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新能源汽車結(jié)構(gòu)與檢修學習單元1新能源汽車的認知.pptx學習單元2動力電池的認知與使用.pptx學習單元3驅(qū)動電機的認知與檢修.pptx學習單元4純電動汽車的認知與使用.pptx學習單元5混合動力汽車的認知與使用.pptx學習單元6其他新能源汽車的認知.pptx全套PPT課件學習單元一新能源汽車的認知學習任務一:新能源汽車的認知一、新能源汽車的定義

新能源汽車英文為“Newenergyvehicles”。新能源汽車是指采用新型動力系統(tǒng),完全或主要依靠新型能源驅(qū)動的汽車。

新能源汽車的定義因國家不同其提法也不相同,在日本通常被稱為“低公害汽車”,2001年以日本國土交通省、環(huán)境省和經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省制定了“低公害車開發(fā)普及行動計劃”。該計劃所指的低公害車包括5類,即:以天然氣為燃料的汽車、混合動力汽車、電動汽車、以甲醇為燃料的汽車、排污和燃效限制標準最嚴格的清潔汽油汽車。

在美國通常將新能源汽車稱作“代用燃料汽車”。二、新能源汽車的分類新能源汽車包括純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車、氫發(fā)動機汽車、其他新能源汽車等。1.純電動汽車純電動汽車(BladeElectricVehicles,BEV)是一種采用單一蓄電池作為儲能動力源的汽車,它利用蓄電池作為儲能動力源,通過電池向電動機提供電能,驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn),從而推動汽車行駛。如圖1-1所示。圖1-1吉利帝豪EV450和比亞迪E5純電動汽車圖1-1吉利帝豪EV450和比亞迪E5純電動汽車圖1-1吉利帝豪EV450和比亞迪E5純電動汽車

其難點在于電力儲存技術。本身不排放污染大氣的有害氣體,即使按所耗電量換算為發(fā)電廠的排放,除硫和微粒外,其它污染物也顯著減少,由于電廠大多建于遠離人口密集的城市,對人類傷害較少,而且電廠是固定不動的,集中的排放,清除各種有害排放物較容易,也已有了相關技術。由于電力可以從多種一次能源獲得,如煤、核能、水力、風力、光、熱等,解除人們對石油資源日見枯竭的擔心。電動汽車還可以充分利用晚間用電低谷時富余的電力充電,使發(fā)電設備日夜都能充分利用,大大提高其經(jīng)濟效益。有關研究表明,同樣的原油經(jīng)過粗煉,送至電廠發(fā)電,經(jīng)充入電池,再由電池驅(qū)動汽車,其能量利用效率比經(jīng)過精煉變?yōu)槠?,再?jīng)汽油機驅(qū)動汽車高,因此有利于節(jié)約能源和減少二氧化碳的排量,正是這些優(yōu)點,使電動汽車的研究和應用成為汽車工業(yè)的一個“熱點”。有專家認為,對于電動車而言,目前最大的障礙就是基礎設施建設以及價格影響了產(chǎn)業(yè)化的進程,與混合動力相比,電動車更需要基礎設施的配套,而這不是一家企業(yè)能解決的,需要各企業(yè)聯(lián)合起來與當?shù)卣块T一起建設,才會有大規(guī)模推廣的機會。

優(yōu)點:技術相對簡單成熟,只要有電力供應的地方都能夠充電。

缺點:蓄電池單位重量儲存的能量太少,還因電動車的電池較貴,又沒形成經(jīng)濟規(guī)模,故購買價格較貴;至于使用成本,有些試用結(jié)果比汽車貴,有些結(jié)果僅為汽車的1/7~1/3。這主要取決于電池的壽命及當?shù)氐挠?、電價格。2.混合動力汽車

如圖1-2所示,混合動力汽車(HybridElectricVehicle,HEV)是指驅(qū)動系統(tǒng)由兩個或多個能同時運轉(zhuǎn)的單個驅(qū)動系聯(lián)合組成的車輛,車輛的行駛功率依據(jù)實際的車輛行駛狀態(tài)由單個驅(qū)動系單獨或多個驅(qū)動系共同提供。因各個組成部件、布置方式和控制策略的不同,混合動力汽車有多種形式。圖1-2比亞迪唐和榮威RX混合動力汽車混合動力汽車的優(yōu)點有:(1)采用混合動力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機的最大功率,此時處于油耗低.污染少的最優(yōu)工況下工作。需要大功率內(nèi)燃機功率不足時,由電池來補充;負荷小時,富余的功率可發(fā)電給電池充電,由于內(nèi)燃機可持續(xù)工作,電池又可以不斷得到充電,故其行程和普通汽車一樣。(2)因為有了電池,可以十分方便地回收制動時.下坡時.怠速時的能量。(3)在繁華市區(qū),可關停內(nèi)燃機,由電池單獨驅(qū)動,實現(xiàn)“零”排放。(4)有了內(nèi)燃機可以十分方便地解決耗能大的空調(diào).取暖.除霜等純電動汽車遇到的難題。(5)可以利用現(xiàn)有的加油站加油,不必再投資。(6)可讓電池保持在良好的工作狀態(tài),不發(fā)生過充.過放,延長其使用壽命,降低成本?;旌蟿恿ζ嚨娜秉c是長距離高速行駛基本不能省油。3.燃料電池電動汽車如圖1-3所示,燃料電池電動汽車(FuelCellElectricVehicle,F(xiàn)CEV)是指以氫氣、甲醇等為燃料,通過化學反應產(chǎn)生電流,依靠電機驅(qū)動的汽車。其電池的能量是通過氫氣和氧氣的化學作用,而不是經(jīng)過燃燒,直接變成電能。燃料電池的化學反應過程不會產(chǎn)生有害產(chǎn)物,因此燃料電池車輛是無污染汽車,燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機要高2~3倍,因此從能源的利用和環(huán)境保護方面,燃料電池汽車是一種最理想的車輛。圖1-3豐田Mirai燃料電池汽車

單個的燃料電池必須結(jié)合成燃料電池組,以便獲得必需的動力,滿足車輛使用的要求。近幾年來,燃料電池技術已經(jīng)取得了重大的進展。世界著名汽車制造廠,如戴姆勒-克萊斯勒.福特.豐田和通用汽車公司在2004年就已經(jīng)將燃料電池汽車投向市場。雖然燃料電池汽車優(yōu)點很多,并且也已有相對成熟的技術保障,但由于制造成本上升高.使用成本高等多種因素的限制,絕大多數(shù)廠家雖然推出了燃料電池汽車,但都沒有真正投入到市場。因此目前燃料電池轎車的樣車仍正在進行試驗,以燃料電池為動力的運輸大客車在北美的幾個城市中正在進行示范項目。在開發(fā)燃料電池汽車中仍然存在著技術性挑戰(zhàn),如燃料電池組的一體化,提高商業(yè)化電動汽車燃料處理器和輔助部汽車制造廠都在朝著集成部件和減少部件成本的方向努力,并已取得了顯著的進步。

與傳統(tǒng)汽車相比,燃料電池汽車具有以下優(yōu)點:

(1)零排放或近似零排放。

(2)減少了機油泄露帶來的水污染。

(3)降低了溫室氣體的排放。

(4)提高了燃油經(jīng)濟性。

(5)提高了發(fā)動機燃燒效率。

(6)運行平穩(wěn).無噪聲。

5.其他新能源汽車(1)空氣動力汽車利用空氣作為能量載體,使用空氣壓縮機將空氣壓縮到30MP以上,然后儲存在儲氣罐中。需要開動汽車時將壓縮空氣釋放出來驅(qū)動啟動馬達行駛。優(yōu)點是無排放.維護少。缺點是需要電源.空氣壓力(能量輸出)隨著行駛里程加長而衰減.高壓氣體的安全性不穩(wěn)定。(2)飛輪儲能汽車利用飛輪的慣性儲能,儲存非滿負載時發(fā)動機的余能以及車輛長大下坡.減速行駛時的能量,反饋到一個發(fā)電機上發(fā)電,再而驅(qū)動或加速飛輪旋轉(zhuǎn)。飛輪使用磁懸浮方式,在70000r/min的高速下旋轉(zhuǎn)。在混合動力汽車上作為輔助,優(yōu)點是可提高能源使用效率、重量輕儲能高、能量進出反應快、維護少壽命長;缺點是成本高,機動車轉(zhuǎn)向會受飛輪陀螺效應的影響。

(3)超級電容汽車

超級電容器是利用雙電層原理的電容器。在超級電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下,在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷,以平衡電解液的內(nèi)電場,這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上,以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上,這個電荷分布層叫做雙電層,因此電容量非常大。優(yōu)點是充電時間短、功率密度大、容量大、使用壽命長、免維護、經(jīng)濟環(huán)保等。缺點是功率輸出隨著行駛里程加長而衰減,受環(huán)境溫度影響大等。目前新能源汽車具有良好的市場,但畢竟是處于發(fā)展階段,如:成本,價格,銷售和技術等還面臨著很都困難。學習任務二:發(fā)展新能源汽車的必要性

