立电池,以实现电池组的总电压和电流要求。 所有电动驱动电动车的电池组可包含数百个单独的电池。 为了帮助制造和组装,通常将大堆单元分组为称为模块的较小堆栈。 其中一些模块将被放入一个包中。 在每个模块内,电池被焊接在一起以完成电流的电通路。 模块还可以包含冷却机构,温度监控器和其他设备。 在大多数情况下,模块还允许通过电池管理系统(BMS)监控电池组中每个电池单元产生的电压。 电池单元堆具有主熔丝,其在短路条件下限制电池组的电流。 可以移除“服务插头”或“服务断开”以将电池堆分成两个电隔离的半部。 在移除维修插头的情况下,电池的暴露的主端子不会对维修技术人员造成高电位危险。 电池组还包含继电器或接触器,用于控制电池组向输出端子的电力分配。 在大多数情况下,将至少有两个主继电器将电池单元堆连接到电池组的主正负输出端子,这些继电器为电驱动电机提供高电流。 一些电池组设计将包括交流电路径,用于通过预充电电阻对驱动系统进行预充电,或者为辅助母线供电,辅助母线也有自己的相关控制继电器。 出于明显的安全原因,这些继电器都是常开的。 电池组还包含各种温度,电压和电流传感器。 通过电池组的电池监控单元(BMU)或电池管理系统(BMS)完成从电池组传感器收集数据和激活电池组继电器。 BMS还负责与电池组外的世界进行通信。 充电 BEV中的电池必须定期充电。 BEV最常从电网(在家中或使用街道或商店充电点)充电,而后者又由各种国内资源产生,例如煤炭,水电,核能等。 由于担心全球变暖,也可以使用家用或电网电源,例如光伏太阳能电池板,微水电或风电。 使用合适的电源,通常可以以不超过“0.5C”左右的速率实现良好的电池寿命,完全充电需要两到三个小时,但可以进行更快的充电。 充电时间通常受到电网连接容量的限制。 普通家庭电源插座可提供1.5千瓦(在美国,加拿大,日本和其他国家,110伏电源)和3千瓦(在230 V电源的国家)。 1995年,一些充电站在一小时内向BEV收费。 1997年11月,福特购买了AeroVironment生产的一种名为“PosiCharge”的快速充电系统,用于测试其Ranger EV车队,该车队的铅酸蓄电池在6到15分钟之间充电。 1998年2月,通用汽车公布了其“Magne Charge”系统的一个版本,该系统可以在大约十分钟内为镍氢电池充电,提供六十到一百英里的范围。 2005年,东芝的手持设备电池设计据称可以在短短60秒内接受80%的充电。 将此特定功率特性扩展到相同的7千瓦时EV包将导致在60秒内需要来自某些源的340千瓦功率峰值。 目前尚不清楚这种电池是否会直接在BEV中工作,因为热量积聚可能会使它们不安全。 充电时间 特斯拉Model S,雷诺佐伊,宝马i3等电动车可以在30分钟到80%的快速充电站为电池充电。 来自新加坡的研究人员在2014年开发出一种可在2分钟至70%后充电的电池。 电池依赖锂离子技术。 然而,电池中的阳极和负极不再由石墨制成,而是由二氧化钛凝胶制成。 凝胶显着加速化学反应,从而确保更快的充电。 特别是,这些电池将用于电动汽车。 早在2012年,慕尼黑路德维希 - 马克西米利安大学的研究人员已经发现了基本原理。 加利福尼亚州斯坦福大学的科学家开发出一种可在一分钟内充电的电池。 阳极由铝制成,阴极由石墨制成(参见铝离子电池)。 基于Rimac Concept One的Applus + IDIADA公司的电动车Volar-e包含可在15分钟内充电的磷酸铁锂电池。 根据制造商比亚迪的说法,电动汽车e6的磷酸铁锂电池在快速充电站充电15分钟到80%,40分钟后充电100%。 连接器 充电电源可以通过两种方式连接到汽车。 第一种是直接电连接,称为导电耦合。 这可能就像通过带有连接器的特殊高容量电缆进入防风雨插座一样简单,以保护用户免受高压。 插入式车辆充电的现代标准是美国的SAE 1772导电连接器(IEC 62196 Type 1)。 