（冶金工程专业论文）镍氢动力电池峰值输出功率测试方法.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 本文综述了电动汽车、电动车用动力电池的发展现状和发展趋 势。动力电池作为电动汽车的核心，要充分发挥电池作用的同时又不 至于影响电池的使用寿命，在电池管理系统和电动汽车整车设计时， 需要了解电池在不同条件下的电池峰值功率。本文搜索了国内外的电 池功率检测的程序和标准，选择了两段脉冲放电、多段脉冲放电和恒 功率放电的电池功率测试方法来测定混合动力小轿车用6 a h 方形镍 氢动力电池的l o s 峰值输出功率。两段脉冲放电和多段脉冲放电的测 试是对动力电池的功率进行估测的方法，恒功率放电则是对电池的峰 值功率进行检验。测试结果表明： 1 通过采用两段脉冲放电法测试，预测的结果能够反映电池之 间的功率差别的趋势，但预估的电池峰值功率与实际值相比偏大。 2 通过采用多段脉冲放电的测试方法，利用函数关系对电池的 脉冲电流和电压的趋势进行预估，从而估计电池在脉冲放电至截止电 压时电池的峰值输出功率。实验过程中采用了一次函数、二次函数和 指数函数对电池的电流和电压特性趋势进行了评估。一次函数的评估 值虽然能够体现电池功率的趋势，但预估值与实际结果比较偏小；采 用二次函数进行预估时，无法反映电池的电流一电压特性；采用指数 函数进行预估，通过数学计算得出的电池功率与通过恒功率放电的方 法的结果比较一致，能够反映电池的功率差别。 3 采用恒功率放电是一种逐步测量的方法，测量的结果准确，但 测量过程比较繁琐，需要进行多次试验，并且对设备要求比较高。 关键词：动力电池，功率，功率测试，电池管理 硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t 7 髓c u r r e n ts t a t u sa n dt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c 殆6 i c l ea n d p o w e rb a t t e r ya r ei n t r o d u c e d a st h ec o r eo fe l e c t r i c 洲c l e p o w e r b a t t e r ys h o u l dh a v eh i g hp o w e ro u t p u tl e v e la n dl o n gl i f e n ev a l u eo f p e a kp o w e ru n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sm u s tb ec o n s i d e r e dw h e nb a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e ma n de l e c t r i cv e h i c l ea r ed e s i g n e d n em e t h o d so f t w o - p u l s ed i s c h a r g e ，m u l t i - p u l s ed i s c h a r g ea n d c o n s t a n tp o w e r d i s c h a r g ea r es e l e c t e dt oe v a l u a t et h em a x i n l u n lo u t p u tp o w e ra t1 0 so f r e c t a n g u l a rn 们江hb a t t e r yw i t hc a p a c i t yo f6 a hw h i c hi se m p l o y e do n h e vw i t hr e f e r e n c eo ft h em e a s u r e m e n tc r i t e r i o no fb a t t e r yp o w e r n l e m e a s u r e m e n to f t w o - p u l s ed i s c h a r g ea n dm u l t i p o i s ed i s c h a r g ea r eu s e d t oe v a l u a t et h ep o w e rc h a r a c t e d s t i c so fb a t t e r ya n dt h em e t h o do f c o n s t a n tp o w e rd i s c h a r g ei su s e df o rt h ec o n f i r m a t i o np u r p o s eo ft h e e v a l u a t i o nr e s u l t s 1 1 1 em a i nc o n c l u s i o n sa r ca sf o l l o w s ： 1 1 1 1 ed i f f e r e n c eo ft h eb a t t