电动汽车原理与电池材料的应用

1、电动汽车原理与电池电动汽车原理与电池 材料的应用材料的应用 Design By 朱肖华 导师 何方教授 2016-3-29 1 目目 录录 一、电动汽车发展的背景一、电动汽车发展的背景 二、电动汽车的分类二、电动汽车的分类 三、电动汽车的原理三、电动汽车的原理 四、电池材料四、电池材料 五、电动汽车的发展现状五、电动汽车的发展现状 2 一、电动汽车发展背景一、电动汽车发展背景 近年来随着PM2.5和雾霾事件的频发，机动车尾气排放 问题越来越受到人们的关注。同时石油属于不可再生资源， 如何减少汽车对传统石油燃料的依赖，对于建设资源节约 型社会至关重要。 3 汽车尾气的主要污染物是：一氧化碳、氮氧

2、化物、碳氢化合物、 铅、硫化物等。它们对环境的污染主要表现为产生温室效应，破坏温室效应，破坏 臭氧层，产生酸雨、黑雨臭氧层，产生酸雨、黑雨等现象。对人体的危害主要表现为造成各各 种疾病，严重损害呼吸系统，并且具有很强的致癌性种疾病，严重损害呼吸系统，并且具有很强的致癌性。 4 因此，面对 环境污染环境污染和资源资源 日益短缺日益短缺的双重 压力，电动汽车 成为国内外研究 的重点。 5 二、电动汽车的分类二、电动汽车的分类 电动汽车（Electric Vehicle, EV）是全部或部分以电力作为驱动系统动 力源的汽车，亦即至少有一种动力源为车载电源，全部或部分由电机 驱动车轮行驶，符合道路交通

3、、安全法规各项要求的车辆。 6 7 三、电动汽车的原理三、电动汽车的原理 3.1纯电动汽车纯电动汽车（Battery Electric Vehicle, BEV） 由电动机驱动的汽车，电动机的驱动电能来源于 车载可充电蓄电池或其他能量储存装置。 8 纯电动汽车的结构按各组成部件分为：车载动力储 能装置、动力驱动系统、车体总成和整车控制系统。 纯电动汽车的结构原理连接框图 9 结构灵活 动力源相对简单成熟 不排放有害气体 解决资源枯竭 优点优点 续航能力差 蓄电池单位质量储存的 能量少 充电时间长 配套基础设施不足 成本高 缺点缺点 10 3.2混合动力汽车混合动力汽车(PHEV) 一般指在一辆

4、汽车中同时采用了电动机和内燃机， 再加上蓄电池的电动汽车。 车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个 驱动系统单独或共同提供。 电动力系统中包括高效强化的电动机、发电机和 蓄电池。蓄电池使用的有铅酸电池、镍锰氢电池 和锂电池，将来应该还能使用氢燃料电池。 11 3.2.1串联式混合动力电动汽车串联式混合动力电动汽车(Series Hybrid Electric Vehicle, SHEV) 电动机只由蓄电池供给电能，发动机带动发 电机发电只供蓄电池充电，所要求蓄电池容量 较大，而发动机功率可较小。 12 电动机可从蓄电池或发电机两处获得电能，使得蓄 电池容量可较小，而需发动机功率较大，发电机

5、直 接驱动电动机即可省去经蓄电池转换中的损耗。 13 3.2.2并联式混合动力电动汽车并联式混合动力电动汽车(Parallel Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 切换离合器来进 行电动/发电机 启动发动机；发 动机驱动电动/ 发电机向蓄电池 充电；发动机结 合变速器驱动车 轮三种动力分配。 14 发动机连接中心齿 轮，电动/发电机连 接行星齿轮架。可 由电动/发电机快速 启动发电机；或由 发动机驱动电动/发 电机向蓄电池充电 15 3.2.3混联式混合动力电动汽车混联式混合动力电动汽车(Combined Hybrid Electric Vehicle, CHEV)

