《新能源汽车关键技术研发系列 电动车辆能量转换与回收技术 第2版》李永，宋健作|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《新能源汽车关键技术研发系列 电动车辆能量转换与回收技术 第2版》

【作　者】李永，宋健作

【丛书名】新能源汽车关键技术研发系列

【页 数】 312

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2021.03

【ISBN号】978-7-111-67300-2

【分 类】电动汽车-能量转换-研究-电动汽车-回收技术-研究

【参考文献】 李永，宋健作. 新能源汽车关键技术研发系列 电动车辆能量转换与回收技术 第2版. 北京：机械工业出版社, 2021.03.

图书封面：

图书目录：

《新能源汽车关键技术研发系列 电动车辆能量转换与回收技术 第2版》内容提要：

本书论述了电动车辆能量转换与回收技术，是电动车辆领域的一部学术专著。全书共12章，前6章介绍了电动车辆能量转换、回收理论、微纳米能源衰退损伤的测试技术和电动车辆能量实验测试系统等，重点介绍了能量转换技术，包括动力电池轻量化技术、柔性电池技术、电池均衡技术、电磁能量技术等；后6章介绍了电动车辆能量回收技术，包括制动能量回收、压电能量回收、回收解耦、回收总线技术等。本书具有完整的理论体系和脉络，为电动车辆的发展提供了技术支撑。本书可以作为高等学校车辆、机械、机电、力学及宇航等专业本科生和研究生的教材或教学参考书，也可作为相关工程技术与研究人员的参考书或工具书。

《新能源汽车关键技术研发系列 电动车辆能量转换与回收技术 第2版》内容试读

第1章

绪论

随着汽车保有量的不断增长，汽车工业在世界经济发展中的地位越来越突出，已成为现代经济支柱产业之一，并对世界经济的发展和社会的进步产生巨大的作用和深远的影响。随着石油资源逐渐短缺，扭转目前以石油为主的能源利用格局，实现能源多样化成为未来汽车工业发展的趋势。混合动力系统已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速器一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。混合动力汽车是传统内燃机汽车与电动车辆相结合的产物，它继承了电动车辆低排放的优点，又发挥了石油燃料高的比能量和比功率的优点，显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性，增加了电动车辆的续驶里程，在由内燃机汽车向电动车辆的转变过程中扮演着重要的角色，如图1-1所示。电池是混合动力和纯电动车辆的关键部件之一。锂电池目前尚处于研究改进和迅速发展阶段，其主要优势在于具有较高的比能量，可以使电池更小、更轻；具有较好的充放电效率和低的自放电率，可以提高电池的能量效率，具有较大的潜在降价空间。从技术上来看，电动车辆中许多类型已经成熟，完全可以进行大规模生产。但电动车辆产业化的最大难题通常是成本，由于传统汽车经过长期发展，具有显著的规模经济和相关产业链支持，而电动车辆在其发展初期面临着规模较小、上

11OkW电机

1.5T发动机

6DT25双离合器变速器

图1-1混合动力车辆发动机结构示意图，包括内燃机与电机及匹配系统

1

电动车辆能量转换与回收技术第2版

下游产业链不完整等因素，导致电动车辆的成本通常较高。特别是电池技术滞后于电动车辆总体技术的发展，电池的能量密度、功率密度、循环性能、安全性能与倍率性能都急需迅速提高。

在人类社会可持续发展的进程中，我们的日常生活一直都在排放二氧化碳

(C02)。随着人类社会的发展，人口的增加与经济的增长等必将使C02排放增

加。工业与交通领域能源燃料燃烧也是产生C02排放的重要原因之一，特别值得

关注的就是车辆领域，传统内燃机车辆与电动车辆的C02排放对比示意图如图

1-2a所示。科学家们认为C02过度排放已经并将继续为地球和人类带来灾难，因

300

■动力输出

■能量存储

电池

250

200

电力

150

消耗

100

燃料

50

车辆

0

1.5dci1.6I16V

100%100%

100%

柴油

汽油

天然气

煤

混合

a

工厂分布式

供能系统

大型发电

微型燃气轮机

变电站

风能

商用分布式

供能系统

电力交易中心

数据中心

储能

抽水蓄能

燃料电池

电池

飞轮发动机

居民区

电动汽车

光伏发电

燃气轮机

b)

