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KP-09 燃气轮机-蒸汽轮机联合循环电站演示模型

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新能源

李方正著科普书

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新能源以翔实的材料，全面展示了新能源的种类和特点 。介绍了万世长青的太阳能、焕发青春的风能、风采十足的海洋能、潜力无穷的生物质能、热情洋溢的地热能、异彩纷呈的核能和能源家族中的新秀——氢和锂。同时，也介绍了传统的化石能源的新近概况，特别是埋藏量巨大的煤炭的地位和用煤的新技术，以及多功能的石油、天然气和油页岩的新用途和开发问题。

书名：新能源

作者：李方正

出版社：化学工业出版社

出版时间：2008-05-01

丛 书 名：科学探索丛书

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基本信息

《新能源》

新能源

作　者：李方正 编

丛 书 名：科学探索丛书

出 版 社：化学工业出版社

ISBN：9787502593438

出版时间：2008-05-01

版　次：1

页　数：291

装　帧：平装

开　本：小16开

内容简介

当今在化石能源出现危机、逐渐枯竭的时候，人们便把目光聚集到那些分散的、可再生的新能源上。 因为新能源分布广泛，甚至是取之不尽，用之不竭的。

电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，当采用电动轮驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略。

1.什么是电动汽车续驶里程？

续驶里程是指电动汽车一次充满电后的最多行驶里程。续驶里程主要取决于带电量和百公里耗电量。现阶段，纯电动汽车百公里耗电量平均为15度。市场上销售的部分车型，如北汽E150EV满载电量约为25.6度，一次充电可行驶160公里；比亚迪E6满载电量约为60度，一次充电可行驶300公里；特斯拉Model S满载电量约为85度，一次充电可行驶480公里。

　2、电动汽车特点

电动汽车具有零排放、低噪音、加速性能好、怠速零能耗等特点，性能优势逐渐凸显。电动汽车初期加速能力，从0到50公里时速用时6.6秒，大约和1.6升排量的汽油车相当。在城市拥堵情况下，汽油车怠速油耗远远超过行驶时的油耗。电动汽车在怠速情况下，耗电为零，适合城市工况下使用。

3、你需要什么样的电动汽车？

主要取决于三个因素：出行需求，续驶里程，基础设施布局。据统计，北京单车日平均行驶里程为46公里，现阶段，市场上的'车型一次充电可行驶200公里左右，加上正逐渐部局基础设施，完全能满足城市日常出行需求，企业提供的商业优惠租赁将解除您出行之忧。

4、电动汽车使用成本低

从经济的角度看，通常一辆1.6升排量的汽油车，上下班高峰的百公里油耗达9升左右，花费为9升×7.75元/升（92号汽油价格）=69.75元。而一辆相同排量和电动车的百公里耗电约为15度，花费仅为15×0.831元/度=12.5元，电动汽车的使用费用只有汽油车的五分之一。电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，当采用电动轮驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略。

纯电动汽车算新能源车，新能源是广义的非常规可再生能源，不同于煤炭、石油、天然气等常规的不可再生能源。科技部主办的中国科普网将新能源定义为通过光、风、水、地热能、生物质能、海洋能、核能等新方式获得的能源。，而这些物质本身是不能作为动能转发的，它们有一个共同点，就是转化为电能后可以作为能量使用。

因此，新能源可以理解为通过一种新的方式，从自然界中可获得的无限能量中创造出电能。所以可以定义为新能源从消耗常规能源到使用新电能的转变。而同一项同时消耗两种能源，应该有不同的定义，于是就有了燃油汽车和新能源汽车的分类。

电动汽车的核心是储能电池，在汽车上称为动力电池，但不管怎么叫，其核心功能是储电；汽车使用多年后，这些电池的容量会下降，内阻会增大。在严重情况下，这些电池不适合用作动力电池。但这些电池适合做新能源发电行业的储能电池，循环从此形成。这些电池不断补充储能，容量的增加并不限制发电量的增长。所以新能源和电动汽车是相辅相成的，只有电动汽车充分普及，形成有效循环，才能共同发展。