e r yp o w e rc a nb er e f l e c t e db yt h et e s to f t w op u l s ed i s c h a r g e ，b u tt h ev a l u eo ft h et e s ti sl a r g e rt h a nt h ea c t u a l v a l u eo f t h eb a t t e r yp o w e r 2 1 1 l em a x i m u m o u t p u tp o w e rc a nb ec a l c u l a t e db yt h ef u n c t i o no f v o l t a g ev e r s u sc u r r e n tw h i c hi sp l o t t e db yt h em e a s u r e m e n to fm u l t i - p u l s ed i s c h a r g e n er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv o l t a g ea n dc u r r e n to ft h e b a t t e r yi se v a l u a t e db yd a t af i t t i n go fo n eo r d e rf u n c t i o n , t w oo r d e r f u n c t i o na n de x p o n e n t i a lf u n c t i o n t h ed i f f e r e n c eo ft h eb a t t e r yp o w e r c a l lb er e f l e c t e db yo n eo r d e rf u n c t i o n 。b u tt h ev a l u eo ft h et e s ti ss m a l l e r t h a nt h ea c t u a lo n e ；t h ee h a r a e t e r i s t i e so fc u r r e n ta n dv o l t a g ec a n n o tb e e s t i m a t e db yt w oo r d e rf u n c t i o n ；t h ev a l u eo ft h eb a t t e r yp o w e rw h i c hi s c a l c u l a t e db ye x p o n e n t i a lf u n c t i o nc a nm a t c ht h er e s u l to fc o n s t a n tp o w e r d i s c h a r g ew e l l 3 1 1 1 em e t h o do fc o n s t a n tp o w e rd i s c h a r g ei saw a yb yc h a n g i n gt h e p o w e rv a l u es t e pb ys t e pa n dp r o c e e d sd i s c h a r g eu n t i lt h ep o w e ro u t p u t c a no n l yl a s tf o rl e s st h a n1 0s e c o n d sa tac e r t a i nv a l u e t h em e t h o dc a n o f f e ra c c u r a t er e s u l tb u tt h ep r o c e s si sc o m p l i c a t e d ，a l s ot h er e q u i r e m e n t f o rt h ee q u i p m e n ti sh i g h k e y w o r d s ：p o w e rb a t t e r y , p o w e r , p o w e rt e s t i n g ，b a t t e r ym a n a g e m e n t 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：耄盏 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 日期：塑年月 硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 电动汽车的发展现状和趋势 1 1 1 发展电动汽车的意义 2 0 世纪中期以前，批量生产和批量消费被看作是文明和进步的基础，它的核 心观点是：加工产品需要的能源和倾倒垃圾的空间是取之不尽、用之不竭的。 现在看来完全是一种幻想。目前环境污染恶化、全球变暖、石油供应匮乏，表 明我们以批量生产和批量消费为基础的经济在依然加速向前，无所顾忌。温室 效应和物种的持续灭绝敲醒了环境污染问题的警钟。近几年自然灾害加频发， 更加引起人民对环境的关注。