6、同时具有串联与并联两种驱动模式，它与 串联式相比增加了机械动力传递路线，而 与并联式相比增加了电力驱动传输路线， 使得在各种复杂工况中可灵活采取串联式 或并联式运行，以实现热效率最高，污染 排放最低的目标。 16 由于比并联式多增加一台驱动电机，所以需改变动力 组合器连接方式：发电/电动机连接中心齿轮，发动机连 接行星齿轮架，驱动电机与内齿圈相连 17 采用了四轮驱动方式，其中图示右边的 驱动结构也采用轮毂电机 18 3.2.4插电式混合动力电动汽车插电式混合动力电动汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PiHEV) 主要特征具有插入电网适时给蓄电池充电功能，

7、 为此，要求适度提高蓄电池容量。 纯电动模 式 混合动 力模式 热机模 式 通勤日 上下班、 城区短 途行使 长途旅 行、确 保其续 使里程 19 SHEVPHEVCHEVPiHEV 排放较排放较 小适于小适于 城区公城区公 交车交车 常在郊常在郊 区和高区和高 速公路速公路 行使的行使的 车辆车辆 效率和效率和 排污均排污均 较理想、较理想、 但动力但动力 驱动结驱动结 构复杂构复杂 是混合是混合 动力汽动力汽 车向纯车向纯 电动汽电动汽 车进一车进一 步过渡步过渡 的形式的形式 四种混合动力的特点四种混合动力的特点 20 混合动力可按平均需用的 功率来确定内燃机的最大 功率，此时油耗低、污

8、染 少 有电池，方便回收制动时、 下坡时、怠速时的能量 繁华市区，关闭内燃机， 实现“零排放” 有内燃机，解决耗能大的 空调、取暖 利用现有的加油站加油， 不必再投资 优点优点 没有摆脱交通运输对石油 资源的耗用问题 不能达到零排放 长距离高速行驶基本不能 省油 缺点缺点 混合动力电动汽车混合动力电动汽车 21 3.3燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车 指以燃料电池作为动力系统的汽车。燃料电 池是一种能与燃油发动机相比的电池，可以 使用包括再生燃料在内的所有含氢元素的燃 料。 工作原理：作为燃料的氢在汽车搭载的燃料 电池中，与大气中的氧发生化学反应，从而 产生电能启动电动机，进而驱动汽车行驶。

9、22 DC/DC转换器的作用是进行升压和稳压调节，使燃料 电池系统输出电压与电机驱动所要求电压，及其辅助 电源电压相匹配。工作原理是通过功率晶体管的开关 调制来实现的。 23 四、电池材料四、电池材料 1 2 3 4 5 电池的分类电池的分类 铅酸蓄电池铅酸蓄电池 镍氢蓄电池镍氢蓄电池 锂离子电池锂离子电池 燃料电池燃料电池 目录 24 电池的分类电池的分类 碱性：碱性锌锰、镍镉、镍氢电池 酸性：铅酸电池 中性：锌锰干电池 有机电解液：锂电池、锂离子电池 电解液 种类 锌系列：锌锰、锌银 镍系列：镍镉、镍氢 铅系列：铅酸 锂系列：锂离子、锂锰、聚合物锂电池 正负极 材料 一次电池：锌锰干电池、

10、锌银干电池 二次电池：铅酸蓄电池、锂离子电池铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池 燃料电池：氢燃料电池氢燃料电池、肼空燃料电池 储备电池：锌银电池、镁银电池 特征 功能 1 25 电池电池 类型类型 单体电单体电 池电压池电压 /V 比能量比能量 /(Wh/k g) 比功率比功率 /(W/kg) 寿命寿命/次次优点优点缺点缺点 铅酸 蓄电 池 2.0354050400800技术成熟、原料丰 富、价格低、温度 特性好 比能量和比功率较 低、寿命短、存在 铅毒等污染 镍氢 蓄电 池 1.2557016050600放电倍率高、免维 护 自放电高、单体电 压低 锂离 子电 池 3.61103001000以

