院士报告-电动汽车动力电源

电动汽车动力电源难题剖析化学电源的战略性机遇与挑战•国家十二五战略性新兴产业七个领域。•其中与化学电源密切关联的占了三个“新能源”、“新能源汽车”、“节能环保”•开源：发展新能源：风电、太阳能和核电都迫切需要低成本的大规模储能技术。•节流：新能源汽车与节能环保急需电动汽车的动力电源。2电动汽车动力电源难题剖析从笔记本电脑到电动汽车巨大机遇：全球战略性需求；市场产值空前。巨大挑战：1.安全性安全性要求非常高。资源环境保护。2.经济性价格必须大幅度下降。外国专利？3.续驶性能量密度不能满足续驶里程要求。4.功率性功率密度不能承受汽车快充电、刹车和加速的冲击。5.差异性单电池不一致性导致高电压电池组寿命下降。十二五开局之年，任务紧迫！进展时间表没把握？影响对电动汽车产业的信心！相互矛盾}3电动汽车用户的第一热点“续驶里程短且充电难”困惑待破解•续驶性与经济性矛盾–电池多则贵•续驶性与安全性矛盾–电池多则危险•续驶性与功率性矛盾–充电难“续驶里程短且充电难”如何破解？4区分“每天实际里程”与“期望续驶里程”•城市乘用车每天实际驾驶距离:低于80公里者占？%；低于40公里者占？%。但是期望续驶里程为数百公里解决办法？区别对待！5德勤全球调查对电动汽车里程观点调查对象：17个国家12,500人1.每天实际驾驶距离:只有少数人超过80公里。与美国的77%，欧洲的80%，日本的94%相比，79%的中国驾驶者工作日每天驾驶80公里以下的路程。2.期望值却很高：69%的中国受访者表示只有当电动车的持续行驶里程达到320公里时才会考虑购买。63%的美国人对行驶里程预期值是300英里（或480公里），74%的欧洲人对行驶里程预期值是480公里，55%的日本人对行驶里程预期值是320公里。67续驶里程问题每天实际驾驶距离:低于80公里者占79%；低于40公里者占45%。但是期望续行驶里程达到320公里解决办法：增程式发电机8增程式发电机1.作用：增程式发电机的动力是小燃油发动机，其唯一作用是发电；2.发动机设计：可连续工作在最佳转速下，输出的功率和扭矩也基本恒定；3.发动机效果：因而其效率、排放、可靠性等均处在较佳状态；4.性能：是典型的能量型动力源，节油率50%。9区分“增程式电动汽车”与“插电式电动汽车”增程时节油50%年平均节油90%只有电动机向变速箱传动能量故属纯电驱动电-油两动力混合复杂，价贵60公里内不用油但用内燃机时耗油率仍高电池组（电容器）电机变速箱充电器220V纯电动车发电机油箱小内燃机增程式电动汽车充电器220V电机电池组（电容器）油箱内燃机变速箱插电式电动汽车只有电动机向变速箱传动能量故属纯电驱动10增程式发电机优势1.每日经常性里程（80km，60km，40km)以内以蓄电池为动力，零油耗零排放。非经常性里程（主要在市郊）用增程式发电机，比传统燃油机省油一半。按经常性里程占80%估算，全年平均节油率达90%，平均市内燃油污染远低于10%。2.续驶里程取决于油箱和加油站，类似传统汽车，解除用户长途行驶的担心，而车载蓄电池可以大幅度减少。3.车载蓄电池较轻，每公里能耗少，降低使用成本。4.车载蓄电池减少后，充电方便：夜间电网廉价谷电以2-3kW对每车蓄电池充电，用户电网两利。不依赖高功率充电站，可更快上马。投资远低于高功率充电站。11增程式发电机优势（续）5.机动灵活：协力爬坡/提速。固定在车上或请租赁公司临时加装租用。6.私家车/公交车/其他乘用车和商用车都可使用。7.有了增程式发电机作后盾，车载蓄电池的能量可依据实际情况降低，低温（或其他意外）导致容量下降无大碍。进而选用比锂电池更安全的低比能量的蓄电池，如铅酸电池。8.市场巨大，可发展“增程式发电机”新产业，政府支持，务必走在外国人前头。12增程型汽车实例1.奇瑞汽车首款增程型瑞麒M1-REEV纯电动汽车，消除了消费者对续航里程的“担心”，瑞麒M1增程式电动车搭载了15千瓦的里程增加器，使该车最大续航里程可达350公里以上。2.雪佛兰沃蓝达汽车也是不必为电池电力担心的电动汽车。