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东欧电动汽车专家:新能源汽车及其电池设计和发展

特普生科技 特普生科技 2023-05-15 12 295
本文来源于国际能源署LEA,目的在了解全球电动汽车电池供应链。鸣谢 自主研制NTC芯片的特普生储能CCS集成温度采集母排,对本文的大力支持,感谢特普生海外技术翻译官林博女士!

电池是整辆新能源汽车中最昂贵、最重要,也是是最具争议的部分。电动汽车的反对者通常将电池列为主要问题——除了价格高之外,他们还提到寿命短、需要提前更换、续航里程不足以及回收时对环境造成的影响一系列的问题。

许多指控曾经是正确的,但在今天已经无法成立。我们将首先探讨电池是如何设计的,它们最重要的参数是什么,另外本文还将介绍它们的容量、续航里程和使用寿命,最后,我们也将简要概述电动汽车电池的发展。

电池设计

电动汽车的电池因制造商而异,每家生产的电池也都略有不同,但基本上它们都是以相同的方式即基本电池单元和模块构成的。

电池由数百个(有时是数千个)小电池单元组成,这些电池单元以串联或并联方式连接以达到所需的电压和电流。每个电池单元的电压为 3-4V。目前使用三种类型:圆柱形、棱柱形和袋形,每种都有其优点和缺点。

特斯拉使用圆柱形电池,它们的主要优势是制造成熟度和高度优化。它也是效率最高的最便宜的选择。

宝马和大众使用更紧凑、更易于冷却且制造成本低廉的棱柱形电池,但它们的能量密度低且充放电循环次数存在问题。日产、雷诺和雪佛兰使用在单个模块设计和容量方面最灵活的软包电池,但需要仔细控制温度和压力。

电池单元形成电池模块,电池模块是每个电池的构建块。这种安排使生产、安装、管理和维护更容易。如有必要,可以更换各个模块,即使在发生火灾时,这种布置也有助于降低其膨胀率。

电池模块

重要电池参数

电动汽车电池制造商必须平衡许多重要需求。作为一款电动汽车,电池的重量和尺寸绝对是至关重要的。出于这个原因,研究人员和制造商关心比能量或能量密度——这是每单位重量或体积的能量(即 Wh/kg 或 Wh/l)。
当前研究竞赛朝着具有最高能量密度的电池展开。有些人关注单个电池单元的能量密度,而另一方面,其他人则更关注整个模块的密度,其中电池的形状及其排列也会发挥作用。
电池可以保持其特性的充电和放电循环次数也很重要,因为它表明了电池的整体寿命。通常电池可以使用 1000 - 1500 次循环,但已经有一些电池可以承受 7000 次充电。
最后同样重要的是,价格因素。到目前为止,它约占电动汽车总价格的 30%。通常我们会遇到每单位能源的价格--是美元/千瓦时。2010年还是1100美元/千瓦时,2019年只有156美元/千瓦时。我们可能会在 2024 年低于 100 美元/千瓦时的预期限制。这是更高的电池效率、更高的能量密度和更好的生产过程自动化的结果。电池价格的降低有望使电动汽车的价格与内燃机汽车的价格处于同一水平。

电池容量和范围

电动汽车电池的容量及其续航里程也是至关重要的。

根据现有技术,给出了各种类型电池的最大比能量,并努力平衡重量、价格和续航里程。当今市场上的电池容量从 16 kWh(三菱和 MiEV)到 90 kWh(特斯拉 S)不等。

一般来说,铅电池续航里程在30-80公里,镍电池可达200公里,锂电池320-480公里。再生制动可以将制动产生的能量传输回电池,然后再次使用,在正常的城市交通中可以将续航里程延长 10-15%,在极端条件下最多可以延长 50%。

此外,电池的续航范围取决于许多不同的因素,例如天气。在配备内燃机的汽车中,汽车会因发动机产生的热量而变暖,而在电动汽车中,则需要牺牲部分电池容量来预热。在极端条件下,打开空调会使续航里程减少多达 96 公里。当然,续航里程取决于地形、驾驶技能、重量和车辆类型——这与内燃机汽车完全相同。

电池寿命

最常见的问题之一是电池容量的早期损失和更换电池的需要。然而,据大多数司机的经验表明,对于具有先进电池管理系统 (BMS) 的电池来说,这种担忧是没有根据的。

除了BMS,车载充电器和充电站(电源)也参与充电,并不断相互通信,使充电不危及电池寿命。

日产聆风在 2010 年至 2016 年间售出超过 25 万辆汽车,仅需更换 0.01% 的电池。许多汽车行驶了超过 200,000 公里,并在此期间保留了 90% 的电池容量。而特斯拉Tesla Roadsters , 即使在超过 160,000 公里之后,仍保留了 80-85% 的容量,无论行驶的气候带如何。