石油短缺、環(huán)境污染、氣候變暖是全球汽車產(chǎn)業(yè)面對的共同挑戰(zhàn),各國政府及產(chǎn)業(yè)界紛紛提出各發(fā)展戰(zhàn)略,積極應對,以保持其汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,并提高未來的國際競爭力。新能源汽車已成為21世紀汽車工業(yè)發(fā)展的熱點。一、石油短缺

據(jù)石油巨頭英國石油公司(BP)發(fā)布的《世界能源統(tǒng)計年鑒2012》顯示,截至2011年年底,全球石油儲量約1.653萬億桶,比2010年增加8.3%,若按照現(xiàn)在全球每天非常保守的0.8億桶的耗速來看,當前世界石油儲量可供全球消費54年。從儲量上看,世界上排名前10名的國家和地區(qū)依次是:沙特阿拉伯,362億噸;加拿大,184億噸;伊朗,181億噸;伊拉克,157億噸;科威特,138億噸;阿聯(lián)酋,126億噸;委內(nèi)瑞拉,109億噸;俄羅斯,82億噸;中國,60億噸;利比亞,54億噸。

我國是一個能源短缺的國家,但卻是一個能源消費大國,僅次于美國。2011年我國石油消費量達到4.6億噸,成為世界第二大石油消費國。目前,我國人均石油消費量為世界平均水平的60%,石油占一次源消費比重僅為18%,低于世界平均水平(33%),預計未來我國石油消費仍將持續(xù)穩(wěn)定增長,處于上狀態(tài)。

石油在交通領域的消費逐年增長。據(jù)預測,到2020年交通用油占全球石油總消耗的62%以上。美國源部預測,2020年以后,全球石油需求與常規(guī)石油供給之間將出現(xiàn)凈缺口,2050年的供需缺口幾乎相于2000年世界石油總產(chǎn)量的兩倍。目前世界汽車保有量突破10億輛,預計到2030年全球汽車保有量將突破20億輛,主要增量來自發(fā)展中國家,其中中國增速居全球第一。

我國汽車產(chǎn)量逐年增加。2012年我國汽車產(chǎn)銷雙雙突破1900萬輛,再次突破記錄,產(chǎn)銷增速都超過了1%,蟬聯(lián)世界第一,中國已經(jīng)成為世界第一大汽車生產(chǎn)國和第一新車銷售市場我國汽車保有量增加迅速。至2011年8月底,我國汽車保有量突破1億輛,居世界第二位。預計到2020年,全國汽車保有量將達到2億輛,由此帶來的能源安全問題將更加突出。

汽車消費的快速增長導致石油消耗加速增長。中國機動車燃油消耗量約占全國總油耗的1/3以上,這也使得中國石油對外依存度每年都在不斷攀升。據(jù)統(tǒng)計,目前汽車用汽柴油消費占全國汽柴油消費的比例已經(jīng)達到了55%左右,每年新增石油消費量的70%以上被新增汽車所消耗。

我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展,對石油資源的需求激增,能源供需矛盾日益突出,對進口石油的依賴度不斷提高。2011年我國石油對外依存度達到56.5%,比2010年上升了1.7個百分點。2013年我國石油對外依存度將達60%左右。國際能源機構(gòu)預測,隨著越來越多中國消費者購買汽車,到2030年,中國石油消耗量的80%需要依靠進口。二、環(huán)境污染

燃油汽車在行駛過程中會產(chǎn)生大量的有害氣體,不但污染環(huán)境,還大大地影響人類健康。汽車尾氣排放的主要污染物為一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、鉛(Pb)、細微顆粒物及硫化物等。這些一次污染物還會通過大氣化學反應生成光化學煙霧、酸沉降等二次污染物。據(jù)統(tǒng)計,全球大氣污染42%源于交通車輛產(chǎn)生的污染。隨著城市機動車數(shù)量的快速增長,機動車排氣污染已成為城市大氣污染的主要貢獻者。一些城市機動車排放的污染物對多項大氣污染指標的貢獻率已達到70%以上。機動車排放污染已對城市大氣污染構(gòu)成了嚴重威脅。2013年春季,濃濃霧霾遮蔽中國的中東部地區(qū)。環(huán)保部門的數(shù)據(jù)顯示,從華北到中部乃至黃淮、江南地區(qū),都出現(xiàn)了不同程度的污染和嚴重污染。尤其是北京、天津、石家莊等城市由于低空近地面的空氣污染物久積不散,主城地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)空氣質(zhì)量重度污染和嚴重污染,包括PM2.5、PM10、硫酸或硝酸鹽等主要污染物徘徊在較高、超標濃度水平,形成嚴重的霧霾天氣,嚴重影響了人們的身心健康和日常出行,引起了全社會的廣泛關注,機動車是霧霾形成的重要因素之一。因此,必須研究改善城市機動車排放污染的對策和措施。

降低和控制機動車排放污染物的主要措施有:1.不斷完善和升級汽車油耗標準。通過制定和實施汽車油耗標準法規(guī),逐步提高汽車油耗水平。近年來,我國汽車行業(yè)相關油耗標準不斷升級,隨著汽車油耗標準法規(guī)水平升級,到2015年,當年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至6.9L/100km,節(jié)能型乘用車燃料消耗量降至5.9L/100km以下。到2020年,當年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至5.0L/100km,節(jié)能型乘用車燃料消耗量降至4.5L/100km以下;商用車新車燃料消耗量將接近國際先進水平。2.不斷完善和升級汽車排放標準。通過制定和實施汽車排放標準法規(guī),逐步提高汽車排放技術水平,降低汽車尾氣排放。近年來我國汽車行業(yè)排放標準不斷升級。所謂國X汽車排放標準,是我國借鑒歐洲汽車排放標準所制定出的汽車尾氣排放標準,該標準對汽車尾氣中排放的一氧化碳、氮氧化合物、微塵、碳煙等有害物質(zhì)的排放量有明確的限制,旨在控制汽車污染排放,提高環(huán)境質(zhì)量。從圖1-4可以看出,我們國家的國一標準自2000年實施以來,目前已經(jīng)進入到了國五標準,從2000年到現(xiàn)在短短18年的時間,我們走完了歐美國家近30年的排放升級之路。接下來我們就要落實國六標準了這次國六排放的實施時間分為了兩個階段:圖1-4我國汽車排放升級圖3.提高燃油品質(zhì)。燃油品質(zhì)在很大程度上限制了機動車排放污染物的水平,推遲了汽車排放法規(guī)的實施,因此,應盡快提高我國的燃油品質(zhì)。4.積極開展先進節(jié)能減排技術的研發(fā)和創(chuàng)新。汽車行業(yè)應大力發(fā)展混合動力技術,柴油機高壓共軌,汽油機缸內(nèi)直噴、均質(zhì)燃燒以及渦輪增壓等高效內(nèi)燃機技術和先進電子控制技術,先進傳動系統(tǒng)技術(包括六擋及以上機械變速器、雙離合器式自動變速器、商用車自動控制機械變速器等)。開展高效控氮氧化物等污染物排放技術研究等,積極推進有關先進技術的應用。5.大力發(fā)展節(jié)能與新能源汽車。2012年6月28日國家出臺了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)》,基本建立了節(jié)能與新能源汽車技術研發(fā)體系,積極推廣示范運行,初步形成節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)化能力,并取得積極進展。6.改善城市交通環(huán)境。在城市的環(huán)境保護中,即使是毎一輛機動車都達到了國家規(guī)定的排放法規(guī)要求,也不能保證城市的交通污染就一定達到環(huán)保標準要求。這是由于大量機動車在一定時間、空間內(nèi)的相對集中,從而造成城市的某一地區(qū)在排放污染物總量上超標。因此,從機動車管理的角度來考慮,就是要疏導交通,提高機動車運行速度,優(yōu)化路網(wǎng)布局,合理分配車流,減少城市中心區(qū)的車流密度,改善汽車運行工況,降低機動車污染物排放。三、氣候變暖

能源的大量消耗帶來溫室氣體排放問題。二氧化碳是全球最重要的溫室氣體,是造成氣候變化的主要原因,而它主要來自化石燃料的燃燒。

據(jù)世界上許多科學家預測,未來50~100年人類將完全進入一個變暖的世界。由于人類活動的影響,溫室氣體和硫化物氣溶膠的濃度增加過快,未來100年全球平均地表溫度將上升1.4~5.8℃,到2050年我國平均氣溫將上升2.2℃。

越來越多的證據(jù)足以證明,人類活動是造成氣候變暖的原因,而氣候變暖又是由于大氣中聚集了大量溫室氣體,主要是二氧化碳。交通領域二氧化碳排放成為關注重點。據(jù)IEA估計,汽車二氧化碳總排放量將從1990年的29億噸增加到2020年的60億噸。汽車對地球環(huán)境造成了巨大影響。