进入2 0 世纪9 0 年代，以美国为首的一些西方国 家开始制定并严格执行汽车尾气排放标准f ，零排放再次成为人们追求的时尚。 电动汽车是2 0 世纪最伟大的2 0 项工程技术成就中前两项技术的融合，即“电气 化”和“汽车”的融合产物唧。随着技术的进步，电动车实现产业化的可能性越来 越大，目前混合动力车已经成功实现产业化，纯电动车随着电源技术的进步， 在不久的将来市场规模也会逐步扩大，燃料电池汽车的示范运营正在全球范围 内展开。通过大力发展电动汽车可以降低对石化能源的依赖，减少有害汽车的 排放。 中国作为世界上最大的发展中国家，汽车产业的迅速发展给我们带来了多 方面的压力。据国务院发展研究中心、国家环保中心预计，在未来的l o 到1 5 年时间里，我国将成为世界最大的汽车消费国，2 0 1 0 年我国汽车保有量将达到 5 6 6 9 万辆，届时空气污染源中的“将来自于汽车尾气的排放，一氧化碳、碳 氢化合物、硫化物以及由于二氧化碳排放造成的温室效应，都将极大地制约我 国经济的健康发展；而到2 0 2 0 年，我国石油消费量将超过4 5 亿吨，其中6 0 依赖于进口，由于我国能源系统效率平均低于国际先进水平1 0 ，这必将使我 国为此付出巨大代价。发展取代内燃机汽车的电动汽车，对我国经济和社会的 可持续发展至关重要 4 1 。具有如下三点重要的意义； ( 1 ) 实现能源多样化，保障国家能源安全； ( 2 ) 减少汽车排放，维持国家可持续发展； ( 通过自主研发，提升中国汽车工业核心竞争能力。 因此，发展电动汽车对于我们国家而言具有重大的战略意义。 硕士学位论文第一章文献综述 1 1 2 电动车的国内外研究现状和前景 电动汽车是针对内燃机车辆提出来的概念p j 。电动车的发展可以追溯到1 8 3 4 年，距今已有一百多年历史。在其开发应用过程中，曾经于1 9 世纪末在欧美等 地区达到一个高潮，但后来由于内燃机汽车有了突破性进展，而电动车始终没 有解决电池的比容量、功率以及寿命等方面的问题，因此电动车的性能远不及 内燃机汽车，只好让内燃机汽车垄断市场。进入二十世纪8 0 年代后，节能与环 保问题成为世界各国所关注的主要社会问题，电动车项目再次成为许多国家和 各个大汽车公司的重要发展项目，电动车的研究进入了一个新的发展时期。但 电动车实用化的难点仍然在于电源技术，特别是电池( 化学电源) 技术嘲。在2 1 世 纪，汽车动力来源可能是很重要的角色【7 】。电动汽车在广义上则可分为3 类，即 纯电动汽车( b e 、r ) 、混合动力电动汽车( h e y ) 和燃料电池电动汽车( f c e v ) 。目前， 这3 种电动汽车都处于不同的发展阶段，面临着不同的困难和挑战。 自1 8 8 1 年首辆电动汽车问世开始，电动汽车发展经历了曲折起伏的几个阶 段，其决定因素是电池、电机、电控等关键技术和人们对环境、能源的关注程 度嗍。融合多种高新技术而兴起的纯电动汽车、混合动力电动汽车，以及立足于 氢能的燃料电池汽车正引发世界汽车工业的一场革命。从美国对新一代汽车伙 伴计划( p n g v ) 的建立和执行情况来看，电动汽车已成为跨国汽车公司和工业国 家战略发展的重要内容例。 从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的 少数几个国家之一，特别是在发展混合动力汽车方面，日本居世界领先地位。 在2 0 世纪9 0 年代末，丰田研制出纯电动车r a 4e v ，采用了5 0 k w ，1 9 0 咐m 转矩 的永磁电机，2 8 8 v 侈5 a l l 的镍氢电池组，最高车速为1 2 7 k m h ，充一次电的行驶 里程为1 3 0 1 6 0 k i n 埘。目前，世晃上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日 本的丰田和本田两家汽车公司。1 9 9 7 年日本丰田汽车公司率先推出混合动力电 动车“p r i u s ”，据丰田公司测试，p r l u s 轿车在城市工况下比同等排量的花冠轿 车节油4 4 4 ，在市郊节油2 9 7 ，综合节油4 0 5 。到2 0 1 2 年时，其所有的车型 的动力系统将全部采用混合动力系鲥】。本田汽车公司开发的h l s i s h t 、c i v i c 、 a c c o r d 混合动力汽车，并投入市场。 美国汽车公司在电动汽车产业化方面和日本相比有一定差距，三大汽车公 司只是小批量生产、销售过纯电动汽车，而混合动力和燃料电池电动汽车目前 还未能实现产业化，日本的混合动力电动汽车在美国市场上占据了主导地位。 2 0 0 5 年美国f o r d 公司推出了混合动力的s u v - f o r de s c a p e ：通用汽车公司计 划在2 0 0 8 年前推出一款混合动力车。欧洲国家也非常关注电动汽车的发展，法 国的标致、雪铁龙和雷诺汽车公司都在致力于电动汽车的研发。法国标致雪铁 2 硕士学位论文 第一章文献综述 龙汽车公司开发了标致1 0 6 和s a x o 型4 座电动轿车，用雪铁龙- a x 型轿车改 成了电动轿车，到1 9 9 7 年法国的电动车产量达到了两千辆左右【1 2 1 。