4000字精炼,3分钟掌握“新能源车和电池”知识

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声明:本文仅为梳理公司和行业的基本面信息、研究分析和思考,并非提供任何个股推荐和投资建议。投资有风险,入市需谨慎。

碳达峰:指全球、国家、城市、企业等主体的碳排放在由升转降的过程中,碳排放的最高点即碳峰值。

#碳中和# :指人为排放源与通过植树造林、碳捕集与封存(CCS)技术等人为吸收汇存达到平衡。碳中和狭义指二氧化碳排放,广义也可指所有温室气体排放。

3060:中国承诺到2030年前碳达峰,2060年前碳中和。

30碳达峰目标:2030年单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右,森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米,风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。

狭义清洁能源:指可再生能源,消耗后可恢复补充,很少产生污染,如水能、生物能、太阳能、风能、地热能和海洋能。

广义清洁能源:在生产和消费过程中,对环境低污染或无污染的能源,如天然气、清洁煤和核能。

中国汽车发展三大方向:节能汽车,新能源汽车$新能源汽车(BK0441)$ ,智能网联汽车

新能源汽车的三大类型:纯电动汽车,混合动力(含增程式)汽车,燃料电池电动汽车$燃料电池(BK0604)$ 

新能源汽车的三纵三横:三纵指纯电动汽车、插电式混合动力(含增程式)汽车、燃料电池汽车,三横指电池(动力电池与管理系统)、电机(驱动电机与电力电子)、电控(网联化与智能化技术)。

纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车的优缺点:

纯电动汽车的优点是零排放无污染。缺点是续驶里程不及其他两类,充电时间长、电池成本高、处理废旧锂蓄电池存在污染。

混合动力汽车的优点是续驶里程与传统动力车相当,燃油经济性比传统动力汽车好,造价相对较低。缺点是车上打造了内燃发动机,存在碳排放,会对环境产生污染。

燃料电池汽车的优点是零排放无污染、续驶里程与传统动力汽车相当,添加燃料(压缩氢气)时间短。缺点是目前造价高昂、加氢站等基础设施缺乏、氢气制备成本高。

世界上第一部混合动力汽车:1900年,保时捷创始人费迪南德·波尔舍推出了第一台混合动力原型车,将两台水冷汽油机装在车身中间,分别用它们驱动两台发电机,构成两套发电单元。发电机输出的电能直接驱动外转子轮毂电机,剩余的电能则流入电池组储存起来。发电机发过来可以用作发动机的起动机。

汽车双积分制:平均燃料消耗量积分+新能源汽车积分,政府从这两方面对车企进行积分核算管理,如积分不够就需要向其他车企进行购买、交易或转让。

新能源车六大总体目标:2020年10月27日,由工信部装备工业一司指导,中国汽车工程学会牵头组织编制的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》(简称“路线图2.0”)正式发布,提出面向2035年的六大总体目标:

我国汽车产业碳排放总量先于国家碳排放承诺于2028年左右提前达到峰值,到2035年碳排放总量较峰值下降20%以上;

新能源汽车逐渐成为主流产品,汽车产业基本实现电动化转型;

中国智能网联汽车技术体系基本成熟,产品大规模应用;

关键核心技术自主化水平显著提升,形成协同高效安全可控的汽车产业链;

建立汽车智慧出行体系,形成汽车交通、能源、城市深度融合生态;

技术创新体系优化完善,原始创新水平具备全球引领能力。

新能源车产业链全景: 

新能源汽车的五个共性关键性技术:整车集成技术,电驱动技术,能量存储技术,燃料电池技术,高压电气技术。

纯电动汽车的构成:驱动电机系统+电源系统+整车控制器+辅助系统

驱动电机是电动汽车的发动机:发动机是把化学能转化为机械能,而驱动电机是把电能转化为机械能。驱动电机将动力电池的高压直流转变成驱动电机的高压三相交流电,进而产生旋转力矩,通过传动装置传递给车轮,实现车辆的行驶。

电动汽车驱动电机的四种类型:直流电机,异步电机,永磁同步电机,开关磁阻电机

逆变器:是把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成定频定压或调频调压交流电(一般为220V,50Hz正弦波)的转换器。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。