控制消費和節(jié)約能源是減少二氧化碳排放量的重要途徑。僅在工業(yè)發(fā)達國家,人均能源的消費指數(shù)在1-3不等,這就表明,節(jié)約能源的余地是極大的。當然,還可以考慮保持適當?shù)南M水平,同時用那些不會產(chǎn)生溫室效應的替代品來取代那些會造成污染的能源。

為了減少汽車對全球氣候變暖的影響,削減溫室氣體二氧化碳的排放,汽車應盡量采用小排量發(fā)動機和稀薄燃燒發(fā)動機,最大限度地提高能源利用效率,從而減少汽車對全球氣候變暖的影響。為了減少汽車二氧化碳的排放量,汽車二氧化碳排放法規(guī)開始實施。2008年,歐盟要求轎車二氧化碳排放達到140g/km,對于汽油車,對應油耗6L/100km以下;2012年,達到120g/km;2020年,達到100g/km。

如果中國采用一系列先進技術,包括電動汽車、天然氣汽車和以天然氣為燃料的內(nèi)燃機技術,到2030年,中國汽車二氧化碳的排放總量有可能降低45%。

在能源和環(huán)保的壓力下,新能源汽車無疑將成為未來汽車的發(fā)展方向。大力推進傳統(tǒng)汽車節(jié)能減排和新能源汽車產(chǎn)業(yè)化,成為中國汽車產(chǎn)業(yè)亟須解決的重大課題。學習任務三:認識汽車新能源

英國石油公司(BP)預測,到2030年之前,全球石油需求量的年增長率僅為0.8%,比其他任何類型能源都低,僅占到同期總體能源需求增長率的一半。與此同時,BP稱,全球能源需求增長中的三分之一將來自天然氣、生物燃料和其他可替代燃料。1.天然氣

天然氣是一種氣態(tài)化的石化燃料,主要存在于油田和天然氣田。天然氣和油田的石油伴生氣的主要成分是甲烷。甲烷在大多數(shù)天然氣中占90%以上,有的甚至占95%~98%。甲烷在石油伴生氣中一般占80%~85%,比在天然氣中占的量低一些。

天然氣的體積低熱值和質(zhì)量低熱值略高于汽油和柴油,但理論混合氣熱值比汽油和柴油低。應用于汽車時,在排放方面具有明顯的優(yōu)勢。與汽油車相比,天然氣汽車顆粒排放幾乎為零,NO2、CO和HC的排放也顯著降低,所以天然氣汽車在改善空氣質(zhì)量方面有著重要意義。因此,天然氣汽車技術也得到了快速發(fā)展,從過去的常壓天然氣汽車發(fā)展到壓縮天然氣(CNG)汽車和液化天然氣(LNG)汽車。

天然氣只能點燃而不能壓燃,應用于汽車發(fā)動機時,主要采用兩種燃燒方式:是火花點火式;二是利用柴油引燃柴油一天然氣混合燃料。按燃料供給方式可以分為:單燃料天然氣汽車,發(fā)動機為預混、點燃式;天然氣一汽油兩用燃料汽車,發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)與汽油機供給系統(tǒng)變化不大,具有天然氣和汽油兩套燃料系統(tǒng),可以對現(xiàn)行汽油車直接加裝天然氣系統(tǒng),成為天然氣一汽油兩用汽車;天然氣一柴油雙燃料汽車,利用柴油引燃天然氣一柴油混合燃料。2.液化石油氣

液化石油氣(LPG)是原油煉制汽油、柴油過程中的副產(chǎn)品,其來源廣泛,可以從石油伴生氣或天然氣中通過煉油廠催化裂化裝置獲得。液化石油氣的主要成分是丙烷C3H8此外還含有少量的丁烷C4H10、丙烯C3H6和丁烯C4H8。

液化石油氣的特點與天然氣相似,天然氣的體積低熱值和質(zhì)量低熱值略高于汽油,但理論混合熱值比汽油低,液化石油氣介于天然氣和汽油之間。在應用于汽車時,具有燃燒完全、積炭少、排放污染物少、怠速和過渡工況運行穩(wěn)定性好的優(yōu)點。

液化右油氣同樣只能點燃而不能壓燃,應用于汽車發(fā)動機時,主要采用兩種燃燒方式:一是火花點火式;二是利用柴油引燃柴油一液化石油氣混合燃料。按燃料供給方式可以分為:單燃料LPG汽車,發(fā)動機為預混、點燃式;LPG一汽油兩用燃料汽車,可以視情況交替使用LPC或汽油,具有LPC和汽油兩套燃料系統(tǒng),可以對現(xiàn)行汽油車直接加裝LPG系統(tǒng),成為LPC一汽油兩用汽車;TPC一柴油雙燃料汽車,利用柴油引燃LPG一柴油混合燃料。3.醇類燃料

目前最廣泛的醇類代用燃料主要是甲醇和乙醇。甲醇(木醇或木酒精)主要由天然氣、重油、石油腦、液化石油氣、煤炭、油頁巖、木材和垃圾等物質(zhì)提煉而成,乙醇俗稱酒精,主要通過含糖類作物(甘蔗、甜菜、甜高粱和糖蜜等)、淀粉質(zhì)作物(玉米、高粱、小麥、紅薯、馬鈴薯等)和纖維素原料(木材、木屑和谷物秸稈等)發(fā)酵生產(chǎn)。

醇類屬于含氧燃料,辛烷值高,有利于提高燃燒效率。這一特點很適合其作為汽油機的部分替代燃料。醇類燃料與柴油相比,其十六烷值、黏度、熱值和密度均比較低,與柴油之間不易溶解,但是醇類燃料通過增加添加劑實現(xiàn)與柴油的互溶,在柴油機中摻燒時,熱效率遠高于在汽油機的熱效率。

醇類在汽車上的應用主要有三種類型:摻燒、純燒和改質(zhì)。摻燒是醇類燃料的主要應用方式,可以分為:混合燃料法、熏蒸法和雙燃料系統(tǒng)法,其中混合燃料法應用較為廣泛,目前在山西、陜西、河南、黑龍江、四川、重慶、湖南等地均采用汽油摻混甲醇或乙醇,醇類的摻混比例在5%~20%。雙燃料系統(tǒng)法僅用于柴油機。純燒類型是指單純?nèi)紵状蓟蛞掖肌Πl(fā)動機需要做相關改造。改質(zhì)類型主要指醇類燃料的改質(zhì),再輸送至發(fā)動機使用。4.二甲醚

二甲醚(DME),屬于一種很簡單的脂肪醚,是甲醇重要的衍生物,五色易液化性能與液化石油LPC很相似。車用DME主要以煤、天然氣、木材為原料制取,生產(chǎn)過程并不復雜。目前,多用甲醇氣相脫水工藝(一步法),或甲醇液相脫水工藝(二步法)等兩種工藝獲取二甲醚,且已在內(nèi)蒙古鄂爾多斯、山東萊州都建立了生產(chǎn)基地。

二甲醚的分子式與乙醇相同,但分子結(jié)構(gòu)不同,因此其性質(zhì)也與乙醇有較大的區(qū)別。乙醇屬于高辛烷值類燃料,而二甲醚屬于高十六烷值(55~60)燃料,從而決定了其作為柴油替代品的優(yōu)勢。二甲醚同樣是含氧燃料,分子組成中含有34.8%的氧,且二甲醚具有高揮發(fā)性,應用于汽車發(fā)動機可降低柴油機噪聲、振動,實現(xiàn)無煙排放。

二甲醚在汽車上的應用主要采用兩種方式:純液態(tài)二甲醚缸內(nèi)直噴壓燃和二甲作為點火促進物質(zhì)在柴油機中應用。純液態(tài)二甲醚缸內(nèi)直噴壓燃是將柴油機加裝一套儲氣裝置和加壓設備,利用柴油機的供油系統(tǒng)進行二甲醚的缸內(nèi)噴射燃燒,可實現(xiàn)低NOX、無煙、無顆粒排放。二甲醚作為點火促進物質(zhì)在柴油機中應用,是將二甲醚作為部分燃料使其進人發(fā)動機,改善柴油機的性能與排放特性。對二甲醚加入抑制自燃的物質(zhì)后,也可以應用于火化點火式發(fā)動機。5.生物柴油

生物柴油是指以油料作物、野生油料植物、工程微藻等水生植物油脂以及動物油、餐飲廢油等為原料,通過交換工藝制成的有機脂肪酸類燃料,是生物質(zhì)能的一種,是可替代柴油的再生性柴油燃料。

生物柴油是可以替代柴油直接應用于柴油機。我國已經(jīng)頒布了《柴油機燃料調(diào)和用種生物柴油(BD00)》國家標準。生物柴油的優(yōu)點在于:不含硫、鉛、芳香烴及鹵化物十六烷值高且含氧,潤滑性能好,無毒性。當然,目前其生產(chǎn)價格仍高于柴油,用于生產(chǎn)生物柴油的原料尚不能保證供應。6.氫