但从消费者的角度来看，短期内电动车很难成为首选。动力电池制造成本高导致电动汽车价格结构整体偏高，在价格与燃油汽车持平之前，很难激发消费者的积极性。短期(过渡期)只能寄希望于混合动力汽车的模式逐渐丰富，或者动力电池能像摩尔定律一样快速发展。现如今社会也倡导新能源汽车，这样可以减少固定资源的消耗，开创新的能源，还是比较不错的，希望大家也可以加强对新能源的关注。

1、新能源车电安全引人担忧

近年来伴随新能源车市场的火爆， 社会 上已发生多起新能源车起火事故，电池安全渐渐成为了新能源电动 汽车 最重要的议题之一，也是各方关注的焦点。新能源 汽车 国家大数据联盟在2019年08月发布的《新能源 汽车 国家监管平台大数据安全监管成果报告》显示：2019年5月起3个月之内共发现79起安全事故，涉及96台车，情况很严重。已查明着火原因主要是电池自燃、车辆碰撞、车辆浸水、车辆不合理使用问题，它们导致了锂离子热失控。事故车辆中磷酸铁锂电池占比7%左右、三元锂离电池占比86%左右，剩余车辆电池不明。

图1 电动 汽车 起火相关案例

基于此，针对电动 汽车 的法规升级越加频繁，要求也越来越高。国标GB30381-2020《电动 汽车 用动力蓄电池安全要求》加入了电池热失控预警要求，要求车辆在热失控导致乘员舱发生危险前5min发出提示信息提示人员安全撤离，对热失控的检测以及蔓延抑制提出了紧迫而具体的要求。C-NCAP在2021年也引入了柱碰测试法规，国外机构Tesla、三洋、三星等在2014年前就电池热失控领域开展了大量研究，Tesla已申请60多份相关专利；国内机构如CATL、清华大学近几年均成立专门的技术团队研究电池安全特性；以清华大学为例，其热失控方面部分研究成果已用于宝马、戴姆勒、三星、长安、CATL等合作项目。

图2 电动 汽车 中涉及电池安全的相关标准

由于法规的升级和树立 汽车 品牌形象需要，目前国内越来越多的主机厂生产的新能源电动车也开始考虑了绝缘安全防护，如基本绝缘、外壳防护、漏电监测、手动断开等安全防护措施；除此之外，在新能源 汽车 安全开发过程中，GB 以及NCAP 工况只是基本的考核要求，为实现真正的新能源 汽车 的安全性，减小消费者对新能源车不安全的误区，我们需考虑更多的实际交通道路事故中所出现的碰撞工况，在所有测试工况下避免高压电防护失效导致的高压伤害。

图3 新能源车型电安全开发考核工况

2、动力电池简介

从系统的角度来说，电池分为化学电池、物理电池和生物电池三大类。对于我们比较熟悉的化学电池，则是按正负极材料进行分类，有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等车辆比较常用的动力电池。铅酸电池技术成熟、价格便宜，但其污染严重，比能量低，一般应用于大型不间断供电电源以及电动自行车；镍氢电池安全性高、耐过充过放性能好，但其比能量低、低温性能差、自放电率高，一般应用于混合电动 汽车 以及电动工具；锂离子电池相比以上2种电池具有比能量高、循环寿命长、充电功率范围宽、倍率放电性能好、污染小等优良特性，现今被电动 汽车 广泛采用，也是现今国网力推的一种电动 汽车 充电电池类型。

图4 电池分类

市场上常见的锂离子电池基本分为4类，其中磷酸铁锂电池的热稳定性最好，锰酸锂电池次优，三元锂LiNiCoMnO2电池略差，而钴酸锂电池最差。磷酸铁锂电池循环寿命长、毒副作用小、成本低廉、充放电倍率大、高温稳定性好，但一致性不好，能量密度低。锰酸锂电池成本低，毒害性较低，但热稳定性差，循环寿命短，应用较少。三元锂（LiMn2O4）电池能量密度高，但大功率充放电后温度升高，高温时释放氧气，热稳定性较差，寿命较短。钴酸锂电池热稳定性最差，它的正极在高温时容易分解，加速热失控，但能量密度高，续航更出色，特斯拉 汽车 采用了这种电池。

图5 主流锂离子电池性能比较

这些种类的锂离子电池最大的区别就是正极材料的不同, 实际上正极材料是影响锂离子电池性能和成本的关键因素，目前国内新能源 汽车 动力电池应用最多的是磷酸铁锂电池和三元锂电池。