雷诺与日本 日产公司联合，开发混合动力电动汽车；雪铁龙把开发重点放在纯电动汽车上。 德国宝马公司早在1 9 7 9 年就开发出第一辆氢能源汽车。至1 9 9 6 年，公司已经 开发了4 代氢能源汽车；2 0 0 0 年，宝马公司又开发了系列氢能源小轿车。2 0 0 1 年，为了宣传环保，宝马公司1 5 辆氢能源汽车组成的车队开始环球旅行，已行 驶1 7 万公里以上。德国大众电动车的研究进展很快，在近期将推出首辆燃料电 池汽车。大众公司确定将途安平台上的混合动力车的开发转交给上海大众进行， 德国大众进行s u v 混合动力的开发，目前已经排出开发计划。德国奔驰公司在 电动车项目上已经花了2 0 0 亿马克，有4 0 0 个工程师专门攻关燃料电池。但大 多停留在制作样车阶段，商业化前景还不明确【1 3 1 。 我国电动汽车的研发与国外基本处于同一起跑线上，技术水平及产业化的 差距较小。“十五”期间，我国政府从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽 车工业竞争力，实现我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑，在国家高技 术研究发展计划( 8 6 3 计划) 中设立“电动汽车重大科技专项”，组织企业、高等 院校和科研院所等方面力量进行联合攻关从2 0 0 1 年起，国家在电动车领域的投 资达到1 0 0 亿元人民币, 8 6 3 计划”中涉及这一领域的投资达8 8 亿元人民币。“十一 五”我国将电动汽车和其他清洁能源汽车合并成节能与新能源汽车列入重大 项目进行开发，国家科技部计划投入1 1 亿元人民币进行开发，通过地方政府和企 业的配套资金，以及企业的自主投入，“十一五”整体投入会超过“十五”期间。北 京理工大学、北京理工科凌电动车辆有限公司等完成以尼奥普兰公交大客车为 基本车型的纯电动豪华旅游客车。天津清源动力开发了) 珏2 0 0 0 和幸福使者的纯 电动轿车，并实现了批量出口美国。目前，我国侧重混合电动汽车的研发。一汽、 东风、长安、奇瑞等汽车集团都已经开发出混合动力汽车样车，并在动力控制 和机电耦合机构等方面实现了一定的技术创新。长春一汽公司正在研发解放牌 混合动力城市客车。东风汽车公司1 9 9 6 年就推出了电动汽车样车，2 0 0 1 年该公 司与湖北省高校联合，共同组建了“东风电动车辆股份有限公司”，专门开发生产 电动汽车。东风电动车辆股份有限公司承担国家“8 6 3 项目”，已经研制出4 辆电动 客车在5 1 0 路公交线投入运营。2 0 0 5 年武汉市开通了5 9 9 路电动汽车专线，投入 了1 5 辆混合动力大巴车进行运营。上海燃料电池动力系统有限公司已经成功开 发“超越一号”、“超越二号”和“超越三号，三代燃料电池动力系统平台和试验样 车。“超越三号”最高车速1 2 2 k m h ，爬坡度大于2 0 ，0 - 1 0 0 k m 加速时间1 9 5 s ， 1 0 1 5 循环工况续驶里程2 3 0 k m 。清华大学与北京客车厂等联合开发的燃料电池城 市客车第一轮功能样车瞬时最高车速达8 5 k m h ，平均最高车速6 2 9 k m h ，累计运 3 硕士学位论文 第一章文献综述 行超过2 0 0 0 k m 目前己完成两代三种型号的样车考核、研制、设计，样车运行 考核总里程达8 0 0 0 k i n 以上，性能指标满足城市客车要求。联合国开发计划署- 全 球环境设施基金会( u n d p - g e f ) 和中国科技部启动“中国燃料电池公交大客车商 业化示范运行”项目也正在顺利进行中。奇瑞汽车公司与一家国外的汽车专业设 计公司在合作进行混合动力车辆的开发，准备在2 0 0 8 年投入批量生产。长安汽 车公司在自主研发的c v 9 混合动力车的基础上，目前正在和德国的一家专业汽车 设计公司合作进行性能改进和工程化开发，同样计划在2 0 0 8 年左右投入批量生 产。另外国内还有多家汽车研发机构和整车单位在进行电动汽车的研究与开发。 根据中国汽车工业发展规划，我国电动汽车产业的发展目标是：至u 2 0 1 0 年，电 动汽车保有量占汽车保有量的5 1 0 ，年生产销售电动汽车1 5 0 万辆以上；到 2 0 3 0 年，电动汽车保有量占汽车保有量5 0 以上，年生产销售电动汽车1 0 0 0 1 9 5 0 万辆f 1 舡棚。 电动汽车要实现全面取代燃油汽车，需要具备符合道路行驶法规的要求， 即电动汽车应具有良好的动力性、安全性、舒适性及维修保养和驾驶的方便性 【堋。b e v 只适用于低速短距离的运输，当然，随着电池技术的进步，特别是锂 离子动力电池在安全和材料方面的突破，纯电动车的初始成本高、一次充电续 驶里程不理想、比能量和比功率较低、快速充电时间长，使用寿命短等【1 9 】问题 可以得到一定的解决；纯电动车在2 1 世纪的汽车中也许会占有一席之地。而h e v 的性能既能够满足用户的需求，又实现了低油耗、低排放。混合动力车在现阶 段被认为是能够成功实现商业化的电动汽车产品，特别是近年来国内外的汽车 公司都在寻求技术和成本的突破，努力实现批量产业化。