與傳統(tǒng)汽車能源相比,氫是石油時代后最有希望的發(fā)動機能源。氫氣的主要來源是水,也可以來源于各種工業(yè)副產(chǎn)品。雖然氫氣本身的天然儲量不大,但作為氫氣的主要來源水資源卻十分豐富,而且氫氣燃燒后產(chǎn)生的還是水,能夠形成資源的快速循環(huán)。

氫氣與天然氣、汽油、LPC相比,單位質(zhì)量低、熱值高,約是汽油低熱值的2.7倍。氫氣可燃極限寬,易于實現(xiàn)稀薄燃燒,提高燃料使用經(jīng)濟性。同時可以降低最高燃燒溫度,大幅度降低NOX的排放。氫氣的自燃溫度高,有利于提高發(fā)動機壓縮比,從而提高發(fā)動機熱效率。氫氣的點火能量很低,在應用于發(fā)動機時,幾乎不出現(xiàn)失火,具有良好的,起動性能。氫氣的有害排放物少,不產(chǎn)生CO及CH,NOX的排放也較汽油機低。

以氫氣為能源的汽車主要通過兩種技術途徑進行應用:一是發(fā)動機直接改用氫氣燃料,二是氫氣燃料電池汽車,如圖1-5所示。圖1-5氫燃料汽車7.太陽能

太陽能的熱電利用是指將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換為熱與電供人們使用。按太陽總輻射量空間分布,可分為最豐富區(qū)、很豐富區(qū)、豐富區(qū)和一般地帶4個地區(qū)。而我國屬于上述一、二、三地區(qū)占國土面積96%以上,太陽能資源總量可達1.7×1012t標準煤發(fā)電可利用量可達22×108kW;資料顯示,我國1MW的太陽能熱發(fā)電站每千瓦時的發(fā)電成本約為2元,略高于光伏發(fā)電成本;10MW的電站發(fā)電成本約為1.5元,50MW的電站可降至1.2元左右,高于煤電成本。歐美國家估計,15~20年后,太陽能發(fā)電成本可達到煤電成本水平。我國太陽能利用發(fā)展較快,目前在太陽能供熱方面成為世界第一。

在汽車上利用主要是光伏發(fā)電供給電動汽車電能。目前主要以單晶硅電池為主,預計2020年可實現(xiàn)晶體硅電池和薄膜電池共同應用格局,再進一步發(fā)展多層復合砷化鎵太陽能電池。當前我國太陽能光伏利用還處于初級階段,電池成本較高。部分關鍵技術和設備還依靠進口,相關標準體系不完善已成為發(fā)展瓶頸,但發(fā)展戰(zhàn)略不會改變。學習任務四:中國新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀

發(fā)展新能源汽車,是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路,是應對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。以2009年“十城千輛”新能源汽車推廣應用示范工程為起點,中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近十年的發(fā)展,取得了令人矚目的成就,2018年銷量突破百萬輛、占全球市場份額超過50%。

自2012年國務院發(fā)布實施《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)》以來,我國堅持純電驅(qū)動戰(zhàn)略取向,新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了舉世矚目的成就,成為引領世界汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要力量。當前,全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃發(fā)展,汽車與能源、交通、信息通信等領域加速融合,推動汽車產(chǎn)品形態(tài)、交通出行模式、能源消費結(jié)構(gòu)和社會運行方式發(fā)生深刻變革,新能源汽車產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機遇。一、中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)由導入期邁向成長期,產(chǎn)銷規(guī)模全球第一

中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近20年的發(fā)展,產(chǎn)銷規(guī)模突破100萬輛、躍居全球第一。自2001年我國正式啟動“863”計劃電動汽車重大專項至今,行業(yè)經(jīng)歷了戰(zhàn)略規(guī)劃期(2001-2008年)、導入期(2009-2015年)、成長期(2016年至今)三個發(fā)展階段。如圖1-6至1-9所示,2010年我國新能源汽車銷量僅8159輛,2015年新能源汽車銷量達到33.1萬輛、滲透率首次超過1%,2018年銷量突破100萬、達到125.6萬輛,九年內(nèi)復合增速達到87.5%。從全球新能源乘用車市場來看,我國已連續(xù)四年占據(jù)全球第一。據(jù)EVSales統(tǒng)計,2018年全球新能源乘用車共銷售200.1萬輛,其中中國市場占105.3萬輛,超過其余國家總和,全球銷量前十大廠商中本土品牌共五席,合計占據(jù)全球31.7%的市場份額。

中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)已由導入期邁入成長期,仍有很大成長空間。2015年后,由于銷量基數(shù)變大與補貼退坡等原因,我國新能源汽車產(chǎn)銷增速有所放緩,但仍處于快車道。據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù),2019上半年國內(nèi)新能源汽車銷售61.7萬輛,同比增長49.6%,其中乘用車56.3萬輛,同比增長57.7%。從滲透率來看,2018年我國新能源汽車銷量達到125.6萬輛,約占全部汽車銷量的4.5%;截止到2019年6月我國新能源汽車保有量約344萬輛,而傳統(tǒng)燃油車保有量達到2.5億輛,新能源汽車保有量滲透率不到1.4%,成長空間廣闊。二、政策端:雙積分接力補貼構(gòu)建長效機制,擴大對外開放鼓勵高質(zhì)量競爭(一)補貼加速退坡,補購置轉(zhuǎn)向補運營與基礎設施

財政補貼自2017年開始明顯退坡,2019年繼續(xù)加速退出,2020年后完全退出。從2013年至今,工信部聯(lián)合其他部委先后發(fā)布6份新能源汽車購置補貼通知文件,4次調(diào)整財政補貼標準引導市場走向:1.退坡力度加大。以150≤R<250km純電動乘用車為例,相比2013年,里程補貼標準2014、2015、2016、2017、2018、2019分別退坡5%、10%、10%、28%、52-70%、100%,逐年加大;且規(guī)定從2017起地方補貼不得超過中央50%;2.鼓勵高能量密度、低電耗技術。以純電動乘用車為例,如圖1-10,1-11所示,2013-2016年財政補貼只考核續(xù)航里程,2017、2018、2019年分別增加了單位載質(zhì)量百公里電耗、電池系統(tǒng)能量密度、車輛帶電量這三項指標,補貼向高能量密度、低電耗新能源汽車傾斜。3.補貼轉(zhuǎn)向運營端和基礎設施建設。2018年11月四部委印發(fā)了“關于《提升新能源汽車充電保障能力行動計劃》的通知”,要求引導地方財政補貼從補購置轉(zhuǎn)向補運營,逐漸將地方財政購置補貼轉(zhuǎn)向支持充電基礎設施建設等環(huán)節(jié)。

(二)以雙積分政策為核心構(gòu)建新能源汽車發(fā)展長效機制

相比需求側(cè)的財政補貼而言,雙積分政策發(fā)力于供給端,既有節(jié)能油耗、新能源汽車積分占比的硬性約束,又有積分交易、轉(zhuǎn)讓的價格信號引導,將在后補貼時代對促進行業(yè)發(fā)展發(fā)揮重要作用。2017年9月工信部發(fā)布《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》,并于2018年4月開始實行傳統(tǒng)燃油車平均燃料消耗量(CAFC)積分和新能源汽車(NEV)積分并行管理政策。然而由于標準較為寬松,行業(yè)NEV正積分出現(xiàn)過剩、價格交易價格偏低。乘聯(lián)會數(shù)據(jù)顯示2018年NEV積分比例達到17%,遠高于10%的目標值,國內(nèi)首批交易積分均價僅有300-500元/分,遠低于中汽中心1000-1500元/分的指導價格。2016年至2018年國內(nèi)CAFC負積分從-124.47萬分擴大到-295.13萬分,企業(yè)實際油耗不降反升,有違雙積分政策初衷。2019年7月工信部發(fā)布《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》修正案(征求意見稿),主要體現(xiàn)出三點變化:1)傳統(tǒng)燃油車油耗趨嚴,鼓勵發(fā)展低油耗車型。新《積分辦法》將傳統(tǒng)燃油車測試方法從NEDC調(diào)整為WLTC工況,中汽中心數(shù)據(jù)顯示其油耗將較NEDC工況惡化10%。燃料消耗量目標值計算公式調(diào)整,目標值較現(xiàn)行辦法下降約10%;企業(yè)平均燃料消耗量計算方法中2021-2023年新能源乘用車和油耗不大于3.2L/100km車型倍數(shù)變?yōu)?.0/1.8/1.6和1.4/1.3/1.2,下調(diào)40%以上。這些舉措讓企業(yè)面臨更大的油耗挑戰(zhàn),促使企業(yè)提升節(jié)能技術水平或增加新能源汽車生產(chǎn)。2)NEV積分下調(diào),比例要求提高。根據(jù)新《積分辦法》,2021年至2023年新能源積分比例分別為14%、16%和18%,逐年上調(diào)2%。單車積分公式變化,同等技術條件下純電動和燃料電池汽車積分減半。積分上限做出調(diào)整,純電動、燃料電池和插電混動積分上限分別調(diào)整為3.4、6和1.6分,較當前辦法變動-32%、+20%和-20%。3)NEV積分允許結(jié)轉(zhuǎn),延續(xù)中小企業(yè)考核優(yōu)惠。之前由于NEV積分無法結(jié)轉(zhuǎn),削弱了發(fā)展新能源汽車積極性。新《積分辦法》允許19年NEV正積分等額轉(zhuǎn)接,20年正積分按50%比例結(jié)轉(zhuǎn),一定程度上增加NEV積分結(jié)轉(zhuǎn)與交易靈活性,助推傳統(tǒng)車與新能源車同步發(fā)展。