ACEA已选择VDE-AR-E 2623-2-2(IEC 62196 Type 2)在欧洲部署,没有闩锁,这意味着锁定机制不必要的额外功率要求。 第二种方法称为感应充电。 一个特殊的“桨”插入汽车的插槽。 桨是变压器的一个绕组,而另一个是内置在汽车中。 当插入桨叶时,它完成一个磁路,为电池组提供电源。 在一个感应充电系统中,一个绕组连接到汽车的下侧,另一个绕组停留在车库的地板上。 感应方法的优点是不存在触电的可能性,因为没有暴露的导体,尽管互锁,特殊连接器和接地故障检测器可以使导电耦合几乎同样安全。 感应充电还可以通过在船外移动更多的充电组件来减轻车辆重量。 1998年丰田公司提出的一种感应式充电器,整体成本差异很小,而福特的导电充电器则认为导电充电更具成本效益。 充电点 在法国,法国电力公司(EDF)和丰田公司正在为道路,街道和停车场的PHEV安装充电点。 EDF还与Elektromotive,Ltd。合作,从2007年10月起在伦敦和英国其他地方安装了250个新的充电点。 充电点也可以安装用于特定用途,如在出租车站。 在重新充电之前的旅行范围 BEV的范围取决于所用电池的数量和类型。 车辆的重量和类型以及地形,天气和驾驶员的表现也会产生影响,就像它们对传统车辆的行驶里程一样。 电动汽车转换性能取决于许多因素,包括电池化学成分: 铅酸电池是最便宜和最便宜的。 这种转换通常具有30至80千米(20至50英里)的范围。 采用铅酸电池生产的电动汽车每次充电可达130公里(80英里)。 NiMH电池比铅酸具有更高的比能; 原型电动车可提供高达200公里(120英里)的续航里程。 配备锂离子电池的新型电动车每次充电可提供320-480公里(200-300英里)的续航里程。 锂也比镍便宜。 镍锌电池比镍镉电池更便宜,更轻。 它们也比锂离子电池便宜(但不如光)。 寻找每个电动车制造商的范围与性能,电池容量与重量,电池类型与成本挑战之间的经济平衡。 使用交流系统或高级直流系统,再生制动可在极端交通条件下将范围扩展高达50%,而无需完全停止。 否则,在城市驾驶中,范围扩大了大约10%到15%,而在高速公路驾驶中,根据地形,可以忽略不计。 BEV(包括公共汽车和卡车)也可以使用发电机组拖车和推进式拖车,以便在需要时延长其范围,而无需在正常短程使用期间增加额外的重量。 卸载的基座拖车可以在路线点由充电的拖车替换。 如果租用,那么维护费用可以递延给代理商。 根据拖车和汽车类型的能源和动力系统,这种BEV可以成为混合动力汽车。 特斯拉跑车(2008-2012建造)每次充电可行驶245英里(394公里); 特斯拉Model S配备85千瓦时电池,续航里程为510公里(320英里)。 特斯拉Model S自2012年开始建造。售价约为100,000美元。 超级跑车Rimac Concept One拥有82千瓦时的电池,续航里程为500公里。 该车自2013年开始建造。 配备60千瓦时电池的纯电动汽车比亚迪e6的续航里程为300公里。 最畅销的日产Leaf型号2016年,30千瓦时电池,续航里程为172公里。 拖车 拖车中携带的腋下电池容量可以增加整个车辆的行驶里程,但也会增加由于气动阻力引起的动力损失,增加重量传递效应并降低牵引能力。 热效应 一些电池的内阻可能在低温下显着增加,这可能导致车辆范围和电池寿命的显着减小。 交换和删除 充电的替代方案是用完全充电的电池更换耗尽或几乎耗尽的电池(或电池范围扩展器模块)。 这称为电池交换,在交换站完成。 另一方面,MIRA宣布推出一款改装型混合转换套件,该套件提供可拆卸电池组,可插入墙壁插座进行充电。 此外,XP车辆使用无延长线充电热插拔电池(可拆卸电源组在家中充电,无需延长线)。 