图1-2电动车辆系统宏观能量排放与传输示意图

)内燃机与电动车辆C02排放对比图b)电动车辆能量转换构架的设计模型

2

第1章

绪

论

此，控制和减少C02排放量是全球可持续发展共同面临的严峻挑战。随着电动车

辆技术的发展，如何通过新技术来节能减排，成为目前全球瞩目的可持续发展能源技术新亮点。现代工业和电动车辆等对可持续能源的应用需求激增，目前电动车辆发展的重点是内燃机与电池共同作为动力源的混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车。技术研发将围绕混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车展开。从发电结构来看，纯电动汽车所需要的电能在短期内仍然主要由煤炭、水电转化而来，二者之和占比超过90%，煤炭、水电相比其他发电方式仍具有明显的成本优势，因此短期内纯电动汽车所需要的能源主要仍由煤电和水电来提供。现代工业、电力与电动车辆系统等能量转换构架的设计模型示意图如图1-2b所示。可以看出，人们在拓宽可持续能源应用领域的进程中，越来越重视新技术对可持续能源系统的节能减排与多样化设计。如何研发替代传统能源的可持续发展新能源，对电动车辆等现代工业显得尤为迫切，势在必行。

中国电动车辆的快速发展引起了全球电动车辆产业的关注。根据中国电动车辆技术和市场的现状、面临的困难和发展的趋势，得出电动车辆锰酸锂与磷酸铁锂电池的综合性能与效益，如图1-3所示，有助于电动车辆的工程师、销售经理以及供应商抓住目前中国电动车辆发展的机遇，推动电动车辆的迅速发展。随着越来越多的消费者对电动车辆的认可及充电设备的普及，车辆充电不再是一个难题，未来中国的电动车辆销量将进一步攀升。

安全性

150%

价格

100%

循环性

50%

搁置性能

0%

倍率特性

能量密度

低温倍率

锰酸锂

高温性能

磷酸铁锂

图1-3锰酸锂与磷酸铁锂电池的综合性能与效益示意图

从新能源电池材料的发展来看，电动车辆拉动作用巨大。从电池正极材料来看，几乎所有的正极材料产能都是比较充裕的，中国正极材料出货量占全球的50%,但是产品层次相对不高。以电动车辆为代表的电动交通工具市场对锂离子电池的需求增长最快。

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电动车辆能量转换与回收技术第2版

快速充电模型与技术

快速充电也是目前电池技术的难题。电池损耗的重要原因是在充放电过程中，正负电极在吸收和释放电解质里离子时自身的膨胀和收缩。在充放电过程中，电极纳米粒子会相对统一地吸收和释放离子。但是如果只有少部分粒子吸收了所有离子，电极就会加速损坏，缩短电池寿命。学者们利用不同的电流对电池组进行不同时长的充电，然后迅速将它们分离并阻止充/放电过程，然后将电极

切成薄片，并利用同步加速X射线检测。科学家对锂电池电极里微小粒子行为

的研究表明，对电池快速充电，然后用于高功率快速耗电的工作，对电池的损伤没有人们预想的差，而缓慢充电和耗电所带来的益处可能也被过度夸大，快速充电电池电极里微小粒子模型如图1-4所示。这项结果挑战了1有关快速充电比缓慢充电对电极要求

【电解液

碳网

更高的观点。科学家可能改变电池电极或改变充电方式，以改进统一的充/放电过程，从而延长电池寿命。在充/放电过程中电极变化细节只是确定电

图1-4快速充电过程电池动态模型

池寿命的众多因素之一，但这一因素

在这项研究之前尚未被完全理解。科学家还发现了电池老化的新证据，可优化商业锂电池氧化物和石墨电极。他们研究了上千个电极纳米粒子，在不同条件下对充放电过程进行详细分析，获得充放电过程中动态表征，在保证较长电池寿命的前提下，发现优化电极可实现更快的充放电速率。科学家正与工业界密切合作，探寻如何在电动车辆领域应用快速充电。

科学家研制了纳米多孔电池，只需12min可完全充满，较目前长达数小时的充电周期大幅缩短。这种电池内部纵向排列了数以百万计的纳米孔，每一个纳米孔均内含固态电解质，两端作为阴阳极，也就是说，每一个纳米孔都是一个微型电池，它们组成纳米阵列进行充放电。研究人员将能量存储材料覆盖在纳米孔的两端，然后加入电解质，使每个独立纳米孔都成为一个电池。其最大优势在于能够快速充电，并且储存能量将提升10倍，在快充状态下能循环7000次。该电池相比传统电池，不仅容量大，而且充电速度大幅加快，循环寿命长，这将给电动车辆带来重大创新。