新《積分辦法》的出臺意味著新能源汽車發(fā)展重回節(jié)能減排本質(zhì),國家大力發(fā)展新能源戰(zhàn)略不變,但對能耗要求提高,鼓勵低油耗車型,插電混動車型等多技術路線發(fā)展。新辦法將推高新能源積分價值,托底新能源汽車增速,為行業(yè)長期發(fā)展保駕護航。合理假設情況下,新NEV積分政策可提升2021、2022、2023年新能源乘用車產(chǎn)量70、75、80萬輛左右。

(三)放開外資股比限制,擴大對外開放、鼓勵國際競爭

外資車企股比限制放開,將提高外資新能源車企在華建廠的積極性。2018年6月發(fā)改委、商務部聯(lián)合發(fā)布《外商投資準入特別管理措施(負面清單)(2018年版)》指出,從2018年7月28日起取消專用車、新能源汽車外資股比限制。該政策極大刺激了外資新能源車企在華建廠的積極性。以特斯拉為例,2018年7月,特斯拉掌門人馬斯克親赴中國,與上海臨港簽署純電動車項目投資協(xié)議,年產(chǎn)50萬輛純電動整車的特斯拉超級工廠將落戶臨港。

國內(nèi)動力電池市場也將重新迎來LG、三星等海外巨頭。2019年6月工信部發(fā)布公告稱,自2019年6月起廢止《汽車動力蓄電池行業(yè)規(guī)范條件》(以下簡稱《規(guī)范條件》),第一、第二、第三、第四批符合規(guī)范條件企業(yè)目錄同時廢止,動力電池領域競爭徹底放開。此前共57家電池企業(yè)入圍四批符合《規(guī)范條件》的企業(yè)目錄,包括寧德時代、沃特瑪、天津力神、國軒高科等知名企業(yè),但三星、LG、松下等日韓電池巨頭始終未進入目錄,搭載這些企業(yè)動力電池的新能源汽車也無法獲得補貼。而目錄廢止后,動力電池領域?qū)⒂瓉砀蛹ち业男袠I(yè)競爭。三、需求端:純電動乘用車成為主流,大型化高端化趨勢顯現(xiàn)

(一)分場景:乘用車銷量占比超過九成

如圖1-12,1-13據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù),2019H1我國新能源乘用車、商用車分別銷售56.3、5.4萬輛,各占據(jù)91.3%、8.7%的市場份額;與傳統(tǒng)燃油車市場一樣,乘用車是市場絕對的主角。從增速上看,自2016年起,新能源乘用車市場增速一直超過商用車,且優(yōu)勢不斷擴大;2019H1用車銷量同比增速58.7%、-6.6%,商用車銷量負增長。2015年之后行業(yè)增速放緩,作為新能源汽車推廣應用的主要陣地,新能源乘用車增速穩(wěn)定,而新能源商用車銷量持續(xù)下滑,主要有兩個原因:1.2016年發(fā)布補貼新政,新能源客車退坡力度更大,不僅最高補貼從50萬下滑到30萬,而且還增加了“單位載質(zhì)量能量消耗量”和“累計行駛里程超過3萬公里”硬性要求,補貼金額降低、獲取難度加大,商用車企業(yè)熱情大減;2.商用車是政府采購,基本是替代需求,總量比較固定,且受政府開支影響較大;另一方面,地鐵、城軌、氫燃料公交等交通工具取代了部分商用車需求。(二)分技術:純電動車型銷量占比近八成

如圖1-14至1-17所示,據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù),2019H1我國純電動汽車(EV)、插電混動汽車(PHEV)分別銷售49.1、12.6萬輛,各占據(jù)79.6%、20.4%的市場份額;其中乘用車、商用車領域EV分別占比78.2%、94.3%。2012年3月,科技部發(fā)布《電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項計劃》正式確立“純電驅(qū)動”技術轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略,之后從未動搖。受益政策傾斜,歷年EV無論是銷量還是增速一直高于PHEV,迅速成為市場的主流車型。2019上半年PHEV乘用車銷量同比增加37%,而PHEV商用車銷量同比下滑25%,除由于整個新能源商用車、乘用車市場增速差異之外,還有兩個原因:1.PHEV技術難度更大:PHEV結(jié)合了電動技術和燃油技術,難度更大。2.廠商缺少動力:PHEV商用車補貼遠少于EV商用車。以2016年客車補貼為例,EV客車補貼上限50萬元,PHEV客車補貼上限25,相比少了一半。四、供給端:乘用車市場形成三大陣營,外資車企開始發(fā)力

新能源乘用車生產(chǎn)企業(yè)按照背景可分為三大陣營:傳統(tǒng)自主品牌、造車新勢力、外資品牌。目前造車新勢力仍處于量產(chǎn)初期,僅蔚來、小鵬、威馬、理想等少數(shù)幾家企業(yè)實現(xiàn)量產(chǎn)交付,不過銷量都均未超過2萬輛。受此前股比限制與補貼影響,外資新能源車企發(fā)力較晚,當前主要以合資形式進入本土市場,如大眾與江淮、寶馬與長城、奔馳與比亞迪等。

目前國內(nèi)新能源乘用車市場仍是傳統(tǒng)車企主導。根據(jù)中機中心合格證數(shù)據(jù)統(tǒng)計,2019H1國內(nèi)新能源乘用車市場銷量前十名皆為傳統(tǒng)汽車品牌,排名從高到低依次是比亞迪、上汽、北汽、吉利、長安、江淮、長城、奇瑞、廣汽、華晨。2019H1新能源乘用車市場前三、前五、前十名市占率分別為48.1%、63.6%、87.2%,從趨勢上看,前三名份額穩(wěn)定,前五、前十名份額持續(xù)下降,前十名市場份額相比2016年下降7.5個百分點。五、技術端:三電技術水平快速提升整車,續(xù)航里程提升明顯

近年來我國純電動乘用車技術水平不斷提升,尤其是續(xù)航能力和電耗水平進步顯著。2017年第1批推廣目錄純電動乘用車型平均續(xù)航里程僅202.0km,到2019年第7批推廣目錄時,該數(shù)據(jù)暴漲到361.9km,兩年半時間續(xù)航里程提升71%,有效緩解了里程焦慮。此外,我國純電動乘用車電耗水平也有很大提升,單位載質(zhì)量百公里電耗不斷下降,平均值從第1批免征目錄的12.7Wh/100km*kg下降到第25批的8.6Wh/100km*kg,節(jié)能效果顯著。六、智能網(wǎng)聯(lián):已取得部分進展、核心技術尚不成熟

電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化正在成為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展潮流和趨勢。而電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化天生互補互融、相輔相成。電動汽車反應時間短(電動車約30毫秒、燃油車約500毫秒)、電池容量大(停車時可長時間給車聯(lián)網(wǎng)通信模塊供電)是汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化最好的載體,反過來智能化、網(wǎng)聯(lián)化可極大提升電動汽車駕駛體驗,擴大新能源汽車差異化競爭優(yōu)勢。如圖1-2所示,2016年節(jié)能與新能源技術路線圖戰(zhàn)略咨詢委員會和中國汽車工程學會在發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》中提出了智能網(wǎng)聯(lián)汽車“三橫兩縱”技術架構(gòu),之后又在2017年修改為“三縱三橫”新技術架構(gòu)。三橫強調(diào)技術,包含:車輛/設施技術、信息交互技術、基礎支撐技術;三縱強調(diào)場景,對應:公路自動駕駛、城區(qū)自動駕駛、共享自動駕駛。圖1-20節(jié)能與新能源汽車技術路線圖七、基礎設施端:充電樁保有量快速提升,充電難問題有所改善

受益國家政策激勵和下游需求拉動,我國公共充電基礎設施建設快速,充電樁保有量從2014年的3.3萬個快速增長到2018年的77.7萬個,4年時間保有量增長23.5倍,年復合增長率220.2%。對應車樁比從2014年的6.7:1減少到2018年底的3.4:1,充電難問題大幅改善。2015年10月工信部聯(lián)合其它部委發(fā)布《電動汽車充電基礎設施發(fā)展指南(2015-2020)》指出,到2020年我國將新增集中式充換電站超過1.2萬座,分散式充電樁超過480萬個,以滿足全國500萬輛電動汽車的充電需求。截止到2019年6月,我國公共充電樁+私人充電樁剛過100萬,還有很大差距。2019年7月,充電聯(lián)盟發(fā)布采樣913172輛新能源車搜集的車樁相隨信息統(tǒng)計數(shù)據(jù),結(jié)果顯示未能配建充電樁占比33.79%。其中居住地業(yè)主不配合、居住地沒有固定停車位、居住地報裝接電難度大等,是未能配建充電樁的主要問題。此外充電樁布局不合理、不互通共享、充電樁被占用、整體利用率偏低、充電時間長等問題,也需要重視。新能源汽車結(jié)構(gòu)與檢修學習單元二動力電池的認知與使用學習任務一:動力電池的認知一、動力電池的性能指標