11、上比能量大、寿命长成本高、须有保护 电路 聚合 物锂 电池 3.8150315约800比能量大、超薄化成本高 磷酸 铁锂 电池 3.21002000寿命长、安全性好体积大 燃料 电池 寿命长、效率高、 污染小、噪声低、 可快速补充能源和 连续工作 目前存在制氢、储 氢的成本和安全等 问题，有待进一步 探索提高来解决 26 3 铅酸蓄电池铅酸蓄电池 定义：采用稀硫酸做电解液，用二氧化铅做电池 正极，绒状铅做电池负极的酸性蓄电池。其型号 用三段式表示，如6DAW150。 蓄电池是1859年由法国人普兰特（Plante）发明 的，至今已有一百多年的历史。铅酸蓄电池自发 明后，在化学电源中一直占有绝对

12、优势。这是因 为其价格低廉、原材料易于获得，使用上有充分 的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度 范围等优点。 2 27 PbO+Pb+2HSO 2PbSO+2HO 发电 充电 正极板的活性 物质为二氧化 铅，负极板的 活性物质为纯 铅。 28 铅酸蓄电池结构与工艺改进铅酸蓄电池结构与工艺改进 通过改进 电池结构； 改进安全 阀；优选 电解质、 载体及隔 膜 采用铅 锑合金； 填充 SiO2 控制极板 装配的松 紧度 改善负极 配方，优 选添加剂 采用免 维护及 密封化 改进 版栅 合金 改进 装配 工艺 负极 的改 进 29 3镍氢蓄电池镍氢蓄电池 镍氢（Ni-MH）电池是以金属氢化物M

13、H为负极， 氢氧化镍Ni(OH)2 为正极，氢氧化钾(KOH)溶液 为电解液。 正极反应：NiOOH+H2O+e- Ni(OH)2+OH- 负极反应：MH+OH- M+ H2O+e- 电池总反应： NiOOH+ MH Ni(OH)2+ M 放电 充电 30 比能量、比功 率、环保性高 于铅酸蓄电池 寿命高、快速 充电和深度放 电性能好、充 放电效率高、 全密封免维修 优点 成本高、单 体电池电压 低（1.2V）、 自放电损耗 大 缺点 镍氢蓄电池镍氢蓄电池 31 4锂离子电池锂离子电池 锂离子电池是20世纪90年代发展起来的高容量 可充电电池。 正极材料为钴酸锂，或镍酸锂、锰酸锂；电解 质为有

14、机溶剂中溶有电解质锂盐的离子型导体； 负极材料为锂碳化合物。 原理：以脱嵌可逆反应代替一般电池的氧化还 原反应，锂离子在正负极之间来回往返嵌入和 脱出。 例： 正极：LiCoO2=CoO2+Li+ e- 负极：6C+ Li+ e-=C6Li 32 锂离子电池锂离子电池 电动汽车产业的兴起，对大容量锂离子动力电池的 需求加大，2008年北京奥运会期间，在奥运会中心区 服务的50辆电动客车即采用锂离子动力电池，这是国 际上第一次大规模使用锂离子电池电动客车。2010年 5月，三洋锂离子电池系统驱车行使1003.184km，创 续驶里程新纪录。 目前，锂离子电池价格较高，但所需材料来源广泛， 随着技

15、术工艺水平的改进，可大幅度降低成本，性价 比会随之提升。 33 5燃料电池燃料电池 定义：将燃料和氧化剂的化学能经电化学反应直接转化为电 能的发电装置。 其工作原理与一般电化学电池相比： 通过电化学反应将化学能转换成电能 一般的电化学电池与外界只存在能量交换而没 有物质交换，当电池内部的化学物质耗尽或反应条件发生变 化时，系统就无法继续输出能量；而燃料电池是由外部供气 系统单独供给了参与反应的化学物质，只要保证物质供应的 连续性，就可保证其能量的连续输出。 燃料电池是一个开放式发电装置 共同点共同点 不同点不同点 34 氢氧燃料电池就是电解水的逆过程，即通过氢 氧的化学反应生成水而释放电能。

