电动汽车动力电池及电源管理第一章电动汽车与动力电池发展历程

目录,本章学习目标,1.能够描述动力电池及电动车辆发展简史 2.能够分析制约动力电池和电动汽车发展的因素 3.能够分析推动动力电池与电动汽车发展需解决的问题 4.能够描述当前应用在电动汽车上的动力电池类型,1.电动汽车与动力电池发展历史,2.电动汽车与动力电池发展现状,3.预测电动汽车与动力电池发展趋势,1.电动汽车与动力电池发展历史,学习目的,蓄电池的发明,1800年代，亚历山大· 伏特制成了人类历史上最早的电池，后人称之为伏特电池。 1830年，威廉姆·斯特金解决了伏特电池的弱电流和极化问题，使电池的使用寿命大大延长。 1836年，约翰·丹尼尔进一步改进了伏特电池，提高了伏特电池的稳定性，后人称之为丹尼尔电池。它是第一个可长时间持续供电的蓄电池。 1859年，法国科学家普兰特加斯东(Plant Gaston)最早发明的一种能够产生较大电流的可重复充电的铅酸电池。,图片小贴士,伏特电池的小故事 1799年，伏特把一块锌板和一块银板浸在盐水里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。于是，他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片，平叠起来。用手触摸两端时，会感到强烈的电流刺激。伏特用这种方法成功的制成了世界上第一个电池“伏特电堆”，成为早期电学实验、电报机的电力来源。,伏特（左）向拿破仑（右）展示伏打电堆,图片小贴士,丹尼尔电池的小故事 1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良。他使用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，制造出第一个不极化，能保持平衡电流的锌铜电池，又称“丹尼尔电池”。,图片小贴士,普兰特和他发明的铅酸电池,1899年Waldmar Jungner发明了Cd-Ni电池 ； 1901年爱迪生发明了Fe-Ni电池； 1984年波兰的飞利浦（Philips）公司成功研制出LaNi5储氢合金，并制备出MH-Ni电池。,图片小贴士,发明大王爱迪生和他的铁镍电池,1991年，可充电的锂离子蓄电池问世，实验室制成的第一只18650型锂离子电池容量仅为600mA·h； 1992年，SONY公司开始大规模生产民用锂离子电池。 1995年，日本索尼公司首先研制出100A·h锂离子动力电池并在电动汽车上应用，展示了锂离子电池作为电动汽车用动力电池的优越性能，引起了广泛关注。,电动机的发明,1740年代，第一个电动马达是由苏格兰僧侣安德鲁戈登（Andrew Gordon）创建的简单的静电设备。 1821年英国人迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发明电动机实验室模型，只要有电流通过线路，线路就会绕着一块永久磁铁不停地转动，成为电动机发展的雏形。,图片小贴士,法拉第及其发明的电动机,1827年，匈牙利物理学家安幼思·杰德利克（ÁnyosJedlik）开始尝试用电磁线圈进行实验。杰德利克解决一些技术问题后，称他的设备为“电磁自转机”。虽然只用于教学目的，但第一款杰德利克的设备已包含今日直流电动机的三个主要组成部分：定子，转子和换向器。,1831年，美国人约瑟夫·亨利改进了法拉第电动机，使用电磁铁代替永久磁铁，提高了输出功率，从而向实用电动机发展跨出了重要一步。 1834年，德国人莫里茨·赫尔曼·雅可比对亨利电动机作了重要革新，把水平的电磁铁改为转动的电枢，并加装了换向器，制成了第一个电动机样机。1838年，制造出世界上第一台实用直流电动机，安装在船上，并试航成功。从此，电动机就完成了从实验室模型到实用电动机的转化。,图片小贴士,亨利和亨利电动机,图片小贴士,雅可比电动机,1835年，美国一位铁匠汤马斯·达文波特（Thomas Davenport）制作出世界上第一台能驱动小电车的应用电动机，并在1837年申请了专利。 