图6 磷酸铁锂刀片电池

图7 三元锂硬壳电池

图8 一般动力电池包结构形式

3、电池存在的安全风险

各种电池起火的共性原因是电池热失控，隐患总体可以分为三大类，一类是环境高温，引起电池正负极的剧烈反应，反应会向可燃的电解液中释放大量的能量，并析出氧气，导致电池膨胀、过热甚至失火；一类则是外部的物理性破坏，导致电池隔膜贯穿，正负极直接接触使得电池内短路，短时间内释放大量电能（可转换成热能），导致电池热失控；最后一类则是电池过充、过放导致的内部结构损坏，从而引发电池的热失控。

热失控(Thermal runaway)是指由于锂离子液态电池在外部高温、内部短路，电池包进水或者电池在大电流充放电各种外部和内部诱因的作用下，导致电池内部的正、负极自身发热，或者直接短路，触发“热引发”，热量无法扩散，温度逐步上升，电池中负极表面的SEI(Solid Electrolyte Interface)膜、电解液、正负极等在高温下发生一系列热失控反应(热分解) 。直到某一温度点，温度和内部压力急剧增加，电池的能量在瞬间转换成热能，形成单个电池燃烧或爆炸。引起单个电池热失控的因素很多、很复杂，但电流过大或温度过高导致的热失控占多数，下面重点介绍这种热失控的机理。

以锂离子电池为例，温度达到90 时，负极表面SEI膜开始分解。温度再次升高后，正负极之间的隔膜（PP或PE）遇高温收缩分解，正、负极直接接触，短路引起大量的热量和火花，导致温度进一步升高。热失控时，230 250 的高温导致电解液几乎完全蒸发、分解了。它含有大量易燃、易爆的有机溶剂，逐步受到热失控的影响，最终分解发生燃烧，是热失控的重要原因。电解液在燃烧同时，产生一氧化碳等有毒气体，也是重大的安全隐患。电解液如果泄漏，在外部空气中形成比重较大的蒸汽，容易在较低位置大范围扩散，这种扩散范围极易遇火源引起安全事故。清华大学的研究显示：正极中含镍越多则热稳定性越差，碳素材料的负极在寿命的前期较稳定，但是寿命衰减后变差。这从侧面说明三元锂电池的高镍比例，虽然容量更大，但会导致更大的热失控风险。

图9 热失控随温度的变化过程

4、应对电池可能存在的电池安全风险

应对电池可能存在的电池安全风险，可以从四个层级、七个维度来考虑电池的安全，四个层级指电芯、模组、电池包、整车，七个维度包括可靠连接、高压防护、机械挤压、过充、布置形式、短路和热失控，在每个维度跟层级都有对应的防护措施，全方位有效的保护电池安全。

新能源 汽车 发生冒烟起火的场景一般为车辆静置时充放电和车辆行驶中发生碰撞，下面我们基于锂离子动力电池在机械挤压这个维度来讲解下目前开展的一般研究方法，探究整车碰撞中电池包的受力形态与损伤（失效、起火、爆炸）机理。

本研究从卷芯到单体到模组再到电池包共4个层级，每个层级的研究又分为试验和仿真两个方面，通过不同加载方向、不同加载速度的试验来研究卷芯、单体和模组的各向异性和应变率效应，以及加载方向和加载速度的不同给动力电池变形行为和失效行为带来的影响，全面认识动力电池在不同载荷工况下的响应规律和内在失效机理；借助对试验结果的认知，开发能够表征其应变率效应、各向异性和失效行为的卷芯模型，并以卷芯模型为基础，逐级向上开发兼顾仿真精度和计算效率的电池单体模型和模组模型，以试验结果为参考对各仿真模型的仿真精度进行验证，为电动 汽车 电池包碰撞安全保护的开发提供虚拟仿真工具。

图10 研究总体框架

1）卷芯层级研究

卷芯是组成单体进而构成模组的基础，也是电池包里面最基本的电化学单元，了解卷芯的力学性能，及其力学失效和电化学失效之间的联系，有助于深入认识电池包在碰撞挤压载荷下的响应规律和失效机理。锂离子电池的正极材料通常以铝质集流体为基底，涂布钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）和磷酸铁锂（LiFePO4）等锂离子活性物质。负极材料通常以铜质集流体为基底，涂布石墨或硅层。而隔膜则常为由聚乙烯或聚丙烯等材料制成的多孔薄膜。通过对卷芯中的正极复合体、铝箔、隔膜、负极复合体、铜箔等进行拉伸、压缩、穿孔试验，得到相应材料的材料卡片，为卷芯的精细化建模搭好基础。