混合电动车的优势是 它们可以和任何一种类型的内燃机或燃料电池结合，而且，无论发动机使用什 么样的燃料，效率都不错刚。在不久的将来，混合技术将发挥越来越重要的作 用，现在作为汽车燃料的石油产品的发展势头则有可能日趋下降。在目前的技 术水平和应用条件下，h e v 是比较理想的交通工具，但它必须具备2 个动力源， 因此价格较高。燃料电池汽车因其特有的地位，目前因为燃料电池成本和寿命 等方面的影响，全球范围内大多数汽车公司仍然处于试验和示范运营的阶段。 目前f c e v 仍存在下列瓶颈问题有待解决1 2 l 】： ( 1 ) 经济的氢燃料来源、储存技术的开发及与之相关的运输安全问题； ( 2 ) 燃料电池堆成本过高与之相关的长期运行的可靠问题； ( 3 ) 复杂的基础设旌建设问题。 f c e v 具有很大的潜力，可望在1 0 1 5 年以后实现实用化田。j 。 4 硕士学位论文第一章文献综述 1 2 动力电池的现状和发展趋势 1 2 1 电动车对动力电池的主要技术要求 电动汽车因其以电池作为动力源或辅助动力源，因此对电池存在一定的技 术要求。电动车对电池( 组) 的一般要求 2 6 - 2 7 1 ： ( 1 ) 高容量一以支持一定的续行里程； ( 2 ) 高功率一能大电流放电，启动快，以满足车辆的加速和爬坡能力要求； ( 3 ) 单体电池电压高减少串联数量，防止电池一致性差产生的电池组故障； ( 4 ) 循环寿命长、容量衰减小一降低使用成本； ( 5 ) 体积小、重量轻有利于车的轻量化和小型化； ( 6 ) 免维护、能快速充电方便使用者； ( 7 ) 无泄漏、不爆炸使用安全； ( 8 ) 生产过程无污染、废弃电池无公害对环境友好； ( 9 ) 价索一降低整车生产成本。 因电动车的种类不同而对电池的要求又存在一定的差别。纯电动车和混合 动力车对电池的要求就存在显著的区别。纯电动车的电源主要是储能量的要求， 而混合动力车用电源主要是功率方面的要求。世界各国对h e v 所用化学电源进 行了较深入的研究，主要集中在大功率充放电、长寿命和安全性等方面。同时 还要求化学电源不污染环境、充电操作方便、电源内阻小，自放电率低、耐振 性好、对环境温度变化不敏感、易于调整和维护等网。混合动力车用电源主要 用于车辆的功率补充，因此要求有比较大的输入和输出功率，能够补充车辆的 输出功率和实现制动能量的回收，使发动机始终保持在经济油耗区和低排放区 工作，达到节能和环保的目的。 1 ，2 2 电动车用动力电池的现状 动力电池是指具有较大电能容量和输出功率，可用作电动汽车、电动设备 及工具驱动电源的电池，通常也包括军事及企事业单位使用的蓄能电池设备、 通信指挥系统的常备电源等【2 9 】。目前，正在研究和已经使用的动力电池可分为 五类：铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池1 3 0 l 。 1 2 2 1 铅酸电池 铅蓄电池作为储能电源，它具有成本低，性能稳定可靠的优点，但同时也 存在着一次充电的行程短、比能量低的问题。它是成熟电动汽车蓄电池，也是 目前唯一能大量生产供应的电动汽车电池f 3 l 】。一次充电的行程一般约在3 0 - 4 0 k m ，充电时间要舢6 h ，比能量只有3 0 w h 他，电池重量太大。为此人们一直探索 硕士学位论文第一章文献综述 如何改进铅酸电池的性能，开发能量效率更高、稳定性更好，电荷容量更大的 新电池。比如：不易渗漏、使用可靠的胶体铅酸电池，它是在硫酸水溶液的电 解液中添加t n a 2 0 s i 0 2 ，电解液呈胶体状，构成了胶体电解质。胶体的状况会 随着温度和电场的作用而变化，当电池放电时，胶体的凝聚性会更明显；温度 降低，胶体内部溶液扩散迁移及传导性变差，内电阻增加。它的性能、价格与 铅酸电池差不多。由于电解质中有- n a , s 0 4 存在，在极板硫化过程中，会同时产 生硫酸铅、硫酸钠结晶，从而防止了极板生成粗大的硫酸铅结晶体，容易再次 充电活化；不易丧失极板的多孔性；还能防止正极板上生出尖锐的硫酸铅突起， 避免隔板被刺穿形成极板间短路。从寿命讲，胶体铅酸电池是现在泛用铅酸电 池的4 倍以上，在5 0 - 3 0 仍能很好工作，且工作性能相当稳定，可谓是比铅酸 电池性能有了大幅度提高。尽管如此，出于环境保护的考虑，人们对铅蓄电池 的大量使用仍有担忧，如何回收废旧的铅酸电池，避免对于环境的污染，已经 成为了当务之急，另外铅蓄电池的循环经济问题和铅再生产业发展问题也变得 日益重要。 1 2 2 2 镍镉电池和镍氢电池 镍镉电池由于环境污染和记忆效应等缺点，目前已没人把它作为电动汽车 的候选电池。镍氢蓄电池和镍镉蓄电池一样，属于碱性电池，其特性和镍镉蓄 电池相似，不过镍氢蓄电池不存在重金属污染问题。主要优点：相对于其他电 池，n i m h 电池的优异特性表现在以下几点【3 2 】： ( 1 ) 高比能量( 衡量电动车一次充电行驶里程) 已与锂离子电池水平相当； ( 2 ) 高比功率( 赋予电动车良好的启动、加速、爬坡性能) ； ( 3 ) 长寿命特性( 赋予电池良好的经济性) 平均寿命3 0 0 6 0 0 次： ( 4 ) 安全性能高，无污染物，被誉为绿色电源”。