电动车补充能量的二种方式:

充电,利用充电桩给电池充电,可分为快充(大功率直流充电)和慢充(低功率交流充电)。未来向无线充电、移动充电方式发展。

换电,用充满电的电池换下车上的旧电池,又叫电池租赁。目前有纯手动形式、半自动形式和机器人换电三种模式。

充电设施运营模式有五种:政府主导模式、企业主导模式、用户主导模式、混合模式、众筹模式。

动力电池的类型:

化学电池:利用物质的化学反应发电,铅酸蓄电池、镍铬蓄电池、金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池、燃料电池等(已量产应用)

物理电池:利用光、热、物理吸附等物理能量发电,飞轮电池、超级电容、太阳能电池等

生物电池:利用生物化学反应发电,微生物电池、酶电池、生物太阳能电池(未来重要方向)

动力电池对续驶里程影响五要素:

电池放电深度

电池比能量

电池箱串联电池个数

电池箱并联电池个数

自行放电率

电池容量:完全充电的蓄电池在规定条件下所释放的总电量,等于放电电流与放电时间的乘积,单位A·h或kA·h。

电池能量:在一定放电制度下电池所能输出的电能,单位W·h或kW·h。

比能量:从蓄电池的单位质量或单位体积所获取的电能,分为质量比能量(W·h/kg)、体积比能量(W·h/L)。

电池密度:包括能量密度和功率密度。能量密度分为质量能量密度和体积能量密度,指从蓄电池的单位质量或单位体积所获取的电能,单位W·h/kg或W·h/L。功率密度也分为质量功率密度和体积功率密度,指从蓄电池的单位质量或单位体积所获取的输出功率,单位W/kg或W/L。

电池功率:在一定放电制度下电池单位时间内所输出能量的大小,单位W或kW。

比功率:从蓄电池的单位质量或单位体积所获取的输出功率,分为质量比功率(W/kg)、体积比功率(W/L)。

电池效率:动力电池作为能量存储器,充电和放电之间的可逆电化学转换中存在一定的能量损耗,通常用容量效率和能量效率来表示。容量效率指电池放电时输出的容量与充电时输入的容量之比,能量效率是指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比。

动力电池技术发展目标:《节能与新能源汽车技术路线图2.0》(简称“路线图2.0”)中同时提到动力电池技术发展目标。 

电池的四大要素:

正极,作为氧化剂,一旦发生电池反应,本身被还原。

负极,作为还原剂,一旦发生电池反应,本身被氧化。

电解质,在正负极之间,作为离子通道的离子传导性物质。

分隔膜,位于电解质中,防止正负极活性物质直接发生反应的隔膜。

固态电池的三个优点:

相对于液体状态的有机电解液,固态电池不存在漏液及腐蚀问题

有更高的分解电压窗口以及更高的锂离子迁移数(接近1)

结构紧凑,可加工性能强

铅酸电池:正极使用二氧化铅,负极使用海绵状铅,电解液为硫酸溶液,主要用在低速电动汽车上。优点是性价比高、功率特性好、自放电小、高低温性能优越、运行安全可靠、回收技术成熟、铅的再利用率高。使用超过一个世纪,长期以来是世界上产量最大的二次电池。

镍氢电池:正极使用氢氧化亚镍,负极使用储氢合金,电解质为氢氧化钾,在混合动力电动汽车上应用较多。是镍铬电池的新发展,也是取代铅酸电池的产品。优点是质量比能量高、循环寿命长、耐过充电、耐过放电,主要用于空间领域。

锂离子电池:正极使用磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂和三元材料等锂化合物,负极使用可嵌入锂离子的碳材料,电解质一般为有机电解质,目前较好的电解质是六氟磷酸锂。纯电动汽车主要应用锂离子蓄电池。

锂的优点:最轻的金属,具有极低的电化学还原电位(-3.045V)和高电化学当量,其电化学比能量密度也相当高。锂化合物用作高能电池的正极材料性能显著,特别是,离子半径很小的锂离子在电池充放电中的穿梭运动,既构成了电池放电时的闭合电路,又在充电时赋予电子足够高的能量。因而,锂离子电池单体额定电压高、能量密度高、自放电率低,且无污染、没有记忆效应。