交换站的功能包括: 消费者不再关心电池资金成本,生命周期,技术,维护或保修问题; 交换速度远远快于充电:Better Place公司制造的电池交换设备在不到60秒的时间内展示了自动交换; 交换站通过电网增加了分布式能量存储的可行性; 对交换站的担忧包括: 欺诈的可能性(电池质量只能在整个放电周期内测量;电池寿命只能在重复放电周期内测量;交换交易中的电池寿命无法知道它们是否会使电池损坏或降低;电池质量会慢慢降低时间,所以磨损的电池会逐渐被迫进入系统) 制造商不愿意标准化电池访问/实施细节 安全问题 重新填充 锌 - 溴液流电池可以使用液体重新填充,而不是通过连接器充电,从而节省时间。 租赁 三家公司正在制定电池租赁计划。 Greenstop已完成ENVI Grid Network的试验,使消费者能够轻松监控和充电电动车电池。 Think Car USA计划为其City电动车租赁电池,明年开始销售。 Better Place正在为消费者创建一个系统,以“订购”提供充电站和电池更换的服务。 电力公司正在考虑计划,包括向用户提供电动汽车(以低价格)并从销售能源中获取利润。 V2G和后使用 智能电网允许BEV随时为电网供电,尤其是: 在高峰负荷期间(当电力销售价格非常高时。这些车辆可以在非高峰时段以更低的价格充电,同时有助于吸收过多的夜间发电。这里的车辆用作分布式电池存储系统。缓冲电源。) 在停电期间,作为备用 太平洋天然气和电力公司(PG&E)建议公用事业公司可以购买废旧电池用于备用和负载均衡。 他们指出,虽然这些废旧电池可能不再可用于车辆,但它们的剩余容量仍具有重要价值。 寿命 单个电池通常被安排在各种电压和安培小时容量产品的大电池组中,以提供所需的能量容量。 在计算延长的拥有成本时应考虑电池的使用寿命,因为所有电池最终都会耗尽并且必须更换。 它们到期的速度取决于许多因素。 放电深度(DOD)是电池达到额定周期的总可用储能的推荐比例。 深循环铅酸蓄电池一般不应排放到总容量的20%以下。 更现代的配方可以存活更深的周期。 在现实世界中,使用镍氢电池的一些车型丰田RAV4电动车已超过100,000英里(160,000公里),日常航程几乎没有降级。 引用该报告的结论评估: “五车测试证明了镍氢电池和电动传动系统的长期耐久性。迄今为止,只有五分之四的车辆出现了轻微的性能下降...... EVTC测试数据提供了强有力的证据表明所有五辆车都将超过100,000英里(160,000公里)的标记.SCE的积极经验表明,130,000至150,000英里(240,000公里)的镍氢电池和动力传动系的使用寿命非常可能。因此,EV可以匹配或超过可比内燃机车辆的生命周期里程。 “2003年6月,SCE机队的320辆RAV4电动车主要由抄表员,服务经理,现场代表,服务规划人员和邮件处理人员以及安保巡逻队和拼车使用。在五年的运营中,RAV4 EV车队已经登陆超过690万英里,消除了大约830吨的空气污染物,并防止了超过3700吨的尾气排放二氧化碳。鉴于其电动汽车迄今为止的成功运行,SCE计划在它们全部记录下来之后继续使用它们。千里“。 锂离子电池在某种程度上易腐烂; 即使不使用它们,它们每年也会失去一些最大存储容量。 镍氢电池的容量损失要小得多,而且它们的存储容量也便宜,但是对于相同的重量,最初的总容量较低。 Jay Leno的1909年Baker Electric(参见Baker Motor Vehicle)仍然使用其最初的Edison电池。 由于缺乏定期维护(例如ICEV所需的油和过滤器更换)以及由于移动部件较少而导致的BEV的更高可靠性,BEV的电池更换成本可能部分或完全抵消。 它们还消除了许多其他通常需要在普通汽车中维修和维护的部件,例如变速箱,冷却系统和发动机调整。 当电池最终需要最终更换时,它们可以替换为可能提供更好性能特性的后代电池。 据制造商称,磷酸铁锂电池在各自放电深度达到70%以上时达到了50%以上.BYD是世界上最大的磷酸铁锂电池制造商,通过精密制造开发了各种用于深循环应用的电池。 