电动汽车中使用的电源系统和电池化学成分

本文介绍了电动汽车电池系统的特点和要求。

电动机并不是外来设备，发电和配电的基础设施已经就位。那么，为什么汽车从内燃机转向电力如此困难呢？从技术角度来看，主要障碍是电池。

就性能要求而言，电动汽车电池根本无法与小型电子设备供电的电池相比。当我看到智能手机投入使用时，我的印象是设计师正在赢得电池游戏：人们不断使用这些设备，并且似乎很少因充电的需要而带来不便。另一方面，对于电动汽车来说，电池是一个限制因素。

电动汽车电池必须能够提供非常大的电力，并且为了提供足够的行驶里程，它必须存储相应大量的能量，但又不能太大或太重。它还必须能够承受极端的环境条件和多次充电周期。这是一个艰巨的任务。

电动汽车电池电源要求

与高性能处理器或液晶显示器的功耗相比，普通尺寸车辆加速所需的电量非常高。本文档(PDF) 介绍了典型车辆加速期间的估计平均功率为 61 kW。这假设道路平坦且没有逆风。

需要非常高的峰值功率是一项困难的设计要求：没有人希望一辆汽车在大风天上坡时无法正常加速，因此电池的内阻必须足够低以支持高功率仅在偶尔的“坏情况”条件下发生的交付。

该电池等效电路由国家可再生能源实验室开发；有关详细信息，请参阅本文档(PDF) 第 2.6.1 节。串联电阻限制了电池可以提供的电流，从而限制了功率。

什么是能量密度？

这里的关键概念是能量密度，它是指给定物质或设备相对于其物理尺寸或重量可以存储的能量。（在的科学背景下，能量密度表示每单位体积的能量，比能量表示每单位质量的能量。）

一般来说，电池比汽油和煤炭等化石燃料方便得多。然而，能量密度和比能量要低得多。例如，汽油或柴油的比能量可能比锂离子电池高100倍，比铅酸电池高300倍。

电池与汽油的比较并不像看起来那么糟糕，因为电动机可以比内燃机 (ICE) 更有效地将存储的能量转化为车辆运动。然而，即使在纠正了效率差异之后，仍然很难达到与满箱油的内燃机汽车相当的行驶里程。

我已经看到了当前可用电动汽车的一些令人印象深刻的续航里程数字，但重要的是要记住其缺点：

这些高容量电池并不便宜。它们的制造成本高达数千美元，占电动汽车购买价格的很大一部分。

电池反复充电和放电会导致电池性能下降，其性能受到多种因素的影响，因此难以预测。我不知道我们有多少关于长期电动汽车电池性能的可靠数据，但我想我们都听说过经过适当维护的内燃机汽车，可以在良好的运行状态下达到十万英里的标准。

与给油箱加油相比，给高容量电池充电极其缓慢。就连特斯拉的“超级充电桩”也要让你等半个小时。

电动汽车电池化学成分

研究人员已经探索了相当多的电池技术作为电动汽车的动力来源。我找到了阿贡国家实验室1994 年 发布的一份相当旧的文件，其中包括以下化学物质作为“候选电动汽车电池系统”：铅酸、镍/镉 (NiCd)、镍/铁、镍/金属氢化物 (NiMH)、钠/硫、锌/溴、锌/空气、氯化钠/镍、硫化锂/铁和锂聚合物。

该列表的顺序基于每个系统的比能量，铅酸具有值（25-40瓦时/千克），锂聚合物具有值（100-200瓦时/千克） 。

目前，电动汽车的电池化学成分是锂离子电池。2012 年发表的一篇论文表明，镍氢电池以前是混合动力电动汽车的主导技术，尽管作者预测锂离子系统的使用将迅速扩大。

该图像来自美国能源部提供的动画，该动画描述了锂离子电池的功能。如果您想观看动画，请点击这里。

2013 年，镍氢电池被认为具有优势，因为它是一种“成熟”的化学物质，但锂离子技术终使镍氢电池的吸引力下降——锂离子提供更高的比能量、相对于重量的更高的功率输出以及与记忆效应相关的问题更少。