m h n i 电池的负极采用由贮氢 材料作为活性物质的氢化物电极，正极采用氢氧化镍( 简称镍电极) ，电解质为 氢氧化钾水溶液，其化学式可表示为： ( 一) m m hik o h ( 6 1 v 0in i ( o n ) 2 m i o o h ( + )( 1 - 1 ) 日本从事电动汽车用n i m h 电池开发的代表性厂家为松下公司和丰田公司。美国 的o v o n i c 公司和美n u s a b c ( 美国先进电池联合体) 也正在积极开发研制n i m h 电池。中国的n 价，咀电池技术也处于国际先进水平。通过近几年的发展，我国已 经成为全球的第一大镍氢电池生产国。 从比容量、比功率、安全性、环境友好性等方面来看，m h n i 电池是最有 希望的候选者。根据目前m h n i 电池的技术发展水平，它也是h e v 用化学电源 在近一阶段的最佳选择。 m h n i 电池的充放电可看作氢在正负极之间的转移，电解液无增减现象，电 6 硕士学位论文 第一章文献综述 池可以实现密封设计。m h n i 电池比镍镉电池具有更高的比能量，高功率的 l v l l - i n i 电池的比功率可达到9 0 0 w & g ( 瞬时脉冲放电功率) ，比能量可达9 5 w h 恕 以上；而循环寿命长，全充放电可达1 0 0 0 次( s 0 d o d ) 、浅充放电5 l o 万次 ( 4 0 d o d ) ，工作环境温度范围为3 0 + 5 5 ；耐过充放。目前日本的丰田公 司、本田公司和美国的通用汽车公司、福特汽车公司等生产的混合电动车所用 的辅助动力系统均为m h n i 电池组( 均在第1 7 届国际电动车研讨会上展出) 。因 此大力发展h e v 用m i - i n i 电池是有战略意义的 3 3 - 3 5 1 丰田和松下的合资公司 e ve n e r g y 生产的方形塑料壳体镍氢电池，比能量为4 5 w h l k g ，比功率达到 1 3 0 0 w m , g ，不锈钢壳体的方形电池则比功率达到了1 8 0 0 w k j 【g 。m a f e t c e n k o 在 2 0 0 6 北京c i b f 会议上介绍，o v o n i c 的研发的镍氢电池已经达到了1 9 0 0 w k g ， 低温3 0 的比功率也达到了3 4 0 w k g t 3 6 1 。吴锋等介绍2 0 0 5 年国内的混合动力车 用n i m i - i 动力电池达到了1 0 0 0 w k g 3 7 1 。现阶段镍氢电池是作为唯一实现了大批 量商业化的混合动力车用电池。 1 2 2 3 锂离子电池 自1 9 9 4 年日本推出锂离子电池后，一些镍氢电池企业纷纷转产生产锂离子 电池。以锂离子为代表的锂系列蓄电池已经进军电动自行车和轻型电动车领域。 日本索尼公司生产的锂离子电池在性能上和品种上已经具备相当高的水平。该 公司生产的圆柱型单体电池分为高能型和高功率型。其中高能型电池的比能量 为l l o w h k g 1 ，8 0 d o d 的比功率3 0 0 w k g 1 ，充放电次数1 2 0 0 次。高功率型 表1 - 1 最新部分锂电池系统开发项日数据p 9 l ( 柚l h l l 的圆柱电池8 0 d o d 的比功率高达8 0 0 w k g 1 。法国萨弗特公司的圆柱型单体 7 硕士学位论文第一章文献综述 锂离子电池比能量达到1 4 3 w h k s 1 ，8 0 d o d 的比功率为3 4 5 w k s 邶珂。德国瓦 尔塔公司也在研制高能量密度型和高功率密度型电池。高能密度型电池为方型， 容量为6 0 a h ，比能量为1 1 5 w h k s ，使用寿命9 0 0 次( 1 0 0 d o d ) 。随着技术的 发展，锂离子电池的性能指标将会越来越高【3 柳。日产汽车公司在2 0 0 2 年就推出 了装备锂离子电池的纯电动轿车，因电池造价过高一直没有向市场推广。美国 伊顿公司采用日本日立公司生产的6 a h 锂离子电池开发了混合动力轻卡，目前 正在美国联邦快递进行运行。在国内锂离子电池因安全性能的原因，曾经有公 司装备过纯电动轿车，但有过多次起火的事故而没有进一步开发。丰田汽车已 经发布消息准备在2 0 0 8 年推出装备锂离子电池的混合动力轿车。 1 2 2 4 燃料电池及其技术发展状况 燃料电池具有高效率( 加上余热回收，能源效率高达8 0 ) 、装备质量轻、清洁 无污染、无需充电、工作可靠、寿命长等许多优点，十分适宜于汽车上使用1 4 2 】。 9 0 年代以来燃料电池成为各个发达国家竞相开发的电动车电池。加拿大、美国、 日本、德国等国家处于领先地位，其中以加拿大的巴德拉公司最为先进。由于 汽车运行工况复杂，如果单独用燃料电池作动力源会导致燃料电池后备功率很 大，引起重量增加，成本上升，氢气利用低的问题。所以，目前的燃料电池几 乎全部采用燃料电池加辅助动力源的混合驱动方案。制造成本高是燃料电池商 业化所面临的主要问题目前燃料电池的制造成本约为3 0 美元p k w , 是高性能内燃 机的制造成本的6 倍，比功率仅为常规内燃机的1 3 4 3 。目前以氢为燃料的电动汽 车在性能上已经基本赶上了燃油汽车。