三元正极:指锂离子电池的正极材料由三种材料制成,主要有镍钴锰、镍钴铝。

锂离子电池三大类型:

消费类3C电池,要求能量密度大、安全系数高

动力电池,主要应用于新能源车,要求功率密度大、快充性能好

储能类电池,要求电池成本低廉,能量密度大

石墨烯电池:为提高锂离子电池的正极材料导电性,需加入导电添加剂,石墨烯就是一种很好的导电添加剂。这种利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性开发出的新能源电池便是石墨烯电池。石墨烯电池具有比能量高、充电时间短、使用寿命长、重量轻、成本低等特点。

石墨烯:是目前自然界最薄、强度最高、导电导热性最强、电阻率最小,兼具优异光学性质的材料,抗拉强度可达125GPa,比弹簧钢高200倍,同时又有很好的弹性。被称为“黑金”,是“新材料之王”。

锂硫电池:以单质硫为正极,金属锂为负极,采用聚合物电解质,是目前已知锂离子电池中具有较高理论放电容量的电池体系之一。具有比容量高、成本低、使用温度范围宽、耐过充能力强等优点,且硫的资源极为丰富,将是下一代高性能锂电池的代表和方向。

钠硫电池:以熔融硫为正极,熔融钠为负极,使用具有钠离子传导性的固体电解质。理论能量密度高达760W·h/kg,主要用于夜间电力的储藏,以及对于输出变动大的风电和太阳能发电的输出稳定化用途。

金属空气电池:以电极电位较低的金属,如锌、铝、镁、铁等为负极,以空气中的氧或纯氧为正极的活性物质,主要有锌空气电池、铝空气电池、镁空气电池等。具有比能量高、价格便宜和性能稳定等特点。比锂离子电池具有更大的能量密度和更高的循环寿命。

超级电容:一种具有超级储电能力、可提供强大脉冲功率的物理二次电源,是介于蓄电池和传统静电电容器之间的新型储能装置。它主要是利用电极/电解质界面电荷分离所形成的双电层或借助电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第准电容来实现电荷和能量的储存。

氢燃料电池:工作原理是将氢气送到燃料电池的阳极板(负极),经过催化剂的作用,氢原子中的一个电子被分离出来,失去电子的氢离子穿过质子交换膜,到达燃料电池阴极板(正极),与氧原子和氢离子重新结合为水。因此只要不断给阳极板供应氢,给阴极板供应空气,并及时把水蒸气带走,就可以持续提供电能。

氢气储存的四种储存方式:高压储氢,液氢储氢,固态储氢,有机液态储氢

氢气的制备方法:

化石燃料制氢(天然气、石油气、焦炭、无烟煤、甲醇)

水电解制氢

含氨工业尾气回收氢

可再生资源制氢(生物质制氢、太阳能光解制氢、城市固体废物气化技术)

车载制氢(醇类、烃类和金属氢化物)

世界上最早的电池-巴格达电池:至少2000年前,在伊拉克首都巴格达附近的帕尔蒂亚人利用黏土陶罐制作了简易电池,以铜为正极、铁为负极,有机发酵液体(可能是葡萄酒或醋)为电解液,用来制作金银饰物时,作为电镀的电源。

现代电池的原型-青蛙腿实验:1780年,意大利生物学家易吉·伽伐尼将剥去皮的青蛙腿搭在铁棒上,并用一根黄铜丝,一头缠在青蛙腿上,一头绕在铁棒上,发现青蛙腿会不断震颤和痉挛。有人认为,黄铜丝作为正极、铁棒作为负极,青蛙腿中的体液作为电解液,从而构成电池,产生的电流刺激青蛙腿的肌肉产生了震颤。

世界上第一个真正的电池-伏打电池:1800年,意大利物理学家亚历山德罗·伏打用铜板和锡板,放入多个注入食盐水的杯子,并相互串联,做成电池。然后又进一步,将铜板和锌板数十层相叠,其间注入稀硫酸作为电解液,也做成电池。这些就是著名的伏打电池,伏打电池的电压是1.1V,电压的单位伏特就是以伏打的名字命名的。

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2022-09-06 11:35

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