趙春榮 孫峰
摘 要:新能源汽車誕生時(shí)不叫新能源汽車,而是叫純電動(dòng)汽車,在很早以前就出現(xiàn)過,只是當(dāng)時(shí)的電池技術(shù)及電池容量相對較為落后,電池的電壓也比較低,后來逐漸被淘汰了。直至世界能源危機(jī)爆發(fā)、環(huán)境污染越發(fā)嚴(yán)重的今天,純電動(dòng)汽車又被推上歷史的舞臺(tái)?,F(xiàn)在的純電動(dòng)汽車有另外一個(gè)名稱叫新能源汽車,其能源主要來自汽車自帶的動(dòng)力電池包。
關(guān)鍵詞:新能源汽車;電池容量;純電動(dòng)汽車
隨著世界能源危機(jī)的到來,環(huán)境污染對人們的健康生活已經(jīng)造成嚴(yán)重的影響,傳統(tǒng)的燃油汽車逐漸向小排量加渦輪增壓方向發(fā)展,但還是不能完全離開化石燃料。于是,新能源汽車應(yīng)運(yùn)而生。新能源汽車是少用或者不需要使用傳統(tǒng)的燃料進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換以驅(qū)動(dòng)車輛行駛,所以,在新能源汽車大類中的純電動(dòng)汽車電池包又稱為動(dòng)力電池包。
1 ? ?純電動(dòng)汽車中最常用的動(dòng)力電池
1.1 ?鉛酸蓄電池
鉛酸蓄電池是最先被用在純電動(dòng)車上的電池。將純鉛與鉛的氧化物相互交叉放置于箱體內(nèi)部,利用稀硫酸溶液作為電解液的鉛酸蓄電池。在充電狀態(tài)下,鉛酸蓄電池的正極由硫酸鉛變成二氧化鉛,負(fù)極材料由硫酸鉛變成純鉛。在放電的情況下,正極與負(fù)極都變成硫酸鉛白色的晶體。由于鉛酸蓄電池存在質(zhì)量大、自放電率高、低溫性能差、能量密度低、比功率低等缺點(diǎn),現(xiàn)在純電動(dòng)汽車已經(jīng)不采用這樣的動(dòng)力電池,但是將其作為輔助電池。
1.2 ?鋰離子電池
鋰離子電池在新能源汽車上的應(yīng)用越來越多。鋰離子電池端電壓達(dá)到3.7 V,而鉛酸蓄電池的端電壓只有2 V,現(xiàn)在的純電動(dòng)汽車一般使用的動(dòng)力電池電壓在380 V左右,使用鋰電池可以減少電池的個(gè)數(shù),從而減小電池整體的質(zhì)量。此外,鋰電池的自放電率低,能量密度、比功率比鉛酸蓄電池高。所以,在現(xiàn)在的新能源汽車中,使用較多的是鋰離子電池。
1.3 ?鎳氫電池
鎳氫電池介于鋰電池與鉛酸蓄電池之間,一節(jié)鎳氫電池的端電壓只有1.2 V左右,電池電壓較低。在沒有充足電量的情況下,存儲(chǔ)電池會(huì)造成電池過早損壞。雖然可以減少對環(huán)境的污染,但作為動(dòng)力電池因?yàn)殡妷哼^低,當(dāng)要達(dá)到相同電壓時(shí)需要更多的電池單體,會(huì)造成電池的體積及質(zhì)量過大。所以,這種電池一般在混合動(dòng)力汽車中使用較多。
2 ? ?鋰離子電池工作原理及發(fā)熱原因
2.1 ?鋰離子電池工作原理
在鋰離子電池中,以炭為負(fù)極材料、以含鋰的化合物為正極的鋰電池,在充放電過程中,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子在正負(fù)極之間移動(dòng),當(dāng)對電池進(jìn)行充電時(shí),電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu),有很多微孔,達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。同樣,當(dāng)對電池進(jìn)行放電時(shí),嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出,又運(yùn)動(dòng)回正極?;卣龢O的鋰離子越多,放電容量越高。
2.2 ?鋰離子電池發(fā)熱原因
鋰離子電池?zé)o論是在充電還是在放電過程中,都會(huì)產(chǎn)生熱量。充電時(shí),因?yàn)殡姵卦诜烹娺^程中的內(nèi)阻逐漸變大,充電槍與電池兩端的電勢差較大,在使用定壓充電的方法對電池充電的初期,電池內(nèi)部流過的電流較大,電流流過電阻較大的電池內(nèi)部,消耗在電池內(nèi)部的電能也較大,產(chǎn)生的熱量就多。