图11 卷芯组分研究流程图 研究总体框架

2）单体层级研究

电池单体是向下集成卷芯、向上构成模组的结构，每一个单体都是一个可以独立工作的电化学集合体。目前车用锂离子动力电池单体，通常采用卷绕或叠片式卷芯（交替布置的正负电极和电极间的隔膜）和液态电解质，用金属外壳封装成圆柱形（a）或方形硬壳电池（b），或用镀金属塑料膜封装为软包电池（c）单体层级研究。

图12 (a) 圆柱形硬壳电池单体 (b) 方形硬壳电池单体

(c) 软包电池单体

为了全面了解电池单体在碰撞挤压载荷下的响应规律和失效机理，研究同样对单体进行了不同加载方向和不同加载速度的挤压试验。

图13 （a）Z向圆柱挤压 (b) Y向圆柱挤压 (c) X向圆柱挤压

(d) Z向球头挤压 (e) Z向锥面挤压

通过实验，可以得到对应的力-位移-电压曲线，结合对样件电镜扫描结果，来研究响应规律和失效机理，和建立了单体的有限元模型。

图14 某工况下单体力-位移-电压曲线

对于电池单体，我们通过多种方向和多种不同的加载速度的组合试验对其力电响应进行了测试，可以发现，单体也有着明显的各向异性和应变率效应。其次，单体的短路行为也具有明显的各向异性，相比于Y向和X向，Z向是单体最容易发生短路失效的挤压方向。借助对试验结果的认知，开发能够表征其应变率效应、各向异性和失效行为且兼顾仿真精度和计算效率的单体模型。

图15 单体有限元模型

3）模组层级研究

模组是将一个以上电池单体按照串联、并联或串并联方式组合，并作为电源使用的组合体。其研究方法与单体基本一致，但由于其结构比单体更加复杂多元，研究中需要考虑多种失效形式，包括单体之间的粘胶，壳体撕裂，端板断裂的现象。

图16 模组测试系统

图17 模组试验形式及样件变形情况

通过研究发现，相比单体内短路（卷芯断裂）压降失效而言，模组试验中更多的是由于结构失稳或外部侵入而发生的外短路；由于蓝膜、胶层和铝合金在冲击下韧性明显下降，更易发生失效破坏，而这些失效形式是导致模组发生外短路的关键因素，进而使得模组压降对应的力和位移的响应在准静态和存在较大差异。

图18 某工况下单体力-位移-电压曲线

通过模组多工况试验标定，建立模组有限元模型。

图19 模组有限元模型

4）电池包层级研究

通过对锂离子从卷芯到单体到模组的研究，对电池本身具备充分的了解，包括电池在冲击下的变形和失效规律，内部损伤发生的历程和机理，在发生严重损伤前所能承受的载荷、变形、能量等的最大限度，以及损伤发生过程中机电热的相互耦合和作用关系等。基于仿真模型，便可以开展多工况下电池包层级的研究与对标工作。

图20 电池包系统多工况研究

在新能源 汽车 安全开发过程中，电池包作为更加复杂的系统，不同的试验工况下，会有多种不同的失效形式，其产生的原因和所造成的危害也不尽相同。

图21 常见的动力电池失效形式

5、结语

锂离子电池凭借其能量密度大、循环寿命长、充电效率高等优点，被广泛应用于纯电动或混合动力 汽车 的储能系统。然而，锂离子电池在能量密度迅速增长的同时，对于整车的安全性设计又提出了新的挑战。特别是在经受复杂且严峻的碰撞工况时，为最大程度地发挥电池系统防护结构的作用，最大限度地在碰撞防护和轻量化设计之间寻求平衡，必须首先深入研究锂离子电池的机械性质和碰撞安全性，不但能够对新能源车辆设计和制造提出指导性的建议，也有利于新能源车辆的后期维护和事故处理等工作的进行。