当车载电池电量消耗至最低临界限值时，车载增程式发电机将自动启动并为其继续提供电能以实现额外高达450公里以上的续驶能力。13电动汽车用户的第二热点•电动汽车经济性如何解决•电动汽车安全性如何改善1.增程式发电机显著减轻了车载蓄电池的能量要求。对经济性和安全性都有所改善。但是…..2.能量与功率分别承担（双电组合）的模式可以进一步车载蓄电池的重量、购车和用车成本，并提高安全性。14如何应对汽车工况需求的功率匀速小功率加速正峰值高功率怠速零功率制动负峰值更高功率车载动力源？能量型功率型15纯蓄电池电动汽车匀速小功率加速正峰值高功率怠速零功率制动负峰值更高功率功率型蓄电池回收一小部分按功率型设计怠速不耗能功率大材小用，比能量下降，成本高，寿命短，安全性差。能量型功率型16汽车蓄电池为高功率所付出的代价汽车制动回收能量时脉冲充电功率很高，启动加速时脉冲放电功率很高。蓄电池必须设计更薄极板和更细活性颗粒。1.比能量–功率型蓄电池比能量更小（只有能量型蓄电池比能量的60%以下）。2.寿命–强功率充电放电使蓄电池寿命更短。3.成本–强功率型蓄电池制作成本更高。4.安全–强功率型蓄电池安全性更差。蓄电池为此更加重了成本、循环寿命、安全性和比能量不够的难题。17能量与功率分别承担（双电组合）1.双电组合多回收制动能量10%至20%2.双电组合能量型蓄电池比能量提高，同等里程可少用电池。（能量型:功率型0.6:1）3.制造成本降低，寿命延长，折旧费下降4.安全性提高5.扩大蓄电池工作中的SOC范围刚充电蓄电池SOC大，更加不耐回收制动能时的充电。放电后期蓄电池SOC小，不利于输出加速所需的功率。18谁来分担汽车的高功率角色特高功率和特长寿命蓄电池电容器超级电容器超级电池？新型超电容提高功率和寿命提高能量020406080100120140160-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.0cathode50sVO2+1.62mol/LV3+1.54mol/LVoltage(V)Time(s)anode充放电平台充放电三角波19充放电过程电位～时间曲线020406080100120140160-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.0cathode50sVO2+1.62mol/LV3+1.54mol/LVoltage(V)Time(s)anode开路充电开路放电020406080100120140160-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.0cathode50sVO2+1.62mol/LV3+1.54mol/LVoltage(V)Time(s)anode开路充电开路放电20电电油三组合（蓄电池+超电容+增程式发电机）匀速小功率加速正峰值高功率怠速零功率制动负峰值更高功率能量型蓄电池超电容或特高功率型蓄电池补充能量差额回收更多能量提高加速性能怠速不耗能小补充适合增程式发电机补充充电能量型能量型功率型21LiLiLi增程式Pb增程式Pb增程式功率型蓄电池电电组合Li电电油组合Pb电电油组合Pb电电油组合实际比能量，Wh/kg701001003535单次行驶里程，km8080806040无电池车重，kg800850900900900耗电率e，kWh/km/ton0.1200.1000.1000.1000.100电池重量，kg127.1573.9178.26186.21116.13电池能量，kWh8.9017.3917.8266.5174.065超电容重量-50.0050.0050.0050.00每公里用电，kWh/km0.14460.12010.12720.14120.1321电池净单价，￥/kWh4,5004,5004,500800800电池成本，￥40,05333,26135,2175,2143,252循环寿命，次1,0001,0001,00050050020万公里折旧费及电费147,528122,511129,71762,13158,12320万公里油费估计80,00080,00080,00080,00080,000超过油费，￥67,52842,51149,717-17,869-21,87722三结合的电动汽车动力源1.