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[信息] 电动车用蓄电池问题剖析

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发表于 2008-12-6 05:33:53 | 显示全部楼层

电动车用蓄电池问题剖析

摘  要:长期阻碍电动汽车等电动交通产品产业化进程的蓄电池,到底还有哪些问题值得人们去认真思考和探讨,此文提出一些看法。

一、前言

进入20世纪中后期,西方发达国家遭遇严重石油危机,与过度依赖燃烧化石原料获取能量,造成赖以生存的环境巨大的破坏与污染后,人们纷纷提出,要在能源消耗最大的机动车产品上,进行技术革命。

首先是减少机动车每百公里的耗油量,提高燃油利用率,间接减少污染环境的废气排放量;

进一步的研究发展,是寻找今后能够在机动车上广泛利用,得来方便廉价,又不污染或较少污染环境的,新的能源和系统。

这场技术革命,号称生活在车轮上的,西方科技最发达的国家——美国。他们从政府到各有关的大学、科研机构、大型企业、形成共识,寻找既能支持社会持续发展,又能方便获得,同时还能兼顾使用方便的能源产品上,投入巨额资金,进行广泛深入的基础研究。

其中多款纯蓄电池电动汽车,与氢燃料电池电动汽车样车,就是那个时代典型的代表作。如上世纪90年代初,美国通用汽车公司率先开发的,纯蓄电池电动汽车EV1,该车的最高时速可达128km/h,从静止加速到96km/h只需9s,一次充电可行驶144km。

91年日本东京电力公司研製的,1ZA依萨蓄电池4座电动车,最高时速可达176km/h,充一次电按40km/h匀速行驶,可达548km。

93年香港大学也研製成功U2001蓄电池电动轿车,最高时速为110km/h,充一次电可行驶176km。还有许多先进的西方国家,德国、法国、义大利等等,20世纪末都开发过性能达到甚至超过以上指标,利用蓄电池储能作动力的电动汽车。

如此看来,依靠纯蓄电池储能,行驶过程完全没有废气排放的电动汽车,上世纪90年代的技术性能,已达一般可用水平,应是比较明确的。

那么,是什么原因,为什么时至今日,电动汽车还是水中月,牆上画?其中的问题出在哪裡?

 

二、蓄电池容量的认识与探讨

蓄电池使用技术的进步与发展,是节能环保车辆,赖以发展和普及的核心技术。

蓄电池最关键的一个性能表徵参数“容量”,是由以下方程式推导出来的:

C=∫Idt

C — 蓄电池容量(A·h) ; I — 蓄电池放电电流(A) ; t — 蓄电池放电时间(h)

对以上公式进一步深思会发现,隐藏在方程后面的测量负载大小,测量时截止电压的取值高低,都将影响C的大小,因此蓄电池的容量C并不是一个单值数,其大小依从于测量的条件。

由此不难推断,使用中的蓄电池容量,必然与不同的使用条件密切相关,并不是一个定值。

人们平常使用的,蓄电池上标注的容量值,只是某蓄电池在特定环境、特定负载、特定时间段上的一个特定值,不同的负载、不同的环境、不同的时间,蓄电池的容量值,并不和出厂的原始值完全一致。

我们认为该方程的描述并未错,但它只能用来证明某蓄电池,历史上某一特定条件下的值。错就错在人们在使用中,总是将蓄电池出厂时提供的,特定条件下的容量值,当作一不变的常数。

作为蓄电池日常使用中长期不变的标准,这种做法,显然是存在问题和错误的。是蓄电池今天应用中,众多问题产生的根源。

蓄电池这种化学储能装置,研究和使用过的人都知道,它最害怕的是使用过程中的过充电与过放电。过充电和过放电,对蓄电池来说损害都是致命的。

如何保障蓄电池在使用过程中不出现过充电和过放电,是保障整个系统安全工作的关键。要做到这一点无庸置疑的是:人们要能在蓄电池的使用中随时能够准确知道蓄电池的真实容量,採取及时的控制手段。

前面,我们从人们公认的蓄电池容量求证方程的说明中己谈到过蓄电池出厂提供的容量值,并不是一个任何时候都能当作标准用的值。它只不过是一个随使用条件不同而变化的值。为了能随时掌握蓄电池的即时容量,人们从蓄电池投入应用开始,就仔细研究了蓄电池端电压变化与容量的关係,企图用测量蓄电池端电压的变化,来判断蓄电池的即时容量。

效果不明显后,又想用测量蓄电池内阻变化来达到上述目的。经过长期的实践证明,这些方法都无法有效解决蓄电池容量的即时测量。

没有方便快速和准确的蓄电池容量测量方法,如何掌握即时准确的蓄电池容量值、没有准确的蓄电池容量值、又如何判断蓄电池的过充电与过放电?