動力電池從傳統(tǒng)的鉛酸電池發(fā)展到鎳氫動力電池、鈷酸鋰、錳酸鋰、聚合物、三元鋰、磷酸鐵鋰等先進的綠色動力電池,動力電池在比能量、比功率、安全性、可靠性、循環(huán)壽命、成本等方面,都取得很大的進步。當前,國際上各大電池公司紛紛投入巨資研制研發(fā)鋰離子動力電池,在技術上取得了一系列重大突破。新能源汽車電池將朝著燃料電池方向發(fā)展。

在電動汽車上,工作電壓在50~500V的電池普遍稱為動力電池。電動汽車最主要的部件是動力電池、電動機和能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng),而動力電池要實現(xiàn)快速充電、安全等高性能要求,對電池要求很高,電池必須具有高比能量、高比功率、快速充電和深度放電的性能,而要求成本盡量低、使用壽命盡量長。動力電池主要參數(shù)如下。

1.電壓(1)工作電壓:指電池在某負載下實際的放電電壓,通常是指一個電壓范圍。例如,鉛酸蓄電池的工作電壓在2V~1.8V;鎳氫電池的工作電壓在1.5V~1.1V;鋰離子電池的工作電壓在2.75V~3.6V。(2)額定電壓:又稱公稱電壓,是指該電化學體系的電池工作時公認的標準電壓。例如,鋅錳干電池為1.5V,鎳鎘電池為1.2V,鉛酸蓄電池為2V。(3)開路電壓:電池的開路電壓是無負荷情況下的電池電壓。開路電壓不等于電池的電動勢。必須指出,電池的電動勢是從熱力學函數(shù)計算而得到的,而電池的開路電壓則是實際測量出來的。(4)終止電壓:指放電終止時的電壓值,視負載和使用要求不同而異。以鉛酸蓄電池為例:電動勢為2.1V,額定電壓為2V,開路電壓接近2.15V,工作電壓為2V~1.8V,放電終止電壓為1.8V~1.5V(放電終止電壓根據(jù)放電率的不同,其終止電壓也不同)。(5)充電電壓:指外電路直流電壓對電池充電的電壓。一般的充電電壓要大于電池的開路電壓,通常在一定的范圍內(nèi)。例如,鎳鎘電池的充電壓在1.45V~1.5V;鋰離子電池的充電壓在4.1V~4.2V;鉛酸蓄電池的充電壓在2.25V~2.7V。2.容量容量是指在充電以后,在一定放電條件下所能釋放出的電量,其單位為A﹒h,容量與放電電流大小有關,與充放電截止電壓有關。(1)額定容量指在設計和生產(chǎn)電池時,規(guī)定或保證在指定放電條件下電池應該放出的最低限度的電量。(2)實際容量指在一定的放電條件下,即在一定的放電電流和溫度下,電池在終止電壓前所能放出的電量。它等于放電電流與放電時間的乘積。(3)比容量是指單位質(zhì)量或單位體積的電池所能給出的電量,單位為A﹒h/kg、A﹒h/L。3.能量

電池的輸出能量是指在一定的放電條件下,電池所能做出的電功,它等于電池的放電容量和電池平均工作電壓的乘積,其單位常用W﹒h表示。

電池的比能量有兩種。一種叫重量比能量,W﹒h/kg表示;另一種叫體積比能量,用瓦W﹒h/L表示。比能量的物理意義是電池為單位重量或單位體積時所具有的有效電能量。它的比較電池性能優(yōu)劣的重要指標。

必須指出,單體電池和電池組的比能量是不一樣的。由于電池組合時總要有連接條、外部容器和內(nèi)包裝層等,故電池組的比能量總是小于單體電池的比能量。4.功率

電池的功率是指電池在一定放電制度下,單位時間內(nèi)輸出的能量,常用單位為W或KW。比功率則是指單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率,單位為KW/kg或KW/L。5.放電率

放電率是指放電時的速率,常用“時率”和“倍率”表示。時率是指以放電時間表示的放電速率,即以一定的放電電流放完額定容量所需的時間。倍率是指電池在規(guī)定時間內(nèi)放出額定容量所輸出的電流值,數(shù)值上等于額定容量的倍數(shù)。6.放電深度

放電深度(Depthofdischarge,DOD)表示放電程度的一種量度,它是放電容量與總放電容量的百分比。7.荷電狀態(tài)

荷電狀態(tài)(Stateofcharge,SOC),是指剩余電量與額定容量或?qū)嶋H容量的比例。這一參數(shù)是在電動汽車使用中十分關鍵卻不易獲取的數(shù)據(jù)。8.內(nèi)阻

蓄電池的內(nèi)阻包括:正負極板的電阻,電解液的電阻,隔板的電阻和連接體的電阻等。9.貯存性能和自放電

電池經(jīng)過干貯存(不帶電解液)或濕貯存(帶電解液)一定時間后,其容量會自行降低,這個現(xiàn)象稱自放電。所謂“貯存性能”是指電池開路時,在一定的條件下(如溫度、濕度)貯存一定時間后自放電的大小。10.壽命

電池的壽命有“干貯存壽命”和“濕貯存壽命”兩個概念。電池的真正壽命是指電池實際使用的時間長短。

對一次電池而言,電池的壽命是表征給出額定容量的工作時間(與放電倍率大小有關)。對二次電池而言,電池的壽命分充放電循環(huán)壽命和濕擱置使用壽命兩種。

充放電循環(huán)壽命,是衡量二次電池性能的一個重要參數(shù)。經(jīng)受一次充電和放電,稱為一次循環(huán)(或一個周期)。在一定的充放電制度下,電池容量降至某一規(guī)定值之前,電池能耐受的充放電次數(shù),稱為二次電池的充放電循環(huán)壽命。充放電循環(huán)壽命越長,電池的性能越好。在目前常用的二次電池中,鎘鎳電池的充放電循環(huán)壽命500~800次,鉛酸電池200~500次,鋰離子電池600~1000次,鋅銀電池很短,約100次左右。

電動汽車使用的動力電池可以分為化學電池、物理電池和生物電池三大類。1.化學電池

將化學能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。主要部分是電解質(zhì)溶液、浸在溶液中的正、負電極和連接電極的導線?;瘜W電池按工作性質(zhì)分為原電池、蓄電池、燃料電池和儲備電池。(1)原電池

是利用兩個電極之間金屬性的不同,產(chǎn)生電勢差,從而使電子的流動,產(chǎn)生電流。如圖2-1所示。又稱非蓄電池,是電化電池的一種,其電化反應不能逆轉(zhuǎn),即是只能將化學能轉(zhuǎn)換為電能,簡單說就即是不能重新儲存電力,與蓄電池相對。如鋅—二氧化錳干電池、鋰錳電池、鋅空氣電池、一次鋅銀電池等。圖2-1原電池的工作原理(2)蓄電池

蓄電池又稱二次電池,是指電池在放電后可通過充電的方法使活性物質(zhì)復原而繼續(xù)使用的電池,而這種充放電可以達數(shù)十次到上千次循環(huán)。如鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等,如圖2-2所示。圖2-2蓄電池

(3)燃料電池

電池(FuelCell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池,電就被生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負極和電解質(zhì)等,像一個蓄電池,但實質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。

燃料電池又稱連續(xù)電池,是指參加反應的活性物質(zhì)從電池外部連續(xù)不斷地輸入電池,電池就連續(xù)不斷地工作而提供電能。如質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、直接甲醇燃料電池、再生型燃料電池等。

燃料電池十分復雜,涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統(tǒng)及自動控制等學科的有關理論,具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點??偟膩碚f,燃料電池具有以下特點:能量轉(zhuǎn)化效率高;它直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能,中間不經(jīng)過燃燒過程,因而不受卡諾循環(huán)的限制。燃料電池系統(tǒng)的燃料—電能轉(zhuǎn)換效率在45%~60%,而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%~40%。安裝地點靈活;燃料電池電站占地面積小,建設周期短,電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝,十分方便。

(4)儲備電池

儲備電池是指電池正負極與電解質(zhì)在儲存期間不直接接觸,使用前注入電解液或者使用其它方法使電液與正負極接觸,此后電池進入待放電狀態(tài),如鎂電池、熱電池等。