为解决电池单体在机械加载下的力学响应与损伤行为预测问题，开发预测电池包力学响应和失效行为的工具，最终服务于电动 汽车 碰撞安全设计，第一阶段针对典型的车用动力电池开展了从卷芯到单体再到模组共三个层次，逐步深入的研究。每个层次的研究又分为试验和仿真两个方面，通过不同加载方向、不同加载速度的试验来研究卷芯、单体和模组的各向异性和应变率效应，以及加载方向和加载速度的不同给动力电池变形行为和失效行为带来的影响，全面认识动力电池在不同载荷工况下的响应规律和内在失效机理；借助对试验结果的认知，开发能够表征其应变率效应、各向异性和失效行为的卷芯模型，并以卷芯模型为基础，逐级向上开发兼顾仿真精度和计算效率的电池单体模型和模组模型，以试验结果为参考对各仿真模型的仿真精度进行验证，为电动 汽车 电池包碰撞安全保护的开发提供虚拟仿真工具。

【太平洋汽车网】新能源汽车充电必须用充电桩，专业的充电桩申请了专用线路，且配置了漏电保护、过流保护和防雷等电气防护设备，并且充电桩柱体安装了防盗锁，为用户提供基本的安全保障。

随着新能源汽车的普及和发展，与之紧密相关的充电问题也备受关注。

一是目前车桩比还未达到1：1，仍然存在找桩难、充电难的问题；

二是新能源汽车的安全充电问题。尤其是在多起安全充电事故发生后，为新能源新手车主科普如何正确有效充电，避免安全隐患，极其重要。今天就给介绍一下使用充电桩的正确方法。

1.阅读新车使用说明书使用新车前，务必要阅读新车的使用说明书，包括车型信息和充电相关的注意事项等。因为不同品牌不同型号的车子会有一定的差别，对充电桩的使用要求也可能存在区别。

2.掌握充电桩操作流程一般情况下，户外公共的充电桩上都贴有操作流程，建议严格按照提示进行充电。以橙电充电站为例，微信搜索“橙电Orangev”公众号，关注后注册/登录账号。进入公众号后，点击“点充电”扫码充电或输入编号充电即可。充完电后，拔枪归置充电桩上，订单从账户余额扣款。

3.把控好充电时间如果选择家庭慢充，将电量全部充满大约需要8-9小时。对于整夜慢充，充电安全的问题不大。而且，新能源汽车一般都配有BMS电源管理系统，会在汽车充满电后自动切断电源。但不建议整夜快充，因为快充桩的功率较大，电池容易发热，长时间充电会降低电池的使用寿命，甚至引发充电安全事故。

4.充电前检查车内有无易燃易爆物充电前，车主要检查车内是否有易燃易爆物品，例如香烟、打火机、汽油、酒精、充电宝和电池等。若到夏天，车内温度可达50°C~60°C。这些易燃易爆物品在高温环境下容易发生爆炸。此外，车主也不要在充电区域内抽烟和随意丢弃烟头，以免造成火灾。

5.充电时关闭汽车车灯一般情况下，新能源汽车车灯和车内低功率电器设备由车辆蓄电池供电。如长时间开着车灯，蓄电池容易亏电。这样就会出现动力电池满电、蓄电池没电而发动不了车的情况。所以，充电时一定要记得关闭车灯。

6.不要强制拔正在充电的充电枪有些时候，车主由于时间问题，没等充电结束就强制拔枪。这样不但会严重影响车辆和充电设备的寿命，还会产生触电的风险，对充电桩也有不小的伤害。所以，为了自身安全，在汽车充电过程中还是建议不要强制拔充电枪。

（图/文/摄：太平洋汽车网问答叫兽）

核能需要，应用起来非常麻烦，需要减速剂、导热剂、控制器、反应堆等等，这个体积和质量非足够大的东西不能装载使用，而且这东西很不安全。所以迄今只能应用在部分大型军用舰艇和核动力潜艇上。

如果说民用级的东西的话，自然是怎么减低成本、提高性能怎么做。但是短期内还是无法广泛应用这些新能源。只说电能和氢能源，电能不能表现出足够的性能。且据传闻，利用节能底排的交通工具，整个生命周期（生产、使用、报废后处理）产生的污染比传统多很多。氢能源则是运输、贮藏、使用不可克服的不方便和不安全性。