如何保障蓄电池的使用安全?这一问题成了蓄电池使用中长期困扰人们的最大难题。

许多专家学者,为解决此问题付出心力,探索至今一直没有停止。例如现在以水为蓄电池电解液溶剂的电池系统里,人们普遍採用的氧迴圈和阀控式机制。就是人们想经由氧迴圈和阀控技术,来吸收和减少蓄电池在使用过程中,由于无法准确把握蓄电池的真实容量值造成蓄电池的过充电,而採取的一项企图保障蓄电池充电安全的措施。但此问题并没有真正获得解决。

解决这一问题的困难,主要是影响蓄电池容量的不确定性因素,大都是非线性的,且太多太複杂。以电动车上使用的动力电池来说,使用过程中必将遭遇 : 今天和昨天的行驶里程,不一定完全相等,今天和昨天的载重、今天的温度和昨天的温度……等等、都是不同的。因此,每天耗去的电池容量也是不相同的。用什么标准来补充蓄电池己耗去的容量呢?

最好是用去了多少补进去多少,但谁能真正确切知道充电前蓄电池的真实容量?这些问题,只是部份问题。就是这些问题,使传统的,线性认识论的确定论的思维模式,陷入了一片迷思。要解决此问题,必须从整个系统在使用中的发展过程研究和探讨,否则很难跳出传统思维模式的束缚,寻到解决问题的新路。

 

三、对蓄电池快速充电的认识问题

蓄电池能否快速充电,从蓄电池极板物质分佈不均匀的角度,显示过大充电电流对蓄电池的有害影响。在机动的电动交通产品发展上,人们对之更加青睐和迫切。

根据电动汽车研究资料的报导,一般续行里程在200-250km,时速达到100km/h的电动轿车,需配用30kWh的蓄电池组,这样大的蓄电池系统,如果每车用10C的速度将放完电的蓄电池充满,理论耗时是6分钟,假设其他损耗都为零,充电时,每台车需从电网中吸收300kW的功率,用5C的速度将放完电的蓄电池充满,耗时12分钟,也需从电网中吸收150kW的功率,用2C的速度充电,30分钟将蓄电池充满,也需从供电网吸收60kW功率。

一个城市每天只要有10万台车中的百分之十至二十需要同时充电,对整个城市现有的供电系统将是巨大的麻烦。果真如此的话,电动汽车儘管有很先进的环保指标,还会有推广应用的空间吗?

同时快速充电将使动力电池组无法获得必要的均衡充电时间,恶化各电池在电池组内协同工作的环境,很快造成电池组整体的瓦解崩溃。上面的分析说明,蓄电池无论是其内在的结构和秉性,还是外在的使用环境,对人们所谓的快速充电要求,暂时都是不可能支持的。

从蓄电池产品的应用来看,不同品种、不同材料、不同结构的蓄电池,都有它们自己接受充电的不同能力,不是人们想怎么快就能怎么快的。

 

 

四、 蓄电池的迴圈使用次数与寿命

有关动力蓄电池寿命的要求和定义,发现人们大都强调的是蓄电池在某一放电深度下的迴圈充放电次数。当前,有的蓄电池生产出来后,在实验室条件下设定放电深度为80%,充放电达到上千次是完全可以做到的。如果将蓄电池存放一年后再拿来做同样的充放电实验,蓄电池的充放电迴圈次数将大为下降,有的电池甚至会失效。同时,电动车上使用的蓄电池人由于车辆每天使用中的不确定性,蓄电池在使用中容量的消耗,同样也是不确定的。在这种高度不确定性条件下的充放电迴圈,蓄电池在传统充电理论下,能使用到多少次,至今恐怕很难提出确切有力的证明。

蓄电池的寿命,应当将客观使用中的迴圈次数,与真正常规环境下的,正常工作时间结合起来评量,才是真实的。缺少任何一方资料,都是没有太多的实际意义的。

例如 : 2004年5月在一大型超市买回8只某着名电池企业2004年2月生产的AA型MH-NI电池,电池标明容量为1300mAh,充电后以0.5C进行放电,迴圈到降至额定容量的80%时,停止实验。每天迴圈4次,做到了接近一千次迴圈,考虑到在做迴圈测试之前,该8只电池做过一些其他的测试,为求更准确的结果,2005年又从原超市买回了与第一批电池同一批出厂的8只同型号同容量电池,准备重新做一次同样的迴圈实验测试。

意外的是,后一批电池根本达不到出厂时标定的额定容量。个别电池甚至连前一批实验后的容量都达不到!