在電池對外放電時(shí),由于在滿電狀態(tài)下,電池的內(nèi)阻很小,剛開始放電時(shí),消耗在電池內(nèi)部的電能少發(fā)熱較小。隨著放電過程的進(jìn)行,電池內(nèi)阻開始慢慢地變大,很大一部分電能需要消耗在電池的內(nèi)部,此時(shí)電池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的熱能,使電池溫度升高。
3 ? ?鋰電池溫度過高或者過低的危害
鋰離子電池其實(shí)與汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)一樣,都有合適的工作溫度,溫度過高或者過低都會(huì)嚴(yán)重影響電池的容量。當(dāng)溫度過低時(shí),鋰離子的活性不夠,放電時(shí)化學(xué)反應(yīng)過慢,單位時(shí)間內(nèi)不能大電流放電,影響汽車的加速性能,而且在溫度低的時(shí)候,還會(huì)影響電池的容量,繼而影響汽車的續(xù)航里程。
溫度過高會(huì)使鋰離子電池內(nèi)部材料發(fā)生短路的可能性增大,鋰離子電池變得極其不穩(wěn)定。一旦造成熱失控就會(huì)使電池內(nèi)部溫度急劇升高,進(jìn)而發(fā)生自燃。溫度過高還會(huì)嚴(yán)重影響電池的使用壽命。所以,在使用鋰離子電池時(shí)一定要嚴(yán)格地將溫度控制在允許工作的范圍內(nèi)。
使用鋰離子電池時(shí),在嚴(yán)格控制溫度的同時(shí),要嚴(yán)格均衡電池的溫度。在動(dòng)力電池箱里有較多動(dòng)力電池模組,由單體電池經(jīng)過焊接連接在一起。在控制電池溫度時(shí)一定要考慮怎樣對單體電池進(jìn)行冷卻或者加溫。
4 ? ?電池的冷卻系統(tǒng)
現(xiàn)在的新能源汽車較多采用油電混合,因?yàn)橛团c電混合可以彌補(bǔ)兩者的缺點(diǎn)。使用純?nèi)加万?qū)動(dòng)的車輛在低速時(shí)耗油量比較大,減速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火,又浪費(fèi)燃油。所以,油電混合可以降低汽車在低速或者減速時(shí)的燃油消耗量,同時(shí),可以將汽車在減速時(shí)的能量回收。
油電混合車輛分為插電式混合動(dòng)力汽車和非插電式混合動(dòng)力汽車。但不管是哪種形式的混合動(dòng)力汽車,在對電池進(jìn)行冷卻或加溫時(shí),都是通過電加熱器將動(dòng)力電池冷卻液加熱。然后通過熱傳遞的形式對電池進(jìn)行升溫,使之達(dá)到合適的工作溫度。電池溫度升高之后,電池管理系統(tǒng)通過控制一個(gè)小型水泵強(qiáng)制電池包中的冷卻液循環(huán),經(jīng)散熱器將冷卻液吸收的電池包熱量散發(fā)至大氣中,以降低電池溫度。雖然這樣的方式比較直接、方便、快捷,但是在冷卻的過程中,能量白白散失,在一定程度上增加了能量的消耗。在純電動(dòng)車上,這樣的能量散失會(huì)制約車輛的續(xù)航里程,因?yàn)榧冸妱?dòng)車的能量主要來自動(dòng)力電池包。
5 ? ?鋰離子電池包冷卻的方式
純電動(dòng)汽車電池包冷卻方式主要有兩種:風(fēng)冷和水冷。
5.1 ?風(fēng)冷
風(fēng)冷就是利用流動(dòng)的空氣將電池包內(nèi)部的熱量帶走。利用強(qiáng)制冷卻風(fēng)扇進(jìn)行抽吸,使外界溫度較低的新鮮空氣進(jìn)入電池包并在電池包內(nèi)部被加熱,然后被抽出電池包,這種冷卻方式結(jié)構(gòu)較為簡單。
5.2 ?水冷
現(xiàn)在的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻基本都是水冷。不僅因?yàn)樗浒l(fā)動(dòng)機(jī)溫度比較容易控制,還因?yàn)樗谋葻崛葺^高,使單位質(zhì)量的水升高1 ℃需要的熱量較多。同時(shí),當(dāng)電池需要加熱時(shí),電池包冷卻水流過電池周圍能使電池加熱均勻,保持電池溫度均衡。
6 ? ?余熱二次利用
6.1 ?利用熱量對駕駛室進(jìn)行升溫
