新能源汽车动力电源研究进展

刘瑜儒 范小平

兰州工业学院 甘肃 兰州 730050

1 新能源汽车的定义与分类

（1）定义。新能源汽车，英文名为New energy vehicles，是一种原理先进、具备新型结构与创新技术的新型先进汽车，其动力源自除常规（车用）燃料外的新能源[1]。

（2）分类。目前，新能源电动汽车主要有，混合动力型、插电式混合动力型、纯电动型与燃料电池汽车。

2 发展新能源汽车的背景与发展现状

2.1 发展新能源汽车的背景

绿色出行与节能减排已成为我国汽车工业的重要发展趋势。科学家们提出的尝试解决化石燃料与环境污染问题的方案之一是新能源汽车。清洁、无污染的新能源车的大力开发与扩张，在当今全球的汽车市场上，都已成为重要发展趋势。

2.2 我国新能源汽车的发展现状

未来一段时间内，制约我国新能源汽车全面商业化推广的主要因素之一可能仍是目前新能源汽车的价格仍较高。从工信部数据来看，近年来，我国新能源汽车产销量虽然在不断攀升（从2014年到2018年，其中，2016年受贸易战和补贴政策影响，导致产销量的增长暂缓），但新能源汽车的价格仍很高，其价格是同等动力燃油汽车的1.5倍[2]。

3 动力电源分类及工作原理

3.1 铅酸蓄电池

硫酸作为电解质溶液从注入口注入，铅及其氧化物作为电极，浸泡在电解质溶液中。铅蓄电池的工作原理如下所示：

3.2 镍镉蓄电池

镍镉蓄电池采用镉(Cd)金属为负极，正极采用氢氧化镍-镍，电解质溶液是氢氧化钾溶液。其基本工作原理如下：

负极：Cd + 2OH-→ Cd(OH)2+ 2e-（←充电）

正极：2NiO(OH) + 2H2O + 2e-→ 2Ni(OH)2+ 2OH-（←充电）

总反应： 2NiO(OH)+ Cd+ 2H2O =2Ni(OH)2+ Cd(OH)2

镍镉蓄电池优点在于其比较轻巧、抗震能力较强、使用寿命可长达7到25年，使用温度范围较宽（-20～45℃）。因此，镍铬蓄电池适用于小型电子设备。其缺点在于会引起环境污染，并有记忆效应。

3.3 镍氢蓄电池

镍氢蓄电池以储氢合金为负极，镍氢氧化物为正极。镍氢蓄电池工作原理为：

负极：MHab+ OH-→M + H2O + e-

正极：NiOOH + H2O + e-→ Ni(OH)2+ OH-

总反应：Ni(OH)2+ M = NiOOH + MH

注：M代表镍合金，ab代表吸附。

3.4 锂离子电池

锂离子电池构造为包括正负极和电解质溶液。LiFePO4，Li2MnO3，LiCoO2等含锂离子（Li+）的化合物可以作为正极，石墨通常作为负极。锂离子（Li+）在充放电过程中，在正负两个电极之间往返，并伴随嵌入和脱出，从而完成充放电过程。

锂离子电池的特点是：①高能量密度；②高工作电压 （约为4.0V）；③小体积，是氢镍电池的70%；④轻质量，是镍氢电池的50%；⑤无环境污染、寿命长等。

3.5 燃料电池

燃料电池，英文名Fuel Cell，简写为FC。

燃料电池是主要由阴极、阳极、电解质和外部电路四部分组成。

以氢-氧燃料电池为例，工作时，向阳极供给氢气，氢气分子在阳极失去电子解离成H+，H+通过质子交换膜进去阴极：2H2- 4e-→ 4H+。向阴极供给空气或氧气。在阴极上，氧气分子获得从阳极穿越过来的H+结合，生成水：O2+ 4H++ 4e-→2H2O。其总反应方程式为：2H2(氢) + O2(氧) → 2H2O (水)。电子则沿外部电路移向阳极，形成通路。

4 燃料电池汽车

4.1 基本结构单元

将组成燃料电池基本结构的阳极、阴极、膜三个基本组件热压并复合加工在一起，形成电极-膜-电极组件，即MEA膜电极（Membrane-Electrode-Assembly）。MEA膜电极是燃料电池汽车的动力电源的最基本结构单元。若干个MEA膜电极组装在一起，称为电堆。

4.2 燃料电池的优点

①高发电效率：尽管不受卡诺循环的限制，燃料电池能量转化效率理论上可到80%，但实际上，其发电效率由于受所处的工作条件的限制，只能达到40%～60%；②高比能量：理论上，直接甲醇燃料电池的比能量是锂离子电池的10倍；液氢燃料电池是镍镉蓄电池的800倍；③清洁、环境友好：特别是氢燃料电池，以氢气为燃料，水为唯一产物，严格意义上的零碳排放；当富氢气体为燃料时，释放的二氧化碳也大大少于热机的二氧化碳释放量，这将有效缓解温室效应；④低噪音：这是因为燃料电池构造十分简略，工作时，运动部件会很少，噪声大大降低；⑤燃料种类广泛：原则上，燃料电池可以以任何含氢原子的物质为燃料；满足了能源或动力来源多样化的需要；⑥强过载能力：短时过载能力高，其更适用于汽车的加速、爬升等情况；⑦高可靠性：当负载发生变动时，燃料电池反应迅速，可按应急电源或不间断电源使用。

5 我国新能源汽车发展前景与展望

未来新能源汽车开发的几个重点方向可能在于：①对新能源汽车的动力系统实现精准建模，研究其性能与寿命衰减机理、制定标准，确定故障诊断方法；②大力提高新能源汽车车载电池的安全性，只有解决了安全性的问题，才会加速电动汽车在国内的普及与推广；③车电分离是新能源汽车将来的发展方向之一，而解决电池技术问题实现车电分离的核心因素；④不完善的充电桩或换电站系统，与较高运行成本都将影响新能源汽车的普及与商业化。