新能源汽車動力電源研究進(jìn)展

劉瑜儒 范小平

蘭州工業(yè)學(xué)院 甘肅 蘭州 730050

1 新能源汽車的定義與分類

（1）定義。新能源汽車，英文名為New energy vehicles，是一種原理先進(jìn)、具備新型結(jié)構(gòu)與創(chuàng)新技術(shù)的新型先進(jìn)汽車，其動力源自除常規(guī)（車用）燃料外的新能源[1]。

（2）分類。目前，新能源電動汽車主要有，混合動力型、插電式混合動力型、純電動型與燃料電池汽車。

2 發(fā)展新能源汽車的背景與發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展新能源汽車的背景

綠色出行與節(jié)能減排已成為我國汽車工業(yè)的重要發(fā)展趨勢。科學(xué)家們提出的嘗試解決化石燃料與環(huán)境污染問題的方案之一是新能源汽車。清潔、無污染的新能源車的大力開發(fā)與擴(kuò)張，在當(dāng)今全球的汽車市場上，都已成為重要發(fā)展趨勢。

2.2 我國新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

未來一段時(shí)間內(nèi)，制約我國新能源汽車全面商業(yè)化推廣的主要因素之一可能仍是目前新能源汽車的價(jià)格仍較高。從工信部數(shù)據(jù)來看，近年來，我國新能源汽車產(chǎn)銷量雖然在不斷攀升（從2014年到2018年，其中，2016年受貿(mào)易戰(zhàn)和補(bǔ)貼政策影響，導(dǎo)致產(chǎn)銷量的增長暫緩），但新能源汽車的價(jià)格仍很高，其價(jià)格是同等動力燃油汽車的1.5倍[2]。

3 動力電源分類及工作原理

3.1 鉛酸蓄電池

硫酸作為電解質(zhì)溶液從注入口注入，鉛及其氧化物作為電極，浸泡在電解質(zhì)溶液中。鉛蓄電池的工作原理如下所示：

3.2 鎳鎘蓄電池

鎳鎘蓄電池采用鎘(Cd)金屬為負(fù)極，正極采用氫氧化鎳-鎳，電解質(zhì)溶液是氫氧化鉀溶液。其基本工作原理如下：

負(fù)極：Cd + 2OH-→ Cd(OH)2+ 2e-（←充電）

正極：2NiO(OH) + 2H2O + 2e-→ 2Ni(OH)2+ 2OH-（←充電）

總反應(yīng)： 2NiO(OH)+ Cd+ 2H2O =2Ni(OH)2+ Cd(OH)2

鎳鎘蓄電池優(yōu)點(diǎn)在于其比較輕巧、抗震能力較強(qiáng)、使用壽命可長達(dá)7到25年，使用溫度范圍較寬（-20～45℃）。因此，鎳鉻蓄電池適用于小型電子設(shè)備。其缺點(diǎn)在于會引起環(huán)境污染，并有記憶效應(yīng)。

3.3 鎳氫蓄電池

鎳氫蓄電池以儲氫合金為負(fù)極，鎳氫氧化物為正極。鎳氫蓄電池工作原理為：

負(fù)極：MHab+ OH-→M + H2O + e-

正極：NiOOH + H2O + e-→ Ni(OH)2+ OH-

總反應(yīng)：Ni(OH)2+ M = NiOOH + MH

注：M代表鎳合金，ab代表吸附。

3.4 鋰離子電池

鋰離子電池構(gòu)造為包括正負(fù)極和電解質(zhì)溶液。LiFePO4，Li2MnO3，LiCoO2等含鋰離子（Li+）的化合物可以作為正極，石墨通常作為負(fù)極。鋰離子（Li+）在充放電過程中，在正負(fù)兩個(gè)電極之間往返，并伴隨嵌入和脫出，從而完成充放電過程。

鋰離子電池的特點(diǎn)是：①高能量密度；②高工作電壓 （約為4.0V）；③小體積，是氫鎳電池的70%；④輕質(zhì)量，是鎳氫電池的50%；⑤無環(huán)境污染、壽命長等。

3.5 燃料電池

燃料電池，英文名Fuel Cell，簡寫為FC。

燃料電池是主要由陰極、陽極、電解質(zhì)和外部電路四部分組成。

以氫-氧燃料電池為例，工作時(shí)，向陽極供給氫氣，氫氣分子在陽極失去電子解離成H+，H+通過質(zhì)子交換膜進(jìn)去陰極：2H2- 4e-→ 4H+。向陰極供給空氣或氧氣。在陰極上，氧氣分子獲得從陽極穿越過來的H+結(jié)合，生成水：O2+ 4H++ 4e-→2H2O。其總反應(yīng)方程式為：2H2(氫) + O2(氧) → 2H2O (水)。電子則沿外部電路移向陽極，形成通路。

4 燃料電池汽車

4.1 基本結(jié)構(gòu)單元

將組成燃料電池基本結(jié)構(gòu)的陽極、陰極、膜三個(gè)基本組件熱壓并復(fù)合加工在一起，形成電極-膜-電極組件，即MEA膜電極（Membrane-Electrode-Assembly）。MEA膜電極是燃料電池汽車的動力電源的最基本結(jié)構(gòu)單元。若干個(gè)MEA膜電極組裝在一起，稱為電堆。

4.2 燃料電池的優(yōu)點(diǎn)

①高發(fā)電效率：盡管不受卡諾循環(huán)的限制，燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率理論上可到80%，但實(shí)際上，其發(fā)電效率由于受所處的工作條件的限制，只能達(dá)到40%～60%；②高比能量：理論上，直接甲醇燃料電池的比能量是鋰離子電池的10倍；液氫燃料電池是鎳鎘蓄電池的800倍；③清潔、環(huán)境友好：特別是氫燃料電池，以氫氣為燃料，水為唯一產(chǎn)物，嚴(yán)格意義上的零碳排放；當(dāng)富氫氣體為燃料時(shí)，釋放的二氧化碳也大大少于熱機(jī)的二氧化碳釋放量，這將有效緩解溫室效應(yīng)；④低噪音：這是因?yàn)槿剂想姵貥?gòu)造十分簡略，工作時(shí)，運(yùn)動部件會很少，噪聲大大降低；⑤燃料種類廣泛：原則上，燃料電池可以以任何含氫原子的物質(zhì)為燃料；滿足了能源或動力來源多樣化的需要；⑥強(qiáng)過載能力：短時(shí)過載能力高，其更適用于汽車的加速、爬升等情況；⑦高可靠性：當(dāng)負(fù)載發(fā)生變動時(shí)，燃料電池反應(yīng)迅速，可按應(yīng)急電源或不間斷電源使用。

5 我國新能源汽車發(fā)展前景與展望

未來新能源汽車開發(fā)的幾個(gè)重點(diǎn)方向可能在于：①對新能源汽車的動力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)建模，研究其性能與壽命衰減機(jī)理、制定標(biāo)準(zhǔn)，確定故障診斷方法；②大力提高新能源汽車車載電池的安全性，只有解決了安全性的問題，才會加速電動汽車在國內(nèi)的普及與推廣；③車電分離是新能源汽車將來的發(fā)展方向之一，而解決電池技術(shù)問題實(shí)現(xiàn)車電分離的核心因素；④不完善的充電樁或換電站系統(tǒng)，與較高運(yùn)行成本都將影響新能源汽車的普及與商業(yè)化。