16、总化学反应： H2+1/2O2 H2O 35 五、电动汽车的发展情况五、电动汽车的发展情况 1834 英国的 Thomas Davenport创 造了一辆电 动三轮车 1881 法国的 Gustave Trouve发明了 第一辆铅酸电 池电动三轮车 德国人Karl Benz研制第 一辆以汽油 为燃料的电 车 美国第一 辆蓄电池 在阿华州 诞生 1885 1890 36 5.1 日本日本 出于对能源危机和环境保护的关注及占领未来 世界汽车市场的考 虑，日本一直重视电动汽车的研制与开发。 2015年日本电动汽车用 锂离子动力电池产值规模达120亿元。锂离子电池的出口总额为约 141亿元人民币，二次

17、电池的进口总额约76.3亿元人民币，在二次电 池中，锂离子电池的进口总量和进口总额均为第一，日本生产的电 动汽车动力电池，2015年12月的产值增长接近150%，显示了强大的 市场需求。 目前，丰田、本田和日产等汽车厂商的混合动力汽车不仅在国内市 场热销，在国际市场上也颇受青睐。在美国市场，丰田混合动力汽 车已连续6年销量超过10万辆，普锐斯累计销量超过400万辆。 日本经济产业省预计，到2015年日本混合动力汽车产销将达到150万 辆。 37 三菱三菱i-MiEV 2009年三菱汽车公司的i-MiEV作为世界第一款量产版电动汽 车被推向市场。三菱i-MiEV售价约为30万元人民币，蓄电池 组

18、是电动车的核心技术所在，i-MiEV采用三菱与汤浅合作研 发的高效能锂电池组。这套锂电池组共有三种不同充电方式， 使用200伏家用电源充电约需7小时、使用100伏家用电源充 电需要14小时，若使用充电站的三相200伏动力电则能在半 小时内使电量达到80%。一次充满电可以行使约150公里。 38 日产聆风日产聆风LEAF 2010年，日产汽车公司推出聆风LEAF，锂电池组由48个电 池模块组成（每个模块重3.5kg，由四块单体电池层叠构 成）。日产聆风完全充满电时的续航里程为160公里，在充 电方式上，聆风也相当灵活。在普通充电模式下，用户可 以在家中为聆风充电。以240伏的家用电网环境为例，其

19、可 在7小时将电池组完全充满，而在快充模式下，只需30分钟 就能充满80%的电量。日产聆风售价约为25万元人民币。 39 本田飞度本田飞度EV 电动版电动版 如果在240伏电源上使用内置的6.6千瓦/32安培插座充电， 完全充满电仅需3小时，如果使用120伏电源则需耗时15小时 才能充满电。综合电量消耗折合一百公里油耗约合2.03升， 或者29千瓦时/百英里，超过日产聆风5千瓦时/百英里。 飞度电动车售价约23万人民币。 40 丰田（塞恩）丰田（塞恩）SCION IQ EV 2012 这款纯电动车搭载一款永磁式电动马达和一颗全新开发、 体型扁小的lithium-ion锂离子电池。并同步装配一款

20、 11kW/270V锂离子电池组来提供电力，预计能够提供最大 105公里的续航里程。另外，该车百公里加速大约在14秒内， 最高行驶速度可达125km/h。丰田SCION（塞恩）IQ EV纯电 动车在直流快速充电站15分钟能充满80的电量，因为这 款SCION IQ EV纯电动车采用的是新一代轻薄型电动马达， 所以在车内空间上显得很充裕，并且能完全容纳4个成年人。 另外，该车仅在自家中就能实现充电，预计4小时左右就能 将电池组的电量充满。同时我们还可以去直流快速充电站 花20分钟来充满电力。 41 丰田丰田PRIUS普锐斯普锐斯 普锐斯于1997年正式投放市场，成为世界上首款量产的混合动力混合动