1870年代初期，世界上最早可商品化的电动机由比利时电机工程师Zenobe Theophile Gamme所发明。1888年，美国著名发明家尼古拉·特斯拉应用法拉第的电磁感应原理，发明交流电动机，即为感应电动机。 1902年，瑞典工程师丹尼尔森利用特斯拉感应电动机的旋转磁场观念，发明了同步电动机。,图片小贴士,达文波特及其发明的电动机,电动汽车的发展历程,第一阶段 电动汽车的发明 早在1830年代，苏格兰发明家罗伯特·安德森(Robert Anderson)便成功地将电动机装在一部马车上，1842年又与托马斯·戴文波特(Thomas Davenport)合作，打造出世界上第一部以电池为动力的电动汽车，采用不可充电的玻璃封装蓄电池，开创了电动车辆发展和应用的历史。 1847年，美国人摩西·法莫制造了第一辆以蓄电池为动力可乘坐两人的电动汽车。,图片小贴士,罗伯特·安德森的电动马车,第二阶段 电动汽车的发展 1881年11月，法国人古斯塔夫·特鲁夫在巴黎展出了一台电动三轮车。加上乘员后总重 量达到了160千克，时速达到了12千米。1882年，威廉姆·爱德华·阿顿和约翰·培理也制成了一辆电动三轮车，车上还配备了照明灯。这辆车的总重量提高到了168千克， 时速提高到了14.5千米。 随后的1890年，威廉姆莫瑞逊在美国制造了一辆能行驶13h、车速为14mile/h的电动汽车。1891年，美国人亨利·莫瑞斯制成了第一辆电动四轮车，实现了从三轮向四轮的转变，这是电动车向实用化方向迈出的重要一步。,1895年，由亨利·莫瑞斯（Henry Morris）和皮德·罗·沙龙（Pedro Salom）制造的Electrobat，安装了两台驱动电机，能以20mile/h的速度行驶 25mile。,1897年，美国费城电车公司研究制造的纽约电动出 租车实现了电动车的商用化运营。 1899年，贝克汽车公司在美国成立生产电动汽车。公司生产的电动赛车的车速能超过120km/h，而且是第一辆座位上装有安全带的乘用车。,1899年5月，一个名叫卡米勒· 杰纳茨(Camille Jenatzy)的比利时人驾驶一辆44kW双电动机为动力的后轮驱动的子弹头型电动汽车，创造了时速68mile (110km)的记录，并且续驶里程达到了约290km。这也是世界上第一辆时速超过100公里的汽车。,图片小贴士,卡米勒· 杰纳茨驾驶的子弹头型电动汽车,图片小贴士,1900年，BGS公司生产的电动汽车创造了单次充电行驶180mile的最长里程纪录。 电动汽车在出租车领域得到应用。,图片小贴士,纽约街头的电动出租车,第三阶段 电动汽车的繁荣 19世纪末到1920年是电动车发展的一个高峰。 据统计，到1890年在全世界4200辆汽车中，有38%为电 动汽车，40%为蒸汽车，22%为内燃机汽车。1900年，美国制造的汽车中，电动汽车为15755辆，蒸汽机汽车为1684辆，而汽油机汽车只有936辆。 到了 1911年，就已经有电动出租汽车在巴黎和伦敦的街头 上运营。美国首先实现了早期电动车的商业运营，成为发展最快、 应用最广的国家。,图片小贴士,1903年的电动汽车（hybrid）,图片小贴士,公共交通领域使用的电动车,到了1912年，已经有几十万辆电动汽车遍及全世界，被广泛使用于出租车、送货车、公共汽车等领域。据统计，1912年，在美国登记的电 动汽车数量达到了34000辆。电动汽车产销量在1912年达到最大，在20世纪20年代 仍有不俗表现。,19世纪末的电动出租汽车,图片小贴士,1910年的电动汽车广告,图片小贴士,1912年的电动汽车,图片小贴士,爱迪生的电动汽车,图片小贴士,第四阶段 电动汽车的衰落 在美国得克萨斯州发现了石油，使得汽油价格下跌，大大降低了汽油车的使用成本。在18901920年期间，全世界石油生产量增长了10倍。 1911年，查尔斯·科特林(Charles Kettering)发明了内燃机自动启动技术；1908年，福特汽车公司推出了T型车，并开始大批量生产，内燃机汽车的成本大幅度下降，1912年电动车售价1750美元，而汽油车只要650美元。