幾乎每輛汽車都有空調(diào),冬季環(huán)境溫度下降,車內(nèi)的溫度也下降。人在駕駛車輛時(shí)會(huì)感覺冰涼,此時(shí)需要將車?yán)锏臏囟壬呤谷烁械绞孢m。在傳統(tǒng)的燃油車上,通常利用發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水對流過熱交換器的空氣進(jìn)行加熱,繼而使車內(nèi)的溫度升高。但是在此過程中,溫度上升比較慢,假如發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)就開暖氣,此時(shí)肯定無法有暖氣吹出。只有等發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度上升后,才會(huì)慢慢有暖氣從空調(diào)出風(fēng)口吹出來,過程相當(dāng)緩慢。
純電動(dòng)汽車用鋰離子電池作為動(dòng)力電池,鋰離子電池有幾大缺點(diǎn):不支持大電流充電、過度放電、溫度不能過低也不能過高。但是在對鋰離子電池進(jìn)行充電或者放電時(shí),電池由于本身的內(nèi)阻而發(fā)熱,產(chǎn)生余熱。如果能將這些熱量加以利用就能節(jié)約能源。同時(shí),減少了動(dòng)力電池的負(fù)載。在充電的時(shí)候就已經(jīng)將熱量轉(zhuǎn)移至車內(nèi),從車外進(jìn)入車內(nèi)就能立刻感受到溫暖。
6.2 ?利用電池余熱對冷卻水進(jìn)行加熱
純電動(dòng)汽車在一般情況下都會(huì)有兩個(gè)水壺,一個(gè)水壺冷卻的是驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電機(jī)控制器,防止電機(jī)以及電機(jī)控制器過熱而造成功率限制。但是天氣過冷時(shí)電機(jī)的一些軸承潤滑油會(huì)凝固,造成車輛在早晨啟動(dòng)時(shí)阻力過大。電機(jī)的轉(zhuǎn)子在定子產(chǎn)生的電磁作用下感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢,而阻力過大的電機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)發(fā)熱量猛然增大,造成電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量。
電動(dòng)汽車在電池充電時(shí),除了利用熱泵空調(diào)將熱量帶入駕駛室內(nèi)部,也可以通過電池冷卻液循環(huán)對電機(jī)冷卻液進(jìn)行加溫,讓電機(jī)冷卻液溫度升高,繼而對電機(jī)進(jìn)行保溫。還可以利用一個(gè)罐子將電池包加熱過的水收集起來,對車輛需要加溫的地方進(jìn)行保溫處理,能使汽車行駛里程增加,大大降低電機(jī)控制器及電機(jī)的故障發(fā)生率。
6.3 ?利用電池包熱反饋對充電功率進(jìn)行限制
無論是鋰電池還是鉛酸蓄電池,只要是存儲(chǔ)電能的化學(xué)電池,都不能利用大電流對其進(jìn)行充電。因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)有轉(zhuǎn)換效率,超過了這個(gè)轉(zhuǎn)換效率,多余的電能就會(huì)使電池發(fā)熱,在鉛酸蓄電池中就是電解水。要想讓電池更好地持久使用,就要嚴(yán)格控制電池的充電電流。雖然現(xiàn)在的純電動(dòng)汽車對動(dòng)力電池已經(jīng)有了一定的保護(hù),即過溫保護(hù),但這種保護(hù)方法過于簡單,當(dāng)車輛充電時(shí),電池管理系統(tǒng)對電池的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,只要電池的溫度過高就立即切斷對電池的充電,較好地保護(hù)了動(dòng)力電池。
7 ? ?結(jié)語
關(guān)于純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池—鋰電池余熱回收利用方法,許多文獻(xiàn)簡單地?cái)⑹隽思冸妱?dòng)汽車車用動(dòng)力電池的種類,特別是鋰電池的性能、充電方式和動(dòng)力電池在汽車上的實(shí)際冷卻方式,還綜述了熱泵空調(diào)?,F(xiàn)在,汽車上應(yīng)用較多的還是水冷電池,因其造價(jià)低廉、冷卻有效,更適合當(dāng)前的純電動(dòng)汽車使用。
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