电动汽车的电池一般只有少数几个电池有缺陷,由于模块化排列,可以很容易地更换它们,然后电池就可以毫无问题地继续发挥作用。特斯拉 Model S 为其电池提供 8 年保修。此外,据估计,锂电池和太阳能电池板的使用寿命可达 20 年以上。

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日产聆风推出锂离子电池

电池保养、二次生命和回收

电池容量和寿命不仅取决于电池的类型和电池中发生的化学反应,还取决于驾驶员的行为和他的注意事项。深循环锂电池的放电量不应低于其总容量的 20%。对于新一代,可以多放一点,但决不能完全放完。一些制造商“锁定”一部分电池容量,确保电池永远不会放电过多。例如,福特已开始标明其汽车的可用电池容量,以考虑到这一事实。

同样重要的是,尽可能使用“慢速”交流充电站为电池充电。20千瓦以上的直流充电站专为长途旅行而设计,但不应滥用。一旦电池不再足以满足电动汽车的运行需求,就会出现另外两种选择,二次生命和回收利用。

如果电池不再适合电动汽车的运行,就有可能赋予它第二次生命,不需要那么高的容量。电池最常用作固定电池储能装置。可再生能源的主要问题一直是其生产与消费之间的差异和存储选择不足,而这正是电动汽车电池可以解决的问题。它们不会成为环境的负担,而是可以帮助我们增加可再生能源的份额。

回收是最后一步,其目标是使用最少的能量回收最大量的废旧材料。欧盟指令要求制造商主动收集电池并自费回收。最困难的部分是电池单体的直接回收和用于化学反应的金属的分离。然而,即使使用钴,也可以实现高达 85% 的效率。

电池的发展历程是怎样的?

他们的未来呢?

最后,让我们回顾一下电动汽车电池的历史是怎样的?

最早出现于 20 世纪初的第一辆电动汽车使用铅电池作为动力。这很容易获得,最重要的是,廉价电池在当时已经非常先进。铅蓄电池的主要缺点是它们永远不能放电到 50% 以下,并且需要定期监测电解质。同时它们比较重,占电动汽车总重量的25-50%。铅蓄电池的使用寿命约为三年。

与其他电池一样,与汽油或其他化石燃料相比,铅电池的比能较低。在这种情况下为 30-50 Wh/kg。其正常效率为 70-75%,在寒冷天气下,效率会进一步降低高达 40%。

1959年:亨尼千瓦电动汽车由Eureka Williams Corporation推出,最高速度为60英里/小时,范围为60英里,但仅生产了100辆车

后来出现了镍氢电池。它们比铅电池具有更好的比能量,此外,它们的使用寿命也很长。放置在第一辆丰田 RAV4 混合动力汽车中的电池在行驶了 16 万多公里和 10 多年后仍然可以正常工作。

一些电动汽车的反对者所担心的,即电池不会持续很长时间,需要尽快更换,这对于上一代电池来说已不再适用。但缺点是效率低、自放电率高和耐寒性能差。然后发明了称为Zebra的电池。要使用它们,必须将电解质加热到 270°C,因此,寒冷的天气对它们来说不再是问题。只有最初的供暖成本增加了。此外,它们无毒且具有更高的比能量——高达120Wh/kg。但它的功率非常低,<300 W/kg,并且需要进行初始预热是很危险的。主要问题是保持电池充电。

电动汽车 Volta 1963

1979 年,锂离子电池首次问世,至今仍是最受欢迎的电池之一,几乎无处不在。第一个原型的问题主要是温度敏感性、高温变形、低温性能低和早期退化。

新一代锂离子电池牺牲了部分比能量和比功率,以支持更长的寿命、环保、降低火灾风险和提高充电速度。因此,可以在几分钟内为它们充电。磷酸锂电池的使用寿命超过 10 年,充电周期超过 7,000 次。

目前正在考虑未来的两个主要选择。第一种是保护锂电池,但用硅代替其中的石墨。这将显着增加比能量和能量密度。问题只是充电状态和放电状态之间的体积变化很大。第二种选择是非常有趣的固体电池,它不使用电解质,因此阴极和阳极之间的隔板再也不会出现问题。这将使它们更安全,并允许更长的寿命。预计该技术引进时间最长为五年,商业化生产时间为十年。

储能热管理研究院的结束语:

随着全球能源结构的调整和环保意识的提高,新能源汽车电池作为新型能源的重要组成部分,得到了广泛关注和发展,尤其是固态电池作为一种新型电池技术,具有高能量密度、高安全性和长循环寿命等优点,正受到越来越多行业的关注和研究。同时,随着新能源汽车电池的普及和应用,电池回收利用已成为重要的环保和资源节约问题,相关技术也在不断发展和完善。

总的来说,新能源汽车电池的发展趋势是高性能、低成本、长寿命、高安全性和环保可持续等方面的综合提升,这将进一步推动新能源汽车的普及和应用。

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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