但是，高成本制约了发展洲。我国通过 自主研发和引进，现在实现了小批量产业化的燃料电池生产公司有上海神力科 技有限公司、新源动力股份有限公司。这两家公司通过承担国家科技部的项目 在技术上已经取得一定的突破，并且实现了燃料电池发动机的小批量装车和示 范运营。 1 2 3 电动车用动力电池的发展趋势 动力电池对于电动汽车的发展来说起着至关重要的地位。电动汽车要取得 突破关键在于动力电源。二次电池的发展演变，更新换代和技术进步使电动车 电池向高能量密度方向发展【4 5 】。 目前，铅酸动力电池的重点是要解决比能量低、深循环寿命短、充电速度 慢等几大问题 4 6 - 4 8 1 。开发先进的胶体铅蓄电池、水平铅布电池和卷绕式圆柱形 电池，是克服铅蓄电池作为动力电池先天不足的一种捷径 4 9 - 5 0 1 。今后铅酸电池 应由少维护向免维护方向发展，向提高产品综合性能、减少污染方向发展，特 别是要提高阀控式铅酸蓄电池的可靠性，使其成为新型1 2 v 和3 6 v 实用化汽车电 池。未来市场对铅酸蓄电池的要求是高起动能力、大容量、免维护、长寿命、 8 硕士学位论文第一章文献综述 耐高温、高电压系统。要保持铅蓄电池产业的可持续发展，企业和行业应加强 自律，重视解决铅污染问题，关键是建立有效的管理网络和落实相关责任、措 施【5 1 - 5 2 】 镍氢电池的比能量和成本仍有空间，性价比仍可以提高，高性能、低成本 贮氢电极及相关材料、电池管理系统的开发是高功率氢镍电池今后的研究重点 0 3 4 5 1 。今后镍氢电池的研究方向是，使其寿命迸一步延长，改善其低温和高温 性能冈。特别是从2 0 0 6 , 开始金属镍钴的价格大幅上涨，镍氢电池的成本将显 著增加，因此从材料的角度寻找镍钴材料的替代材料，或者降低镍钴使用量， 以降低成本对镍氢电池有着非同寻常的意义。 国外的动力锂离子电池的发展已经取得了很大的进展，已经有装车进行示 范运营的电动汽车。在国内，锂离子电池作为电动车电池目前还未形成规模， 成本相对偏高，性能提高的空间还较大，必须重点在降低成本、采用新型材料、 电池管理系统等方面进行研究 5 7 - 5 扪。随着锂离子电池材料技术的发展特别是磷 酸铁锂材料的性能突破，可以解决锂离子电池的安全和寿命等方面的问题，锂 离子电池在电动车领域会有非常大的发展空间。 从环境效应和长远利益考虑，燃料电池车是未来电动车的发展方向这是不 容置疑的。但目前燃料电池技术尚未成熟，产品还没有一个可以被市场接受的 价值等式，虽然成本有所下降，但其价格昂贵仍是一个天文数字( 进口1 辆燃料 电池大巴目前的价格高达数百万美元) ，到目前为止，安全供给氢气仍是一个技 术难题，还存在催化剂资源、储氢技术开发、运行安全、复杂的基础设施建设 以及长期运行的可靠性等瓶颈问题。投资者行为不可能将大量资金投放到一个 用于不断开发技术而长期无成本回收的项目。其市场前景既决定于技术、成本 韵突破程度，政府行为和产业政策对市场的影响更具有决定性作用网。 1 3 国内外动力电池功率测试方法 1 3 1 美国u s a b c 的功率测试方法 u s a b c c o sa d v a n c e db a t t e r yc o n s o r t i u m ) 美国先进电池联合体是美国三大 汽车巨头( g m 、福特和克莱斯勒汽车公司) 和美国能源部为了适应1 9 9 8 年以 后电动汽车演试计划的要求，组建成的机构，专门研究与开发新型高能量密度 电池，促进电池技术发展和应用。u s a b c 峰值功率测试方法介绍如下 6 0 l ： ( ) 目的 测定电池在不同放电深度( d o d ) 状况下的持续放电功率的最大值。并不是测 量电池的实际峰值功率，而是预测了一个低于额定峰值功率的大电流放电是的 9 硕士学位论文 第一章文献综述 峰值功率。 。 。t ( 二) 必备条件 l 电池的测试方案需要根据电池厂家提供的参数确定测试过程中的参数。 这些参数包括额定的8 0 d o d 峰值功率、最低放电电压、最大额定电流、额定 容量和由厂商和或u s a b c 要求的同安全保护相关的测试限制温度和一些详细 的专门操作测试说明。 2 执行测试程序之前，u s a b c 测试程序n o i a ，电池预备测试和n o 1 b ， 都应该准备就绪。 ( - - - ) 测试仪器 能完成峰值功率测试的仪器由下列装置组成：( a ) 合适的电池充电器；c o ) 能 够完成4 1 2 和4 1 3 规定电流的电池放电能力测试装置；( c ) 一个能获得数据间 隔为l s 甚至更短时间的采集系统。 ( 四) 测试环境的确定 l 测试电流的计算如下： ( 1 ) 额定峰值电流= 额定峰值功率( s 0 d o d 时) ( 2 3 0 c v ) ( 2 ) 测试的大电流值为厂商标明的电池最大额定放电电流与4 1 1 的较小值。 ( 3 ) 基本放电倍率= 同测试大电流一起的每1 0 d o d 3 0 s 脉冲电流给出的平 均放电电流值，相当于c 3 放电倍率，用如下方法计算： i = ( 1 2 c 测试的大电流) 3 5 ( 1 - 2 ) 注意：如果电池的容量很小以至基本放电电流为零或更小，需将测试规范修改， 否则测试将不能进行。 