因此不能以实验室短期实验获得的迴圈工作次数做为单一推断蓄电池有效工作寿命的依据。

 

五、蓄电池的比能量与寿命问题

蓄电池的wh/Kg和wh/L,是衡量蓄电池在一定的重量和容积上,储存转载能量大小的两个主要参数,也是蓄电池研究者常用来评价蓄电池发展进步的重要依据。很明显,该参数的比值越大,说明蓄电池在相同重量或相同容积下,储存转载电能的能力越强,使用性能越好。

随着人们对节能环保的电动汽车等交通产品不断的关注,蓄电池已成为电动交通产品发展道路上的瓶颈,蓄电池与蓄电池的性能,自然成了业内人士研究关注的焦点。

世界上科学技术发达的国家集中大批优秀人才,投入钜资对此进行了深入持续的研究。这些国家在这一领域,也确实取得了一些明显的进步。如美国上世纪九十年代发明的氧化物镍氢蓄电池,日本开发的锂离子蓄电池等。与传统的铅酸、镉镍等蓄电池相比,wh/Kg和wh/L都有很突出的提升。

新型蓄电池在性能上的进步,装上与过去同样重量或同样大小的新型蓄电池的电动汽车,充一次电的行驶里程应更远、加速性能应更好、爬坡能力应更强、也更实用。但时至今日这些国家的电动汽车并未实现产业化,问题到底在哪?应该是人们对这一问题的认识不全面造成的。

由此可见,只强调提高蓄电池比能量,认为比能量一上去什么问题都会迎刃而解的思想,是片面的、是不可能使电动汽车实现产业化的。

上世纪九十年代初各国研究成功的电动汽车,蓄电池的比能量肯定要比现在的新型电池小,电动汽车测试达到的各项性能指标,对一般的使用者来说,是可以满足的。为什么当时实现不了电动汽车的产业化?主要是蓄电池的使用寿命太短的问题,并不完全是蓄电池比能量的问题。如果当时蓄电池的使用寿命能达到10至15年,蓄电池的成本能摊入10至15年使用期中,电动汽车的产业化之路,恐怕早已实现。

儘管蓄电池的比能量有了很大的提高,生产蓄电池的材料与蓄电池的结构也取得很大进步,但蓄电池的使用寿命,并未获得重大的突破。如解决不好蓄电池的使用寿命问题,电动汽车的产业化和实用化,还将遥遥无期。包括今天叫得很响亮的溷合动力汽车,也将会成为一段历史上匆匆走过的过客,给社会留下一张沉重的买单。

 

六、蓄电池的使用寿命,是今天电动汽车发展必须跨越的一道门坎

使用过轻型电动车的人,共同体会是使用初期,该产品不愧是种方便实用、节约又环保的代步工具。说明书上的各项技术指标,只要是正规厂家的产品,一般都是能够达到的。由此我们可以相信,上世纪90年代世界各国花钜资,研发的纯蓄电池电动汽车,短期实验所达到的技术指标,应是可以信赖的。电动汽车迟迟不能产业化的技术症结在哪?

从轻型电动车的结构上看 :

一 是电机、车架和提供使用控制的电子系统,目前情况看,这方面不存在太难的技术问题。

二 是提供储存能量的蓄电池组,买车时,说明书和供应商一般都会作重提醒用户,随车配用的蓄电池组,保用期一年,超过一年,使用者自己买单。

目前常用的轻型电动车用蓄电池组,市埸价格占到轻型电动车造价的二分之一到四分之一不等,这还是蓄电池品种中,价格最低的铅酸蓄电池。对一般工薪阶层的人来说,儘管蓄电池的工作寿命不是很理想,但是一年换一组电池,费用还是支付得起的。

而电动汽车所使用的蓄电池组,一般比轻型电动车的大得多,且是比能量较高的蓄电池。蓄电池的成本要占新车造价的二分之一,如果蓄电池组也只能保用一年至二年,电动汽车能产业化吗?

蓄电池的使用寿命,直接关係到未来电动汽车与溷合动力汽车的使用成本,没有合适的,而且是经得起实践检验的,使用时间来分摊,电动汽车蓄电池这一高额成本,市埸很难接受这一产品的。

因此,蓄电池的使用寿命,才是今天电动汽车实现产业化,必须跨越的一道门坎。此问题如不能获得有效解决,今后实验成功的电动汽车,就是加速性能完全能达到或超过今天燃油车的最高水准;蓄电池充一次电的行驶里程能超过燃油车目前加一箱油的行驶里程,也是没有推广的基础和意义的。

 

七、结语

要解决当前电动汽车研究发展上的问题,必须对传统的蓄电池与蓄电池的应用研究,进行全面的思维更新,彻底抛弃那些不正确的认识与方法,使蓄电池真正拥有了一个较长较经济的使用寿命,才会真正迎来电动汽车与溷合动力汽车产业化发展的光明之路。
发表于 2008-12-19 21:24:04 | 显示全部楼层
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