21、力车型， 丰田在混合动力的开发上走在了世界汽车厂家的前面，普锐斯也成为市 场上最畅销的混合动力车型。在路上正常行驶的状态下，当车速低于15 公里或停车时，普锐斯完全是一款纯电动车，因为这个时候发动机并没 有工作，前轮是通过电动机驱动的，避免了车辆在怠速状态下的汽油消 耗和尾气排放。如果长时间处于低速行驶状态，电池的电量降低到一定 的程度时，发动机会自动启动为电池进行充电。丰田 普锐斯在高速行驶 的状态下，普锐斯1.5升排量的VVT-i发动机配合高输出功率电动机、逆变 器和动力控制单元的高压电路系统可以将直流电压增加到500伏，再转换 为交流电来驱动电动机，这样做能在得到更高功率的同时减轻电池的

22、重 量。 42 5.2 美国美国 美国对电动汽车的发展一直非常重视，但选择的电动车 发展战略则是混合动力车先行，在电动汽车各项技术较 为成熟可以市场化后，再逐步过渡到纯电动汽车阶段。 43 特斯拉特斯拉 特斯拉（Tesla Motors）成立于2003年，致力于用最具创新 力的技术，加速可持续交通的发展。特斯拉电动汽车在质量、 安全和性能方面均达到汽车行业最高标准，并提供最尖端技 术的空中升级等服务方式和完备的充电解决方案，为人们带 来了最极致的驾乘体验和最完备的消费体验。特斯拉汽车公 司生产的几大车型包含Tesla Roadster 、Tesla Model S、双电 机全轮驱动Model

23、S 、Tesla Model X。 特斯拉的传动技术来自AC Propulsion公司；它的电池采购 自松下生产的18650电池；它的电机，采购自台湾富田电机。 44 Tesla Roadster 全球首款量产版电动敞篷 跑车，这是第一辆使用锂 电池技术每次充电能够行 驶320公里以上的电动车。 Tesla Model S 它的竞争对手则直指宝马5系。 在Tesla汽车公司中，Model S 拥有独一无二的底盘、车身、 发动机以及能量储备系统。 45 TeslaModel S P85D 特斯拉Model S P85D配备 全驱系统，最高时速可以 达到155英里/小时， Model P85D的百

24、公里加速 较之前的版本提升至3.2秒。 新车型会比同型号的 Model S续航历程上提升16 公里，即最大续航历程可 达到442公里。 Tesla Model X 2012年2月9日发布，其后门采用 设计前卫的鹰翼门造型，而依靠 动力强劲的电动机驱动，其0-96 公里/小时加速时间为5秒内。 这 款全尺寸纯电动SUV在2015年量 产。Model X 将MPV的大空间、 SUV的优势、电动车的优点融合 在一起。这是一辆格调上乘，围 绕驾驶者建造的车。 46 通用通用 雪佛兰Volt汽车这款售价4万美元的油电混合动力轿车。雪 佛兰Volt配备的E-Flex系统架构采用了通用汽车最新的第五代 燃料

25、电池推进技术和锂电池，其体积只有上一代的一半，但 却能提供与其相当的动力和性能。在无需燃油、零污染排放 的电力驱动下，最大续驶里程可达483公里，且真正实现零排 放。 47 5.3 中国中国 在2008背景奥运会期间，共有595辆自主研发的节能与新 能源汽车实现了规模化、集中化、高强度的成功应用。在 2010年上海世博会期间，共有1147辆新能源汽车提供交通 服务。国内现有研制纯电动轿车的企业主要有比亚迪、江 淮、东风、长安、奇瑞，吉利等公司。 48 全球电动汽车销 量排行榜2015年 度榜单最新出炉， 中国新能源汽车 品牌比亚迪比亚迪再度 蝉联销量冠军， 以12月单月销量 10,925辆和全年 61,722辆的成绩 领先特斯拉、日 产等国际品牌。 49 比亚迪比亚迪 比亚迪比亚迪秦秦 自2012年北京车展