电动汽车的发展现状和开发动向（下）
2002-04-24 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
3 EV的现状和开发动向
EV是由电池和电动机驱动。近年来,由于高性能电池的研究有了较大的进展,出现了能在一定程度上满足用户要求的EV。然而,EV在价格及技术上等还有很多函待解决的课题,在性能上不如现有常规汽车,还未能普及。
3.1 电源技术
图4 有代表性的EV用蓄电池的能量密度
作为EV的电源系统,除蓄电池以外,现在研究开发的还有燃料电池、飞轮、电容器等。以下简介各种蓄能技术的现状。
(1) EV用蓄电池:
作为EV用蓄电池必需满足:1．贮能密度高(一次充电行驶距离长);2．能量输出密度高(加速性能、爬坡性能好);3．寿命长;4．维修、保养费低;5．安全性高(包括对环境的安全性);6．价格低,有再利用性等技术要求。
现在实际使用中的主要蓄电池的贮能密度和能量输出密度等特性示于图4[2]。汽油的发热量是8320kcal/l,若把它换算成能量密度大约是13073Wh/kg(汽油的密度为0.74g/cm3),以常规汽车的效率为12%来计算,它的能量密度是1569Wh/kg,与最佳的锂(Li)电池比较、汽油的贮能密度大两个数量级。
现在,世界很多国家政府在高性能电池开发上进行了大量的投资。美国政府能源部和若干电力公司于1992年成立了USABC公司联合进行新型电池的开发,目标是2000年前研究开发出实用化的Ni-MH电池,在2000～2010年研究开发出实用性Li系电池,Li-FeS2电池等。欧州以SAFT为中心也在研究开发Ni-MH电池和Li-ion电池,同时对Ni-Cd电池也在进行研究开发。日本以LIBES公司为中心,从1992年开始以10年计划开发适合EV实用的大容量Li系电池。除各国政府外,汽车制造业和电池制造业也联合成立了电池开发及生产企业进行积极的共同开发。如由GM和Ovonic联合成立的GM-Ovonic公司(开发Ni-MH电池),由丰田和松下联合成立的PanasonicEVEnergy公司(开发Ni-MH电池),日产和SONY在共同开发Li-ion电池,Benz和BallardPow-erSystem在共同开发燃料电池等。
(2) 燃料电池(FuelCell:
FC):FC是以燃料的电化学反应发电,只要不断提供燃料就可以不断发电,它具有发电效率高,低噪音及低公害等特点,作为将来的汽车电源可解决蓄电池的一次充电行驶距离短等问题。近年,Ballard、Benz、丰田等汽车公司正在对其加强研究开发并有所进展。各大汽车公司相继公布了将在2003至2005年燃料电池电动汽车将投入市场。但是,现有水平的燃料电池单位体积的能量密度较低,体积较大,今后要求其小型化、造价低、负荷变动性强、改善出力密度等。
(3) 太阳能电池:
太阳能电池汽车无公害,而且利用取之不尽的太阳能资源,是最理想的EV用电源。但太阳能电池的性能低,实用受天气的限制,对要求在各种环境下实用汽车来说,作为主电源利用的可能性不大。
(4) 超电容器:
超电容器虽不是电池,但因可辅助提高蓄电池或燃料电池在快速起动时的输出密度,而且在汽车制动回收再生电流时可对短时间大电流急速充电起缓和作用,所以也受到注目。超电容器的问题也是能量密度低(比铅酸蓄电池小一个数量级)。最近日本和美国都在研究开发高能量密度的超电容器。
(5) 飞轮(FW):
飞轮的输出密度大,所以,它适合于加减速时的能量贮放,但其存在机械磨损、单位重量密度低等问题。上述各种能量贮藏形态的密度示于图5[4],各种能量贮藏形态的贮能密度大小顺序是:汽油>甲醇>H2燃料电池>Zinc-Air电池>Li系电池>Pb系电池>飞轮>电容器。从能量输出密度来看,飞轮和电容器的能量输出密度是Pb系电池的10倍以上。现在开发中的EV与常规汽车相比有一次充电行驶距离短,加速和爬坂性能差,充电时间长,需要大量的电池而使车辆性能和居住性恶化等问题,这些问题的解决都取决于电池技术的发展,不改善电池性能,就不能改变EV的现状。可以说EV的发展是电池技术的发展。为了弥补蓄电池的性能不足,发动机和蓄电池混合使用的混合型EV(HybridEV:HEV)的开发也受到重视,如丰田公司开发的混合型HEV-Plus(Ni-MH电池)。油耗仅有常规汽车的近三分之一,已达到28公里/升。
图5 各种能量贮藏形态的密度
3.2 驱动系统的技术