。 这种电池用于固定存储系统。 在7500次循环后,放电率为85%,它们仍然具有至少80%的备用容量,速率为1℃; 这相当于每天的完整周期到最小的生命周期。 20。5年。 索尼Fortelion磷酸铁锂电池在100%放电水平后经过10,000次循环后仍具有71%的剩余容量。 这款蓄能器自2009年上市以来。 用于太阳能电池锂离子电池具有部分非常高的循环电阻,超过10,000次充电和放电循环,使用寿命长达20年。 Plug-in America是Tesla Roadster(2008)的驱动程序之一,这是一项针对已安装电池的使用寿命进行的调查。 结果发现,在100,000英里= 160,000千米后,电池仍然具有80%至85%的剩余容量。 这与汽车在哪个气候区移动无关。 特斯拉敞篷跑车于2008年至2012年间建成并销售。对于特斯拉型号中的85千瓦时电池,特斯拉的8年质保,无限里程。 Varta Storage放弃了他的家庭工作[需要澄清]家庭和工程家庭保证14,000个完整周期和10年的使用寿命。 截至2016年12月,世界上最畅销的电动车是日产Leaf,自2010年成立以来售出超过25万台。日产在2015年表示,在此之前只有0.01%的电池需要更换,因为失败或问题然后只是因为外部造成的损害。 有几辆车已经超过20万公里; 这些电池都没有任何问题。 回收 在其使用寿命结束时,电池可以回收利用。 安全 电池电动车的安全问题主要由国际标准ISO 6469处理。本文件分为三个部分,涉及具体问题: 车载电能存储,即电池 功能安全意味着防止故障 保护人员免受电气危害。 消防员和救援人员接受特殊培训,以应对电动和混合动力汽车事故中遇到的更高电压和化学品。 虽然BEV事故可能会出现异常问题,例如电池快速放电引起的火灾和烟雾,许多专家认为BEV电池在商用车辆和后端碰撞中是安全的,比带有后置汽油箱的汽油推进式汽车更安全。 通常,电池性能测试包括确定: 充电状态(SOC) 健康状况(SOH) 能源效率 性能测试根据汽车制造商(OEM)的要求规范模拟电动车辆(BEV),混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)的传动系统的行驶周期。 在这些驾驶循环期间,可以执行电池的受控冷却,从而模拟汽车中的热状况。 此外,气候室确保在表征过程中保持恒定的环境条件,并允许在覆盖气候条件的整个汽车温度范围内进行模拟。 专利 专利可用于抑制该技术的开发或部署。 例如,与汽车中镍氢电池的使用相关的专利由石油公司雪佛龙公司(Chevron Corporation)的分支机构持有,该公司在任何销售或许可NiMH技术方面都拥有否决权。 研究,开发和创新 研发杂志的着名研发100奖 - 也被称为“发明的奥斯卡奖” - 2008年: 阿贡国家实验室获得了用于混合动力汽车的EnerDel / Argonne大功率锂离子电池奖 - 这是一种高度可靠且极其安全的装置,重量更轻,更紧凑,更强大,持续时间比镍氢电池更长在今天的混合动力电动汽车中发现的(Ni-MH)电池。 劳伦斯伯克利国家实验室:用于可充电锂电池的纳米结构聚合物电解质 - 一种聚合物电解质,能够开发具有足够高的特定能量的可充电锂金属电池,以“实现电池驱动的运输技术”。 未来 电动汽车(如日产Leaf)预计2020年在美国的年销量为100,000辆,全球销量为130万辆 - 预计2020年将售出7100万辆汽车的1.8%。另有390万辆插件和混合动力车将在全球范围内销售,使电动和混合动力市场总量达到2020年所售汽车总量的7%左右。 法国汽车零部件集团Bolloré开发了一款概念车“Bluecar”,采用由子公司Batscap开发的锂金属聚合物电池。 它的射程为250公里,最高时速为125公里/小时。