化學電池按電解質(zhì)分為酸性電池、堿性電池、中性電池、有機電解質(zhì)電池、非水無機電解質(zhì)電池、固體電解質(zhì)電池等。

化學電池按電池的特性分為高容量電池、密封電池、高功率電池、免維護電池、防爆電池等。

化學電池按正負極材料分為鋅錳電池系列、鎳鎘鎳氫系列、鉛酸系列、鋰電池系列等。2.物理電池

物理電池是利用光、熱、物理吸附等物理能量發(fā)電的電池。如太陽能電池、超級電容器、飛輪電池等。三、新能源汽車對動力電池的要求

作為電動汽車用的動力電池,必須滿足下列要求:1.體積小、重量輕、貯存能量密度高,使電動汽車的一次充電續(xù)駛里程長;2.能量輸出密度高,使電動汽車的加速性能和爬坡性能好;3.能夠快速啟動和運行,可靠性高;4.循環(huán)次數(shù)高,使用壽命長;5.環(huán)境適應性強,能在一定濕度下正常工作,抗振動沖擊性能好;6.連續(xù)放電率高,自放電率低,電池能夠適應快速放電的要求。自放電率低,以保證電池能夠長期存放。7.環(huán)保性能好,無二次污染,并有可再生利用性;8.維修方便,保養(yǎng)費用低;9.安全性好,能夠有效防止因泄露或短路引起的起火或爆炸;10.價格低,經(jīng)濟性好;11.燃料儲存、處理和輸送方便,能夠利用現(xiàn)有的燃油加油系統(tǒng)。學習任務二:鉛酸電池的使用與檢修

鉛酸蓄電池自1859年發(fā)明以來,其使用和發(fā)展已有100多年的歷史,廣泛用作內(nèi)燃機汽車的起動動力源。電動汽車用鉛酸蓄電池要用于給電動汽車提供動力,它的主要發(fā)展方向是提高比能量,增大循環(huán)使用壽命。

鉛酸蓄電池的定義是電極主要由鉛及其氧化物制成,電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。英語:Lead-acidbattery荷電狀態(tài)下,正極主要成分為二氧化鉛,負極主要成分為鉛;放電狀態(tài)下,正負極的主要成分均為硫酸鉛。一、鉛酸電池的組成

鉛酸蓄電池由3只或6只單格電池串聯(lián)而成,如圖2-6所示,每只單格電池電壓約為2V,串聯(lián)成6V或12V以供汽車選用,如圖2-7所示,它主要由極板、隔板、電解液、外殼、聯(lián)條和極柱等組成,下面分別加以介紹。圖2-6單格電池圖2-7蓄電池的結(jié)構(gòu)二、鉛酸電池工作原理

蓄電池的工作原理就是化學能和電能的相互轉(zhuǎn)化。它分為充電和放電兩個過程。

當鉛蓄電池接通外電路負載放電時,正極板上的PbO2和負極板上的Pb都變成了PbSO4,電解液中的硫酸變成了水。充電時,正極板上的Pb、SO4分別恢復成原來的PbO2和Pb,電解液中的水變成了硫酸。圖2-8蓄電池的工作原理三、蓄電池的正確使用與維護1.三抓(1)抓及時、正確充電:①放完電的電池24h內(nèi)送充電間;②裝車使用的電池應定期補充充電,放電程度,冬季不超過25%,夏季不超過50%;③帶電解液存放的蓄電池應定期補充充電。(2)抓正確使用操作①每次啟動時間不超過5s,啟動間隔時間15s,最多連續(xù)啟動3次;②車上蓄電池應固定牢靠,安裝搬運時應輕搬輕放。(3)抓清潔保養(yǎng)①保持蓄電池表面清潔;②及時清除蓄電池表面的酸液;③經(jīng)常疏通通氣孔。2.五防①防止過充和充電電流過大;②防止過度放電;③防止電解液液面過低;④防止電解液密度過大;⑤防止電解液內(nèi)混入雜質(zhì)。3.冬季使用蓄電池時的注意事項①應特別注意保持其處于充足電狀態(tài),以防結(jié)冰;

②冬季補加蒸餾水應在充電時進行,以防結(jié)冰;

③冬季容量降低,發(fā)動機啟動前應進行預熱,每次啟動時間不超過5s,每次啟動間隔應有15s;④冬季氣溫低,蓄電池充電困難,應經(jīng)常檢查蓄電池存電狀況四、蓄電池技術狀況的檢查1.外部檢查(1)檢查蓄電池封膠處有無開裂和損壞,極樁有無破損,殼體有無泄露,否則應修理或者更換。(2)疏通加液孔蓋的通氣孔。(3)清潔蓄電池外殼,并用鋼絲刷或極柱接頭清洗器清潔極柱和電纜卡子上的氧化物,清潔后涂抹一層凡士林或潤滑脂。2.檢查電解液液面高度

一般每行駛1000km或冬季行駛10~15天、夏季行駛5~6天,應檢查電解液液面高度。橡膠外殼蓄電池電解液液面高度應高出極板10~15mm,可用玻璃觀管測量。塑料外殼蓄電池呈半透明狀,液面應在廠方標明的上下刻線之間。3.檢查電解液密度

電解液密度的大小,是判斷蓄電池容量的重要標志。測量蓄電池電解液密度時,蓄電池應處于穩(wěn)定狀態(tài)。蓄電池充、放電或加注蒸餾水后,應靜置半小時后再測量。五、鉛酸電池的檢修

蓄電池在使用過程中,所出現(xiàn)的故障,包括外部故障和內(nèi)部故障。

外部故障有外殼裂紋、封口膠干裂、接線松脫、接觸不良、極柱腐蝕、電池爆炸等,如圖2-13所示。內(nèi)部故障則包括極板硫化、活性物質(zhì)脫落、自行放電、極板短路和柵架短路等。鉛蓄電池的外部故障容易察覺,現(xiàn)象比較明顯,可通過簡單的修補、除污、緊固等方法進行修復;而內(nèi)部故障則不易察覺,只有在使用或充電時才出現(xiàn)一定癥狀,一旦產(chǎn)生就不易排除。因此在使用中應以預防為主,盡量避免內(nèi)部故障產(chǎn)生。圖2-13普通鉛蓄電池的外部故障1.極板硫化蓄電池長期充電不足或放電后長時間未充電,極板上生成白色的粗晶粒硫酸鉛PbSO4的現(xiàn)象,叫做硫酸鉛硬化,簡稱“硫化”。粗晶粒硫酸鉛導電性差,正常充電很難還原,晶粒粗,體積大,且會堵塞活性物質(zhì)孔隙,而阻礙電解液的滲透和擴散,使蓄電池的內(nèi)阻增大,以至于在起動發(fā)動機時,不能提供強大的電流,導致不能起動故障。(1)故障特征①放電時,內(nèi)阻大,電壓急劇下降,不能持續(xù)供給起動電流;②充電時,內(nèi)阻大,單格電池的充電電壓高達2.8V以上,密度上升慢,溫度上升快,過早出現(xiàn)“沸騰”現(xiàn)象。(2)產(chǎn)生原因①蓄電池長期充電不足或放電后不及時充電,當溫度變化時,硫酸鉛發(fā)生再結(jié)晶;②蓄電池液面過低,電解液不足,極板上部與空氣接觸發(fā)生氧化后與電解液接觸,而生成粗晶粒硫酸鉛;③長期過量放電或小電流深度放電,使極板深處活性物質(zhì)的孔隙內(nèi)生成PbSO4;④電解液密度過高、電解液不純或氣溫變化劇烈;⑤新蓄電池初充電不徹底,活性物質(zhì)未得到充分還原。(3)排除方法①輕度硫化,用小電流長時間充電的方法予以排除②硫化較嚴重時,采用去硫化充電法充電恢復;③硫化特別嚴重時,予以報廢;(4)預防措施保持蓄電池經(jīng)常處于足電狀態(tài);放完電的蓄電池在24h內(nèi)送充電間充電;電解液密度符合規(guī)定。2.活性物質(zhì)脫落活性物質(zhì)脫落,主要指正極板上的活性物質(zhì)PbO2的脫落。嚴重時,電解液混濁并呈褐色。(1)故障特征充電時電解液混濁,有褐色物質(zhì)自底部上升,電壓上升過快,沸騰過早出現(xiàn),相對密度上升緩慢;放電時,電壓下降過快,輸出容量下降。(2)故障原因①充電電流過大:電解液溫度過高,使活性物質(zhì)膨脹、松軟而易于脫落;②過充電時間過長:水電解成H2和O2,從極板孔隙中大量逸出,在極板孔隙中造成壓力,而使活性物質(zhì)脫落;③低溫大電流放電:造成極板彎曲變形,導致活性物質(zhì)脫落;④汽車行駛時顛簸、振動。

