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纯电动汽车延长续航距离的关键之所在

发布者:阿强来源:

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纯电动汽车是如何使用的?许多读者应该有这个问题。 与汽油车辆相比,电动汽车的运行成本更低,并且不排放有害物质(二氧化碳和氮氧化物),不会对环境造成损害。作为汽车的未来形式,电动汽车经常成为热门话题。此外,它还可以在发生灾害时用作电源,因此在日本东部大地震后,人们的关注度进一步提高。但是如果有人问你,你想买吗?,很难点头。目前,电动汽车在街上真的很少见。 消费者不愿购买的主要原因应该是一次充电的续航距离太短。例如,2013年8月,日产汽车官方网站上记录的ev leaf(中文名称:灵峰)的官方巡航距离(jc08模式)为228公里,比过去长得多,理想情况下可以在东京和宇都宫之间行驶。 此外,还有基础设施收费的问题。如果电池没电了怎么办?可充电电池在使用过程中会变坏。如果不消除这些顾虑,电动汽车将很难普及。不久前,我碰巧坐了一辆电动出租车。幸运的是,作者问出租车司机,纯电动汽车怎么样?。嗯,电池在寒冷的天气里消耗得特别快。供暖似乎要花很多电。这个答案有点出乎作者的意料。加热是提高电动汽车燃油效率的关键。自19世纪下半叶发明汽车以来,燃料已经通过发动机燃烧了100多年,燃烧获得的能量被转化为驱动汽车的动力。为了防止发动机过热,它会一边行驶一边被冷却装置冷却,所以我们总是模糊地认为热量是一个障碍。但是在电动汽车时代,热量变得非常珍贵。随着电动汽车时代的到来,一项技术被着重提出,那就是蓄热技术。虽然作为驱动源的可充电电池也产生热量,但它没有发动机产生的热量大。目前,汽车供暖中发动机废热的损失意味着需要其他新的热源来提高冬季电动汽车的续航里程,而实现这一目标的关键技术之一就是蓄热技术。 行业目标值为1000kj/kg 在冬季,为了保持车内一定的温度,电动汽车的耗电量容易增加。因为空室外空气和车内空气的温差可能比夏天大。例如,当室外温度低于零度时,如果你想保持车内温度在20℃左右,温差将超过20℃。当然,夏天的冷空气也会消耗电能,但如果室内温度设为25℃,而室外温度为35℃,则温差仅为10℃。为了避免冬季过度消耗储存在充电电池中的电能,确保新的热源也是纯电动汽车不可或缺的重要技术。因此,许多汽车制造商密切关注新蓄热技术的出现。 如果能开发出一种具有高蓄热特性的新技术,其应用领域不仅包括电动汽车,还包括家庭和办公室等使用夜间电力的冷暖空气系统,有望作为全社会的能源对策得到广泛应用。 蓄热技术特性的指标之一是蓄热密度,它是指每1kg材料可以储存多少热量,单位为kj/kg。为了在未来的电动汽车中使用,作为汽车相关行业的研发目标之一,低温区(0 ~ 100℃)的存储密度为1000 kJ/kg。当然,大量的热量可以通过使用大量的蓄热材料(介质)来储存,但是最好是在汽车上安装时以尽可能小的重量和体积储存大量的热量。因此,作为未来目标,建议目标值为1000kj/kg。当然,这不是一个可以立即实现的价值。1000这个数字只是当前的挑战目标。 那么,这个数字是多少?以最常见的储热材料(介质)水(h2o)为例,我们在小学自然科学课上了解到,世界上上升和冷却最慢的材料是水。事实上,冬季使用的热水瓶和夜间用电的冰蓄冷都是利用水作为蓄热材料的作用。水在低温下的蓄热密度约为340 ~ 400千焦/千克。因此,要达到1000kj/kg,必须使用储热密度约为水的三倍的材料。 以轻重量储存大量热能是非常重要的。这和充电电池一样。如果它能以较轻的重量有效地储存热量,它有望用于汽车和飞机上,但重量有限。从我们身边的例子来看,有停电后仍可使用的冰箱,保温性能极佳的房屋,可以长时间保温的保温瓶,以及有制冷剂的饭盒,这些都有着广泛的应用。 实现目标的两条道路 可以极大地节约能源,并有助于通过方便地在本地存储热量来平均电力消耗,例如,使用家用空混合蓄热材料,以及通过夜间电力来存储热量。夜间用电制冰或烧水用于白天制冷和制热的技术已经投入实际使用。据估计,如果热泵储热中心采用夜间储热,可以将白天的最大耗电量降低20%。 