,1913年，福特(Ford)建立了内燃机汽车装配流水线，几乎使装配速度提高了8倍，最终使每工作日每隔10秒钟就有一台T型车驶下生产线。内燃机汽车进入了标准化、大批量生产阶段。亨利-福特以大批量流水线生产方式生产汽油车使得汽油车价格更加低廉，使其价格从1909年的850美元降到了1925年的260美元。内燃机汽车应用方便、价格低廉的优点逐步显现。,虽然同一时期电动汽车用的动力电池技术也在飞速发展，在19101925年间，电池存储的能量提高了 35%，寿命增长了300%电动汽车的行驶里程增长了230%，与此同时，价格降低了63%，但汽油的质量能量密度是电池的l00倍，体积能量密度是电池的40倍。在使用性能方面，燃油汽车的续驶里程是电动汽车的2-3倍，动力电池充电时间也明显长于内燃机汽车燃油的加注时间。,电动汽车续驶里程短、充电时间长成为无法与内燃机汽车相抗衡的致命因素。随着道路交通系统的改善，导致对长距离运输车辆的需求不断增加，电动汽车的黄金时代仅仅维持了20多年，便走向衰退。,第一次世界大战后，电力牵引技术应用的重点转移到公共交通领域，如火车、有轨电车和无轨电车。随着内燃机汽车设计和制造技术的发展，在很多地区，有轨电车和无轨电车也逐步被柴油驱动的内燃机汽车取代了。20世纪20年代，电动汽车几乎消失了。,第五阶段 电动汽车的复苏 第二次世界大战后欧洲和日本的石油供给紧张，电动汽车在局部地区出现了复苏迹象。1943年，仅仅在日本就有3000多辆电动汽车处于注册状态。 20世纪40年代，电动汽车续驶里程只有5060km，最高时速仅为3035kn/h，其性能仅能满足短途、低速运输的需要。,进入20世纪60年代，内燃机汽车大批量使用导致了严重的空气污染。不仅如此，更严重的是内燃机汽车对石油的过分依赖，导致一系列的政治问题和国家安全问题。 20世纪70年代初，世界石油危机对美国乃至世界经济产生了重大影响，而电动汽车由于其良好的环保性能和能摆脱对石油的依赖性，重新得到社会各界的重视。,图片小贴士,1959-1960 Henney Kilowatt电动汽车（量产了100台）,Sebring-Vanguard制造的CitiCar（生产了2000台）,20世纪70年代末期，德国戴姆勒奔驰汽车公司生产了一批LE306电动汽车，采用铅酸电池。电压180V，容量180Ah，铅酸电池质量为1000kg。有它激直流电动机，电动机最高转速为6000r/min。有效载荷为1450kg，总质量为4400kg。最高时速为50km/h，最大爬坡度为16%，原地起步加速到50km/h的时间为14s，续驶历程可达120km。,图片小贴士,1969年宝马生产的电动汽车,意大利为了降低空气污染，20世纪80年代末建立了电动汽车车队，共投入52辆电动汽车试验，所有车均用铅酸电池。1990年菲亚特汽车公司生产 “熊猫一览 lef/ra”，载重量为1330kg，车速为70km/h，续驶里程为100km，采用铅酸电池，或改用镍镉电池车速可达100km/h ，续驶里程达180km。,1976年，美国国会通过了纯电动汽车和混合动力电动汽车的研究开发和样车试用法令(The Electric and Hybrid Vehicle Research Development and Demonstration，拨款1.6亿美元资助电动汽车的开发。,1977年，第一次国际电动汽车会议在美国举行，公开展出了100多辆电动汽车。1978年，美国通过第95238公法(Federal Nonnuclear Act),予以修订增加对电动汽车研发的拨款，政府同时责成能源部电力研究所与电力公司加快研制电动汽车的技术，并加大资金投入，责成国家阿岗实验室与电池公司合作研制供电动汽车用的高性能蓄电池。从此，国际上开始了第二轮的电动汽车研发高潮。,1988年，在美国洛杉矶地区的市议会上曾有人提出，引入国际竞争机制，进行年产10000辆电动车辆，包括5000辆卡车和