动向直流电动机适合于用作驱动电机并且其控制系统比较简单,但缺点是价格高,重量大,而且回转部分的惯性是相同容量交流电机的3～5倍,因此对于需要频繁加减速的汽车来说,在加减速时回转部分的惯性将使能量消费大,所以仅在部分轻型级EV上被采用。作为EV的驱动系统,交流电动机是最佳的选择,电动机的最高效率已达96%,并且其与变速机的优化系统也已开发成功。
3.3 其它相关技术的研究动向
(1) 控制系统:EV的一个主要的优点是,电动机可以作为发动机在制动时把车辆的运动能再生为电能回收,通过这一制动再生可节省能量,并使EV的一次充电行驶距离增加10～20%,但是,因存在对满量电池的过充电及急速充电等问题,使电动机和蓄电池的工作条件变得很复杂,对控制系统也提出了很高的要求。为解决这些问题,现在的EV多采用机械制动机(油压)和再生制动机(电)进行权衡性控制的方法,并取得了很好的效果,采用这一再生制动方法的EV-RAV4(丰田公司)的一次充电行驶距离提高了20%[5]。
(2) 充电系统:短时间高效率的充电系统的开发也在受重视[6-8]。现在的EV均需装备专用充电器,所以,充电器的通用化、充电控制系的规范化、充电联接器的标准化等也是影响EV普及的重要问题。为彻底消除用户触电的危险性,电磁诱导非接触式充电器的开发在受重视。
(3) 空调系统:汽车的空调一般需要3～5kW的电力,特别是在夏季它将消费汽车动力的10～20%,所以,空调装置也是EV开发的重点之一。丰田公司开发的RAV4EV采用循环室内空气,只在车窗部分通入新鲜空气消除车窗成雾的全新二层流空调系统,在-10℃～40℃的外气温范围下成功地把电力消费控制在了1kW以下[5]。
4 结论
本文就EV的现状和开发动向进行了总体论述。因现有的EV价格是常规汽车的约3倍,使其普及困难。电池是EV的心脏,高性能电池的开发是EV能否大量生产和普及的关键。以EV应用为目的所开发的高性能Ni-MH电池和Li-ion电池虽然贮能密度等性能还不能令人十分满意,但已进入实用阶段,今後最关键的问题是低价格化及进一步高性能化。限制汽车废气污染已在世界许多国家法律化,中国也在积极努力。但是,迄今为止,中国EV的整体水准还不高,其问题是也是在电池,高效轻量电机及先进能量管理系统等关键技术方面未有较大的突破,与世界先进水准相比还落后。将来中国的汽车工业能在世界生存下去,就必需在开发高效率燃油汽车、低污染、无公害新技术的同时,把新能源汽车的开发也放在重要的地位。
(阿布里提.阿布都拉,清水健一 电工电能新技术)
EV是由电池和电动机驱动。近年来,由于高性能电池的研究有了较大的进展,出现了能在一定程度上满足用户要求的EV。然而,EV在价格及技术上等还有很多函待解决的课题,在性能上不如现有常规汽车,还未能普及。
3.1 电源技术
图4 有代表性的EV用蓄电池的能量密度
作为EV的电源系统,除蓄电池以外,现在研究开发的还有燃料电池、飞轮、电容器等。以下简介各种蓄能技术的现状。
(1) EV用蓄电池:
作为EV用蓄电池必需满足:1．贮能密度高(一次充电行驶距离长);2．能量输出密度高(加速性能、爬坡性能好);3．寿命长;4．维修、保养费低;5．安全性高(包括对环境的安全性);6．价格低,有再利用性等技术要求。
现在实际使用中的主要蓄电池的贮能密度和能量输出密度等特性示于图4[2]。汽油的发热量是8320kcal/l,若把它换算成能量密度大约是13073Wh/kg(汽油的密度为0.74g/cm3),以常规汽车的效率为12%来计算,它的能量密度是1569Wh/kg,与最佳的锂(Li)电池比较、汽油的贮能密度大两个数量级。
现在,世界很多国家政府在高性能电池开发上进行了大量的投资。美国政府能源部和若干电力公司于1992年成立了USABC公司联合进行新型电池的开发,目标是2000年前研究开发出实用化的Ni-MH电池,在2000～2010年研究开发出实用性Li系电池,Li-FeS2电池等。欧州以SAFT为中心也在研究开发Ni-MH电池和Li-ion电池,同时对Ni-Cd电池也在进行研究开发。日本以LIBES公司为中心,从1992年开始以10年计划开发适合EV实用的大容量Li系电池。除各国政府外,汽车制造业和电池制造业也联合成立了电池开发及生产企业进行积极的共同开发。如由GM和Ovonic联合成立的GM-Ovonic公司(开发Ni-MH电池),由丰田和松下联合成立的PanasonicEVEnergy公司(开发Ni-MH电池),日产和SONY在共同开发Li-ion电池,Benz和BallardPow-erSystem在共同开发燃料电池等。
(2) 燃料电池(FuelCell:
