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详解电动汽车发展新思路,燃料电池与电池混合

来源:宝鄂实业    2019-03-29 14:28    点击量:
在纯电动、氢燃料电池汽车规模推广和普及仍需诸多技术、基础突破的当下,“电电混合”这一技术路线呼声渐高。
 
在10月举办的中韩汽车论坛上,中国汽车工程学会、宇通、上汽等代表提及这一课题。中国汽车工程学会常务副理事长兼秘书长张进华表示:从技术上来说,这几年形成一个比较有规模特色的,用“电电混合”动力系统,就是燃料电池和电池的混合,这是目前比较符合燃料电池的发展水平,也符合燃料电池的技术特点,特别在商用车上。从2015年、2016年以来,到目前在氢能燃料电池发展,地方热情高于中央。很多是地方推动的研发和应用发展。
 
 
宇通客车燃料电池开发高级经理李飞强表示,宇通在做一个动力系统参数的匹配,以公交工况为例,计算出驱动系统平均功率,包括动力性的匹配动力性的功率,最后达到燃料电池和动力电池最优的匹配。能量管理方面基于燃料电池动力系统耐久性多约束条件分析,研究电电混合动力系统多层工作模式划分机制,通过基于滞环区间的有限状态能量管理控制技术,提升动力系统的耐久性。
 
上汽集团前瞻技术研究部程伟表示,从汽车用户角度、行业角度看,燃料电池车和纯电动是相互补充的,是燃料电池和锂电电池的关系。短期来看是一个补充关系,因为对燃料电池车动力系统架构仍然需要动力电池,启动的时候辅助系统需要高压的供电,在车辆制动的时候能量回收需要动力电池,动态加速也需要动力电池的补充。燃料电池和纯电动在中长期来讲还是竞争关系。
 
 
在9月举办的2018全球未来出行论坛上,不少车企谈到对锂电池和氢燃料电池相结合的“电电混合”汽车的探索。同济大学汽车学院教授章桐在接受记者采访时表示,针对目前国内燃料电池功率普遍偏小的现状,“电电混合”是当下较为适合中国国情的发展路线。
 
此前,也有国内某电池专家在一次会议上提到,做燃料电池的人完全可以考虑电电混合或者是做一个增程式的燃料混合动力车。氢燃料电池汽车与纯电动汽车两条发展路线并非是绝对平行的,两者也可有交集,实现两种路线的优势互补。
 
中国在这一技术路线上起步并不晚于国外。在去年年底举行的第二届氢能与燃料电池产业发展国际交流会上,长江公交“氢”装上阵,实现动力电池与氢燃料电池“电电增程”方式的商业化运营。
 
 
国内锂电池产业拥有一定优势,发展“电电混合”技术路线较为实用,也更具经济性。通过与锂电池结合,能在合理的范围内适当降低燃料电池系统的功率,从而起到降低产品成本的目的。
 
业内人士指出,燃料电池存在动态响应速度慢问题,当车辆的运行状态在极短的时间内发生急剧变化(如起步、急加速),动力系统往往无法达到车辆所需的功率,但锂电池恰好就能解决这些问题。由锂电池提供车辆加速、减速等非稳态下所需的大功率,而燃料电池则用来提供稳定工况下的输出功率。“电电混合”能通过锂电池解决电动汽车的电控问题,同时用氢燃料电池来解决电动汽车的续航问题。
 
 
以长江电动客车作为开发平台的广东泰罗斯汽车动力系统公司已通过国家强制性测试,进入国家氢能车公告目录并进行小批量生产。明年将形成批量生产能力。
 
氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源。从目前看,新能源车主流方向是纯电动,但从未来看,氢动力应该是终极之路。自2015年丰田推出“未来”、本田推出“清晰”、现代推出“NEXO”氢燃料电池汽车量产后,日韩汽车企业的超前行动对汽车行业冲击很大,中国开始追赶。
 
 
业内人士认为,“电电混合”并不是过渡阶段的技术路线,这一路线将长期存在,且未来氢燃料电池系统在“电电混合”汽车产品中所起到的作用会越来越大,发展大功率的氢燃料电池系统势在必行。
 
留给我们的窗口期已经不多,单纯依靠纯电动的技术路线并不能满足市场替代战略的现实需求,电动汽车与可再生能源的结合将是实现突破的关键,现阶段氢-电混合将是较适合的技术路线,将在替代燃油汽车细分市场战略中发挥主力作用。
磷酸铁锂电池的全名是磷酸铁锂锂离子电池,这名字太长,简称为磷酸铁锂电池。由于它的性能特别适于作动力方面的应用,则在名称中加入“动力”两字,即磷酸铁锂动力电池。也有人把它称为“锂铁(LiFe)动力电池”。
 
意义
 
截止本人增补此词条(2013年4月24日),金属交易市场,钴(Co)最贵,并且存储量不多,镍(Ni)、锰(Mn)较便宜,而铁(Fe)最便宜。正极材料的价格也与这些金属的价格行情一致。因此,采用LiFePO4正极材料做成的锂离子电池应是最便宜的。它的另一个特点是对环境无污染。
 
作为充电电池的要求是:容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定性能、使用中安全(不会因过充电、过放电及短路等操作不当而引起燃烧或爆炸)、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。采用LiFePO4作正极的磷酸铁锂电池在这些性能要求上都不错,特别在大放电率放电(5~10C放电)、放电电压平稳上、安全上(不燃烧、不爆炸)、寿命上(循环次数)、对环境无污染上,它是最好的,是目前最好的大电流输出动力电池。
 
结构与工作原理
 
LiFePO4电池的内部结构如图1所示。左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极,由铝箔与电池正极连接,中间是聚合物的隔膜,它把正极与负极隔开,但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过,右边是由碳(石墨)组成的电池负极,由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质,电池由金属外壳密闭封装。
 
LiFePO4电池在充电时,正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移;在放电过程中,负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。
 
主要性能
 
LiFePO4电池的标称电压是3.2V、终止充电电压是3.6V、终止放电压是2.0V。由于各个生产厂家采用的正、负极材料、电解质材料的质量及工艺不同,其性能上会有些差异。例如同一种型号(同一种封装的标准电池),其电池的容量有较大差别(10%~20%)。
 
磷酸铁锂动力电池主要性能列于表1。为了与其他可充电电池的相比较,也在表中列出其他种类可充电电池性能。这里要说明的是,不同工厂生产的磷酸铁锂动力电池在各项性能参数上会有一些差别;另外,有一些电池性能未列入,如电池内阻、自放电率、充放电温度等。
 
磷酸铁锂动力电池的容量有较大差别,可以分成三类:小型的零点几到几毫安时、中型的几十毫安时、大型的几百毫安时。不同类型电池的同类参数也有一些差异。这里再介绍一种目前应用较广的小型标准圆柱形封装的磷酸铁锂动力电池的参数。其外廓尺寸:直径为18mm、高650mm(型号为18650),其参数性能如表2所示。
 
过放电到零电压试验
 
采用STL18650(1100mAh)的磷酸铁锂动力电池做过放电到零电压试验。试验条件:用0.5C充电率将1100mAh的STL18650电池充满,然后用1.0C放电率放电到电池电压为0C。再将放到0V的电池分两组:一组存放7天,另一组存放30天;存放到期后再用0.5C充电率充满,然后用1.0C放电。最后比较两种零电压存放期不同的差别。
 
试验的结果是,零电压存放7天后电池无泄漏,性能良好,容量为100%;存放30天后,无泄漏、性能良好,容量为98%;存放30天后的电池再做3次充放电循环,容量又恢复到100%。

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