(3)排除方法①沉積物較少時,可清除后繼續(xù)使用;②若沉積物較多時,應更換新極板和電解液。(4)預防措施

避免過充電和長時間大電流充、放電;安裝、搬運蓄電池時應輕搬輕放,避免振動、沖擊;蓄電池在汽車上的安裝應牢固可靠。4.極板短路蓄電池正、負極板直接接觸或被其它導電物質(zhì)搭接稱為極板短路。(1)故障特征充電電壓很低或為零,蓄電池溫度迅速升高,密度上升很慢或不上升,充電末期氣泡很少或無氣泡。(2)故障原因①隔板破損使正、負極板直接接觸;②活性物質(zhì)大量脫落,沉積后將正、負極板連通;③極板組彎曲;④導電物體落入池內(nèi);(3)排除方法出現(xiàn)極板短路時,必須將蓄電池拆開檢查。更換破損的隔板,消除沉積的活性物質(zhì),校正或更換彎曲的極板組等。5.極板柵架腐蝕

極板柵架短路主要出現(xiàn)在正極板上。(1)故障特征極板呈腐爛狀態(tài),活性物質(zhì)以塊狀堆積在隔板之間,蓄電池輸出容量降低。

(2)故障原因①蓄電池經(jīng)常過充電,正極板處產(chǎn)生的O2使柵架氧化;②電解液密度、溫度過高、充電時間過長,會加速極板腐蝕;③電解液不純。

一、中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)由導入期邁向成長期,產(chǎn)銷規(guī)模全球第一

中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近20年的發(fā)展,產(chǎn)銷規(guī)模突破100萬輛、躍居全球第一。自2001年我國正式啟動“863”計劃電動汽車重大專項至今,行業(yè)經(jīng)歷了戰(zhàn)略規(guī)劃期(2001-2008年)、導入期(2009-2015年)、成長期(2016年至今)三個發(fā)展階段。如圖1-6至1-9所示,2010年我國新能源汽車銷量僅8159輛,2015年新能源汽車銷量達到33.1萬輛、滲透率首次超過1%,2018年銷量突破100萬、達到125.6萬輛,九年內(nèi)復合增速達到87.5%。從全球新能源乘用車市場來看,我國已連續(xù)四年占據(jù)全球第一。據(jù)EVSales統(tǒng)計,2018年全球新能源乘用車共銷售200.1萬輛,其中中國市場占105.3萬輛,超過其余國家總和,全球銷量前十大廠商中本土品牌共五席,合計占據(jù)全球31.7%的市場份額。

(3)排除方法①腐蝕較輕的蓄電池,電解液中如果有雜質(zhì),應倒出電解液,并反復用蒸餾水清洗,然后加入新的電解液,充電后即可使用;②腐蝕較嚴重的蓄電池,如果是電解液密度過高,可將其調(diào)整到規(guī)定值,在不充電的情況下繼續(xù)使用;③腐蝕嚴重的蓄電池,如柵架斷裂、活性物質(zhì)成塊脫落等,則需更換極板。

蓄電池的故障除少數(shù)因質(zhì)量問題而造成外,大部分是因為使用維護不但所致,故應嚴格按規(guī)定正確使用和維護好蓄電池,以避免蓄電池的過早損壞。學習任務三:鋰離子電池的使用一、鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與原理

鋰離子電池是一種充電電池,它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電池時,L+從正極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極,負極處于富鋰狀態(tài);放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池,是現(xiàn)代高性能電池的代表。鋰離子電池容易與下面兩種電池混淆:(1)鋰電池:以金屬鋰為負極。(2)鋰離子聚合物電池:用聚合物來凝膠化液態(tài)有機溶劑,或者直接用全固態(tài)聚合物電解質(zhì)。圖2-14為鋰離子聚合物電池和液態(tài)鋰離子電池。

鋰離子電池是在上面兩種電池基礎上發(fā)展起來的一種新型電池,雖然作用原理大體相同,但結(jié)構(gòu)上做了不少改進,例如鋰離子電池一般以石墨類碳材料為負極。1.鋰離子電池的結(jié)構(gòu)組成

鋰離子電池內(nèi)部主要由正極、負極、電解質(zhì)及隔膜組成,正負極及電解質(zhì)材料的不同和工藝的差異使電池具有不同的性能,如圖2-15所示。目前市場上的鋰離子電池正極材料主要是鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰以及三元材料鎳鈷酸鋰,磷酸鐵鋰材料是目前最新研制的鋰離子電池正極材料;鋰離子電池負極主要是碳材料,新的負極材料有錫基、硅基、合金基材料(鈦酸鋰)等。2.鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池以碳素材料為負極,以含鋰的化合物作正極,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程,就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中,同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌(習慣上正極用嵌入或脫嵌表示,而負極用插入或脫插表示)。在充放電過程中,鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插,被形象地稱為“搖椅電池”。圖2-16鋰離子電池的工作原理圖二、鋰離子電池的應用(一)鋰離子電池具有優(yōu)越的性能1.單體電池工作電壓高達3.7V,是鎳電池的3倍,鉛酸電池的2倍。2.質(zhì)量比能量高達150Wh/Kg,是鎳氫電池的2倍,鉛酸電池的4倍,因此重量是相同能量鉛酸電池的四分之一。3.體積比能量高達到400Wh/L,因此體積是相同能量鉛酸電池的二分之一到三分之一。4.循環(huán)壽命長,循環(huán)次數(shù)可達1000-2000次。5.自放電率低,每月不到10%。6.無記憶效應,充電前不必像鎳鎘電池一樣需要完全放電,可以隨時隨地的進行充電。電池深度充放電,對電池的壽命影響不大,放電深度可達95%。(二)鋰離子電池的不足主要是正極材料LiCoO2的價格高,但按單位瓦時的價格來計算,已經(jīng)低于鎳氫電池,與鎳鎘電池持平,但高于鉛酸蓄電池;必須有特殊的保護電路,以防止過充。

(三)鋰離子電池在電動汽車上的運用1.日產(chǎn)聆風

聆風是日產(chǎn)推出的純電力驅(qū)動零排放汽車,它采用由層疊式緊湊型鋰離子電池驅(qū)動,電池組容量24千瓦時、最大輸出功率90千瓦。在完全充電的情況下,可以實現(xiàn)160公里的續(xù)航里程。另外,聆風提供了多種充電方式,如果在家中給聆風充電,需要8個小時可將車完全充電;如果在快速充電站充電,只需30分鐘即可充80%的電量。2.現(xiàn)代的BlueOn

現(xiàn)代的BlueOn電動車已經(jīng)應用了高能聚合物鋰離子電池,容量達到16.4千瓦時。聚合物鋰離子電池是從液態(tài)鋰離子電池基礎上發(fā)展來的新一代高比能電池。聚合物鋰離子電池在與液態(tài)鋰離子電池相同容量情況下,具有體積更小、重量更輕、工作范圍更廣、壽命更長等優(yōu)點,更重要的是其電解質(zhì)為固態(tài)或凝膠狀,不會出現(xiàn)液態(tài)電池電解液泄漏所造成的危險。3.奔馳S400Hybrid

奔馳明確表示S400是車廠第一款采用鋰電池的大規(guī)模量產(chǎn)車型。它一共由35個電池單元組成,可以提供19千瓦的輸出功率,容量為6.5安時。體積不大,可以直接放置在發(fā)動機艙里。圖2-20所示。圖2-20奔馳S400Hybrid及電池

學習任務四:鎳氫電池的使用一、鎳氫電池的認知

鎳金屬氫化物電池是由StanfordOvshinsky發(fā)明的,在他50年的工作生涯中,共為美國提供了400多項技術專利,涵蓋鎳氫電池,氫燃料電池,和薄膜太陽能電池等各方面。

當然,在斯坦福所有的發(fā)明中,最優(yōu)秀的莫過于鎳氫反應電池(Ni-MH電池)。這是一款可用于為混合型汽車充電的便攜電池,同時它也非常地環(huán)保。通用EV1汽車就采用了這種鎳氫電池。(一)鎳氫電池的定義

鎳氫電池是二十世紀九十年代發(fā)展起來的一種新型綠色電池,具有高能量、長壽命、無污染等特點,因而成為世界各國競相發(fā)展的高科技產(chǎn)品之一。

鎳氫(Ni-MH)電池與Ni-Cd電池有許多相同的特性,但由于無鎘,因此不存在重金屬污染問題,被稱為“綠色電池”,批量生產(chǎn)的成本約為鉛酸電池的四倍。Ni-MH電池單體額定電壓為1.2V,其負電極為經(jīng)吸氫處理后的儲氫合金,正電極為氫氧化鎳,電解液為KOH溶液。(二)鎳氫電池(Ni-MH)的材料構(gòu)成

鎳氫電池的材料構(gòu)成主要由電極材料、電解液、金屬材料及隔膜組成,正負極及電解液材料上不同工藝上的差異使電池有不同的性能,其中正極材料決定了電池的容量,負極材料決定了大電流或高溫工作時,電池充放電的穩(wěn)定性。目前正極材料多用高密度氫氧化鎳,負極材料為貯氫合金粉。(三)Ni-MH電池工作原理1.電解質(zhì)

主要用KOH作電解液(電解質(zhì)7moL/LKOH+15g/L

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