增程式发电机应对非经常性的续驶里程难题，2.超级电容器应对高功率难题，3.能量型蓄电池在电动汽车中担负合适的零油耗零排放的能量型角色。•这样的三结合便可以显著改善当前蓄电池比能量太低、成本高、循环寿命短和安全性差的难题，在现有蓄电池水平的前提下，电动汽车就可以近期产业化。23“电电油”相互间的配合1.蓄电池与增程式发电机平台型曲线2.蓄电池与超电容充放电曲线形状不同蓄电池平台型曲线超电容三角波曲线，大功率DC/DC转换为平台型超铅酸电池的电极直接并联方式效率低24现有蓄电池储能于固相活性粉末1.能量密度：固相活性物高于溶液中活性物2.扩散传质速度：固相低于溶液3.活性物的稳定性：固相粉末不如溶液4.正负极活性物相互影响：固相优于溶液•能量密度取决于1固相优•功率密度取决于2溶液优•寿命取决于3溶液优•自放电取决于4固相优符合特高功率和特长寿命的要求25储能于固相或液相？液相活性固相活性26充放电过程电位～时间曲线020406080100120140160-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.0cathode50sVO2+1.62mol/LV3+1.54mol/LVoltage(V)Time(s)anode开路充电开路放电020406080100120140160-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.0cathode50sVO2+1.62mol/LV3+1.54mol/LVoltage(V)Time(s)anode开路充电开路放电27比能量与比功率024681012141618020040060080010001200PowerDensity(W/L)EnergyDensity(Wh/L)12C26C42C63C82C107C28新型超级电容器的优势1.高功率以十秒数量级的高倍率充放电，超过100C。2.充放电时的电压-时间曲线的平台类似于蓄电池。3.循环性能优异，寿命长由于充放电时不涉及固相变化，所以循环性能优异，寿命长，已超过17万次高倍率循环。4.资源丰富，容易回收，环境友好电化学活性物质选择余地大，可适当选择资源丰富环境友好且容易回收的电化学活性物质。5.材料和制造成本低廉结构简单，无需追求巨大表面的电极，也无需固相化成步骤，材料成本和制造成本低廉，降低电动汽车售价。6.事故安全性无燃烧爆炸危险。7.国际首创国家发明专利（公开号CN1866427A)取得国际发明专利优先权（PCT/CN2007/00115529D电压电压,水位零300伏蓄电池新型超电容已有的超电容对DC/DC要求高电动机/发电机400伏200伏0伏30动力电源的安全性1.动力电源安全性与其总能量和总功率有密切关系。2.按工作日行驶里程配置蓄电池总能量较少，且散热空间有利。3.超电容功率虽大，能量很少，不可能爆炸。4.锂离子电池能量型相对功率型较为安全。5.切勿为提高比能量或比功率而牺牲安全性！宁可为安全性牺牲比能量或比功率。6.锂离子电池险情时应自动降低其功率直至断电。7.其他（更安全的蓄电池系列？…）31延长蓄电池组的循环寿命1.蓄电池组自动充放电控制保证电池不会过充电和过放电便于预约利用夜间廉价谷电进行适当充电2.蓄电池组内单元一致性与自主平衡模块有效克服电池组内各单元差异性（以强补弱）显著延长蓄电池寿命和成本32三管齐下解决动力电源1.改进已商品化的蓄电池。安全、成本、能量密度、功率密度2.加紧研制新系列蓄电池。安全、成本、能量密度、功率密度3.立足于现况，三种动力电源组合，取长补短。①能量型蓄电池-零油耗零排放的能量型角色②增程式发电机-应对非经常性的续驶里程难题③高功率长寿命电化学储能–应对电动汽车高功率难题超级电容