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建言献策

关于电动汽车使用混合电池作驱动能源的建议

胡昌信

(中科院老科协力学所分会)


纯电动汽车以电池储能或发电作为驱动能源和控制能源,完全不燃烧汽油,不向大气排放有害污染物,是真正意义上的绿色环保型汽车。因此,国家制定了《电动汽车科技发展“十二·五”专项规划》和《汽车产业中长期发展规划》,进行重点攻关。经过几年努力,电池性能取得重大进展。

电池种类繁多,但能应用于电动汽车作驱动能源的,目前只有几种,即锂离子电池、石墨烯超级电容(电池)、氢燃料电池和金属空气电池等。分别说明如下。

锂离子电池:活性炭材料为负极,含锂离子化合物为正极,有机溶液为电解液,通过充、放电存储和释放电能,属二次充电电池,是目前唯一少量进入市场的汽车动力电池。

石墨烯超级电容(电池):又名双电层电容,是一种分正负极性的、电容量极大的电解电容器,单体电容量达数百至数千法拉(地球的电容量约为1法拉),是介于电容器和电池之间的新型器件。超快充放电速度是其电容特性;超大电容量又具有电池特性。

氢燃料电池:有正负极性,电极为多孔活性炭,氢气由负极输入,氧气(或空气)由正极输入,中间是碱性或酸性电解液,氢氧气体在催化剂作用下,经化学反应,直接发出电能,副产物为水,是一种能量转化的发电系统。只要源源不断供应氢气,就能持续发出电能。

金属空气电池:高纯度金属板(包括锌、铝、镁、锂等)为负极,能吸附空气中氧气的多孔活性炭为正极,碱性溶液为电解液,通过化学反应,直接产生电能。只要能快速及时更换耗尽的金属板材(比如锌),就可继续发出电能。

由于电池是电动汽车的核心部件,单从电气性能考虑,判断一种电池能否用于电动汽车,关键决定于以下几个指标。

1、储能密度(kJ/kg):单位重量储存的电能。它决定了汽车续航里程;

2、功率密度(kw/kg):单位重量提供的功率,即在单位时间内,单位重量所能提供的能量。它决定了汽车启动、加速和爬坡能力;

3、循环寿命:电池在使用期间,所能经受的充、放电次数(每充电和放电一次叫一次循环)。它决定了电池的使用年限;

4、充电(或充气、更换材料)时间(h 或 min): 电池放电至电压下限后,再充电至电压上限所需时间;或充气、更换材料时间。它直接挑战了人们能够接受的等待时间;

5、一次充电续航里程(km):每充一次电、气或更换芯板,汽车最高行驶里程。

下面,把有可能应用于电动汽车电池的性能列表如下

锂离子电池石墨烯超级电容氢燃料电池锌空气电池
储能密度(kJ/Kg)6507080001200
功率密度(kw/kg)0.8240.360.03
循环寿命1000≥105  
充电时间快充约1h 慢充约10h5min5min.充满氢气5min更换锌板

注:1,由于资料来源不同,表中数据差别可能很大,这些数据还在不断变化中,但不会影响分析结果;

      2,作为参考,93号汽油的燃烧热值约为 46000kJ/kg,小轿车发动机功率约80kw,油箱加满油60L,重约45kg,可行驶500—700km;

      3,随着科技发展,不排除今后会有更新型电池应用于电动汽车。


由电池性能表并对照轿车相关参数,可作如下定性分析:

1、锂离子电池性能适中,目前运行的电动汽车,基本都使用锂离子电池。但充电时间长是其重大缺陷,即使是快速充电,也需要1小时以上。可以设想,车辆在行驶过程中,司机不可能经过排队,再等待一个多小时快速充电。因此,锂离子电池适用于公交和大型车辆,它在夜间停驶时,经过10小时以上慢充电,可在白天行驶时使用。

2、石墨烯超级电容(电池)有许多优良性能,如功率密度极高、循环寿命极长、充电时间短等,唯一缺点是储能密度太低,续航里程短。它充电5分钟,大约只能行驶50km。如果要达到相同续航里程,石墨烯电池的重量和体积将是锂电池的数倍。因此,石墨烯超级电容适用于驶驶停停的城市轻轨,到站利用乘客上下车时间,充电30秒钟,行驶3~5千米到站再充电,继续开往下一站。

3、氢燃料电池能量密度高,充氢气时间短,续航里程长,缺点是功率密度较低,启动加速性能不佳。这是由于氢氧化学反应是持续进行的,其反应速度有条件限制,不可能太快,功率密度和启动加速能力难以提高。氢燃料电池初期适用于路况较好,长距离行驶的大型车辆。

4、金属空气电池无需充电,能量密度较高,续航里程长,更换金属板只需约5分钟。致命缺点是功率密度极低,启动和加速慢,爬坡困难,如果不慎陷入坑内,很可能爬不出来。金属空气电池适用于在道路平整的高速路上作长距离匀速行驶的车辆。

由以上分析显然可见,对于数量庞大的家庭小轿车,以上几种电池都不宜单独使用。

因此建议:将氢燃料电池或金属空气电池和石墨烯超级电容(电池)并联混合使用,由智能开关自动控制;正常在平坦道路长距离行驶时,利用氢燃料电池或金属空气电池的超长续航里程,由氢燃料电池或金属空气电池供电;在启动加速、崎岖道路、爬坡、陷坑等需要强大功率的短距离行驶时,利用石墨烯超级电容的超强加速能力,自动转换为石墨烯超级电容(电池)供电。利用不同类型电池特点,取长补短,优势互补,相信不久将来,电动汽车会有长足发展。