FC):FC是以燃料的电化学反应发电,只要不断提供燃料就可以不断发电,它具有发电效率高,低噪音及低公害等特点,作为将来的汽车电源可解决蓄电池的一次充电行驶距离短等问题。近年,Ballard、Benz、丰田等汽车公司正在对其加强研究开发并有所进展。各大汽车公司相继公布了将在2003至2005年燃料电池电动汽车将投入市场。但是,现有水平的燃料电池单位体积的能量密度较低,体积较大,今后要求其小型化、造价低、负荷变动性强、改善出力密度等。
(3) 太阳能电池:
太阳能电池汽车无公害,而且利用取之不尽的太阳能资源,是最理想的EV用电源。但太阳能电池的性能低,实用受天气的限制,对要求在各种环境下实用汽车来说,作为主电源利用的可能性不大。
(4) 超电容器:
超电容器虽不是电池,但因可辅助提高蓄电池或燃料电池在快速起动时的输出密度,而且在汽车制动回收再生电流时可对短时间大电流急速充电起缓和作用,所以也受到注目。超电容器的问题也是能量密度低(比铅酸蓄电池小一个数量级)。最近日本和美国都在研究开发高能量密度的超电容器。
(5) 飞轮(FW):
飞轮的输出密度大,所以,它适合于加减速时的能量贮放,但其存在机械磨损、单位重量密度低等问题。上述各种能量贮藏形态的密度示于图5[4],各种能量贮藏形态的贮能密度大小顺序是:汽油>甲醇>H2燃料电池>Zinc-Air电池>Li系电池>Pb系电池>飞轮>电容器。从能量输出密度来看,飞轮和电容器的能量输出密度是Pb系电池的10倍以上。现在开发中的EV与常规汽车相比有一次充电行驶距离短,加速和爬坂性能差,充电时间长,需要大量的电池而使车辆性能和居住性恶化等问题,这些问题的解决都取决于电池技术的发展,不改善电池性能,就不能改变EV的现状。可以说EV的发展是电池技术的发展。为了弥补蓄电池的性能不足,发动机和蓄电池混合使用的混合型EV(HybridEV:HEV)的开发也受到重视,如丰田公司开发的混合型HEV-Plus(Ni-MH电池)。油耗仅有常规汽车的近三分之一,已达到28公里/升。
图5 各种能量贮藏形态的密度
3.2 驱动系统的技术
动向直流电动机适合于用作驱动电机并且其控制系统比较简单,但缺点是价格高,重量大,而且回转部分的惯性是相同容量交流电机的3～5倍,因此对于需要频繁加减速的汽车来说,在加减速时回转部分的惯性将使能量消费大,所以仅在部分轻型级EV上被采用。作为EV的驱动系统,交流电动机是最佳的选择,电动机的最高效率已达96%,并且其与变速机的优化系统也已开发成功。
3.3 其它相关技术的研究动向
(1) 控制系统:EV的一个主要的优点是,电动机可以作为发动机在制动时把车辆的运动能再生为电能回收,通过这一制动再生可节省能量,并使EV的一次充电行驶距离增加10～20%,但是,因存在对满量电池的过充电及急速充电等问题,使电动机和蓄电池的工作条件变得很复杂,对控制系统也提出了很高的要求。为解决这些问题,现在的EV多采用机械制动机(油压)和再生制动机(电)进行权衡性控制的方法,并取得了很好的效果,采用这一再生制动方法的EV-RAV4(丰田公司)的一次充电行驶距离提高了20%[5]。
(2) 充电系统:短时间高效率的充电系统的开发也在受重视[6-8]。现在的EV均需装备专用充电器,所以,充电器的通用化、充电控制系的规范化、充电联接器的标准化等也是影响EV普及的重要问题。为彻底消除用户触电的危险性,电磁诱导非接触式充电器的开发在受重视。
(3) 空调系统:汽车的空调一般需要3～5kW的电力,特别是在夏季它将消费汽车动力的10～20%,所以,空调装置也是EV开发的重点之一。丰田公司开发的RAV4EV采用循环室内空气,只在车窗部分通入新鲜空气消除车窗成雾的全新二层流空调系统,在-10℃～40℃的外气温范围下成功地把电力消费控制在了1kW以下[5]。
4 结论
本文就EV的现状和开发动向进行了总体论述。因现有的EV价格是常规汽车的约3倍,使其普及困难。电池是EV的心脏,高性能电池的开发是EV能否大量生产和普及的关键。以EV应用为目的所开发的高性能Ni-MH电池和Li-ion电池虽然贮能密度等性能还不能令人十分满意,但已进入实用阶段,今後最关键的问题是低价格化及进一步高性能化。限制汽车废气污染已在世界许多国家法律化,中国也在积极努力。但是,迄今为止,中国EV的整体水准还不高,其问题是也是在电池,高效轻量电机及先进能量管理系统等关键技术方面未有较大的突破,与世界先进水准相比还落后。将来中国的汽车工业能在世界生存下去,就必需在开发高效率燃油汽车、低污染、无公害新技术的同时,把新能源汽车的开发也放在重要的地位。
(阿布里提.阿布都拉,清水健一 电工电能新技术)