第1章

绪

论

无线充电关键技术

近年来，全世界对电动车辆的设计和制造等都提出了更高的要求，对提高电动车辆技术的需求日渐增长，但是，在电子器件增加的同时，电器配线和各种信号配线也越来越多，许多电动车辆的线束重量和线束直径已分别达到甚至超过了50kg和16cm,车内电线总长度可能超过10km。由于导线太多，严重地干扰了电动车辆零部件的设计、布局和制造，另外，给电动车辆的维修也带来许多不便，还制约了电子技术在电动车辆上的广泛应用。在这种情况下，研究人员一直在研究如何在不使用电线的情况下输电。他们利用了“共振”原理，当送电方的电源接通后，两个线圈都以10MHz的频率振动，从而产生强大的电磁场，送电方发出的电磁振动即可传到受电方。两个线圈虽未相连，仍可完成隔空供电，使灯泡发光。即使在电源与灯泡中间摆上木头、金属或其他电器，灯泡仍会发亮。“无线输电”技术的突破之处在于，找到了“抓住”电磁波的方法，即利用物理学的“共振”原理——两个振动频率相同的物体能高效转换能量。因此，研究人员先将能量囤积在发送端，而共振频率相同的接收端靠近时，这些能量就会通过共振效应将电流传送到接收端，最终实现电力的无线传播。

无线充电就是通过电磁的转换，将之前通过电缆进行转换的电能取消物与物的连接进行充电。没有电缆之间的连接，就给了电动车更多的自由度，这是电动车最需要的。目前，为了解决这个困境，采用二次能量存储和携带来供应电动车的运行能量，现在炙手可热的特斯拉汽车，也无法避免底盘周围庞大数量的电池布置。所以，我们看到大家对于电池发展的期待是非常高的，把“远程无线充电”列成一项值得期待的未来汽车变革技术，当然这项技术和目前的无线充电技术有没有关系、有着什么样的关系，还很难界定，或许我们目前能够看到的电磁世界对于支撑远程无线供电还不具备可能性，但是物理界以及相关的设备制备方面，这方面的能力仍然不可小视，这种可能性随时可能发生。如果远程供电能力不具备，则在一段路上铺设无线充电设备，电动汽车在这条路上行驶的过程中，就可以充电一这个技术难度有限，可能成本也比较高，但这种办法可以越过汽车电池的束缚。电动车如果少了电池有线充电这个包袱，一方面整体的成本可以降低，同时重量也可大幅度下降，更为重要的是，消费者担心的着火等事情和电动车辆就基本上脱离了关系，这些车辆比现有车辆更为安全，这才是人们真正期待的电动车辆，也是无线能量转换技术的特色。

无线充电技术源于无线电力输送技术。无线充电，又称为感应充电、非接触式感应充电，是利用近场感应，也就是电感耦合，由供电设备（充电器）将能量传送至用电装置，该装置使用接收到的能量对电池充电，同时供其本身运作之

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电动车辆能量转换与回收技术第2版

用。因为充电器与用电装置之间以电感耦合传送能量，两者之间不用电线连接所以充电器及用电装置都可以做到无导电接点外露。无线充电技术的商用为现有插电和换电模式新增了一种电动车辆充电模式，主要由地面能量发送模块和车载能量接收模块等组成，如图1-5所示。来自电网公司的交流电在地面能量发送模块里被转换成为几十千赫的电磁能，穿过地面与车底盘之间的空气间隙被装载于车底部的能量接收模块感应接收，之后再转变成为车载电池充电所需的电能。地面能量发送模块可以地埋，不影响路面的通过性，支持在都市核心区域利用现有路面和停车场进行改装建设大功率无线充电设施，可以有效提升新能源公交线路的系统投资效率和社会效益。该技术能够对加速电动车辆充电基础设施建设产生革命性推动作用，成倍提升投资效率，解决在都市核心地带大量建设充电设施的老大难问题，并且公交车在改造过的停车位停靠后就可以进行充电，无须人工插拔充电枪，完全不受泥沙和水浸的影响。大功率无线充电解决方案的优点总结为：站不征地、车不增负、充不动手、路不白跑、电不过放。

无线充电的原理其实就是电磁感成。通过一次线图的交流电产生磁场，次线图感应到磁场从而产生电流

逆变器

控制单元

电池

接收线

1「「交变电磁场

发射线圈

电动车无线充电，相比有线充电主要是多了接收线圈，简略了充电接口

充电电缆

图1-5电动车无线充电技术原理

无线充电主要分为以下三种。

电磁感应式充电：一次线圈中一定频率的交流电，通过电磁感应在二次线圈中产生一定的电流，从而将能量从转换端转移到接收端，如图1-6所示。目前最为常见的充电垫方案就采用了电磁感应，事实上，电磁感应解决方案已在电动车辆技术上实现，如图1-7所示。

6

···试读结束···