大多数工业用蓄热材料利用潜热蓄热材料。潜热储存材料是指当它们从液体变成固体或从固体变成液体时能够储存或释放热能的物质。例如,把一个装满水的桶放在-30℃的温度下,水就会逐渐结冰。但是在完全结冰之前,水桶里的水温是0℃。也就是说,水在0℃时会不断释放热能。相反,把一个装满冰的桶放在零下30度,在冰完全融化之前,把桶里的水温保持在0度。水处于不断吸热(蓄热)的状态。除了水,还有许多实用的潜热储存材料。例如,无机水和物质如氯化钙水和物质,硫酸钠水和物质,乙酸钠水和物质,以及有机化合物如石蜡。然而,储热密度与水相似。从周围的例子来看,它已被用于制冷剂、冰枕、冷藏设备等。 那么,蓄热密度为1000kj/kg的蓄热技术能否实现?该行业以前曾设想过热量短缺的情况。虽然许多研究机构已经进行了自己的研究很长一段时间,似乎还没有开发出实用的技术。 有两种方法可以实现1000kj/kg的蓄热密度。首先,利用现有的蓄热材料进一步改善其蓄热特性。二是开发新型蓄热材料。关于前者,即改善现有蓄热材料特性的方法,目前正在进行各种研究。例如,德国研究机构Flawn的弗劳恩霍夫研究所正在联合开发一种利用沸石和水的储热技术。目前,主要设想将发电设施排放的热量作为水储存在水箱中。与只用水相比,沸石可以储存3 ~ 4倍的热量。这意味着储热容器的尺寸可以减小到仅用水时的大约1/4。沸石是一种多孔矿石,具有巨大的表面积。1g沸石颗粒的表面积达到1000m2。沸石颗粒利用巨大的表面积强烈吸收水蒸气。水蒸气通过物理化学反应变成水时损失的热量转移到沸石上,但是沸石的温度不会像只使用水时那样升高。因此,应该很容易长时间储存热量。 虽然基本原理以前已经广为人知,但它实际上并没有被用作蓄热技术应用的例子。研究小组最初通过使用1.5升和15升容器验证了蓄热过程的可能性。目前,降低成本的实验正在750升的规模上进行。该技术可长时间节约能源,经过数千次循环后,无变质现象,无有害物质排放。这些优势备受期待。 混合开发竞争 此外,从同一角度来看,许多研究机构正在开发利用纳米技术将储热材料加工成微粒的技术,以及将它们附着到具有微孔的材料上的技术。 此外,还有一种观点认为,仅通过改进现有的蓄热材料很难极大地改善特性。为了取得根本性的突破,提高蓄热材料的性能是一条捷径。如果我们能开发出新的材料,其特性大大超过现有的蓄热材料,就有望一举降低蓄热技术的总成本。因此,作为一种研发趋势,新型蓄热材料的研究日益兴起。 例如,代替主流的潜热储存材料型储热技术,使用化学反应的热产生和热吸收的化学反应型模式。化学反应型蓄热利用可逆的化学反应,伴随着发热和吸热。蓄热采用吸热反应,散热采用放热反应。优点是:蓄热密度高,在一定温度下发热,反应物质分离后易于储存。 在我们周围的材料中,一个典型的例子是在运动场上画线时使用的水合氧化钙(熟石灰)。如果氧化钙被加热,就会产生氧化钙(生石灰)和水。相反,当水加入到氧化钙中时,它会生成水氧化钙。这种化学吸热和放热反应预计将用于储热。氧化钙也是一种常用的食物干燥剂。这种干燥剂在添加水分后会迅速升温,因此提醒干燥剂不要接触水。干燥剂将氧化钙从水中分离出来并将其密封。它有时被用来加热便当和罐装日本葡萄酒。氧化钙和水之间的反应热为1500kj/kg。许多观点认为,如果反应的柔性控制机制能够付诸实践,将是一个重大突破。 此外,东京大学和麻省理工学院(mit)的联合研究小组也积极启动了材料开发,例如利用分子动力学模拟来设计储热材料。此外,近1 ~ 2年来,对热传导的重要元素声子的研究突然变得活跃起来。除了蓄热,包括隔热和散热在内的热管理研究也在增加。在这些研究中,可能会诞生超越以往技术的蓄热技术。 无论如何,我们正在积极促进尚未确立的技术的研究和开发。对全球技术趋势非常敏感的欧美风险企业也在独立推动研发。不难想象,围绕蓄热技术将会有激烈的技术竞争。 在不久的将来,如果正在进行的研究和开发取得成功,这将减少人们对电动车续航里程因供暖和空调问题而大大缩短的担忧。蓄热技术不仅是推动电动汽车普及的大好时机,也是结合储能技术解决能源问题的核心技术。

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