2 设置电池的放电电压下限值，取厂商标明的电压限制值和循环初始 8 0 d o d 下2 3 0 c v ( 开路电压) 中较大值。如果厂商没有提供此值，可以以 c ，3 放电终止到8 0 d o d 状态的容量来计算。电池放置1 h 后的开路电压可以认 为是o c v 。 ( 五) 测试程序的步骤 1 电池的充电与测试规范相同 2 放电操作 ( 1 ) 电池以基本放电电流放电3 0 s ( 2 ) 测试3 0 s 大电流放电 ( 3 ) 电池以基本电流持续放电至放电深度增= ! j i l l 0 。 ( 4 ) 每隔1 0 重复5 2 2 和5 2 3 至达到9 0 。执行3 0 s 脉冲放电至9 0 0 , 4 ，继续以 基本放电电流放出剩余的容量。 3 再充电制度与测试规范相同。 1 0 硕士学位论文第一章文献综述 4 计算d o d 每增加1 0 的峰值功率性能。 ( 1 ) 用电压和电流计算( 1 ) 每一个大电流测试步骤接近结束时( 2 ) 步骤开始之 前，以下式计算电池两点电流和电压的阻抗： r2斟|鲢0-3) ( 2 ) 由大电流放电步骤终了时的电压和电流计算电池的i r - 空载电压( 1 i p 深度 放电状态下的开路电压) i r = v - i r ( 1 - 4 ) ( 3 ) 以下两个方程的最小值来计算此放电深度的峰值功率性能： ( 1 ) 峰值功率性能= - ( 2 9 ) * ( v m v m ) r 或( 2 ) 峰值功率性能= - d v l * m 一d v l ) r d v l 为放电截止电压 ( 1 5 ) ( 1 啕 或( 3 ) 峰值功率= i m a x ( v i r f + r 。i n l 珏)( 1 7 ) i 。为厂商标明的最大额定电流( 如果没有注明，则忽略此计算) ，示例提供 了更多的细节。 ( 4 ) 如果电压或电流在大电流测试步骤里受到限制( 电压最小值或电流最大 值) ，峰值功率仍按以上方法计算。然而，如果3 0 s 末的实际功率小于计算值( 电 压或电流受限制) ，则低的实际功率应作为峰值功率。之后的放电过程中的大电 流测试值会减小( 取决于设备的能力) 以致电流恒定使测试可以完成( 即不会引起 进一步的电压限制) 。 ( 5 ) 如果放电过程中放电电压没有低于限定值，而不能以基本电流放电，则 将放电终止。 ( 六) 获得数据 l 电流数据 电池的电流和电压数据必须从大电流测试步骤开始后3 0 s 和结束前3 0 s l 勾每 1 s 采集一次数据。1 0 d o d 时为9 0 s 采集一次。这些测量数据应保存妥善，将最 接近8 0 d o d 的数据作图使数据有效地被应用。 2 基本放电数据 在以基本电流放出剩余容量的过程中，所有的测试数据( 电压、电流、温度、 模块电压等等) 的记录间隔为1 0 m i n 或任何一个参数与之前的值相比变化量大于 了2 。 3 计算数据的均值 用于计算每隔1 0 d o d 的峰值功率性能的电流电压对数据的获得通常通过 以下方法：( 1 ) 大电流测试步骤终了三个连续电流电压的均值( 2 ) 接近步骤开始时 三个连续电流电压的均值。 硕士学位论文第一章文献综述 ( 七) 作图 应当把大电流测试步骤终了时的每隔1 0 计算的峰值功率和实际放电深度 关系制成表格并作图。接近于8 0 d o d 的电压电流图表应该绘制出来。 1 3 2 日本的电池功率测试标准 日本电动车辆协会( j e v s ) 镍氢电池测试标准如下【6 1 】： 电动车用密闭型氢镍电池比功率及峰值功率测试方法 ( 一) 适用范围本规格针对电动车用密闭型氢镍电池单体，规定了放电深度为 2 0 ，5 0 ，8 0 状态下通过3 0 s 时间放电平均功率计算质量比功率( w k g ) 以 及峰值功率( w ) 的测试方法。 ( 二) 引用规格引用如下规格。同样适用引用规格的最新版本。 j i sb7 4 1 1 玻璃棒温度计( 全浸没) j i s c o o i o 环境试验方法( 电器，电子) 通则 j i s c1 1 0 2 电子计量仪表 j i sc8 7 嘴密闭型氢镍蓄电池 j e v sd7 0 5 电动车用密闭型氢镍电池容量测试方法 j e v s z8 0 7 电动车术语( 电池) m c6 1 4 3 4 ：1 9 9 6s e c o n d a r yc e l l s & b a t t e r i e sc o n t a i n i n ga l k a l i n eo ro t h e r n o n - a c i de l e c t r o l y t e sg u i d et ot h ed e s i g n a t i o no fc u r r 锄ti na l k a l i n e s e c o n d a r yc e l l & b a t t e r ys t a n d a r d s ( 三) 术语定义本标准所用主要术语除采用j e v sz8 0 7 标准外，其余的如下。 密闭型氢镍电池：正极为镍的氧化物，负极为储氢合金，电解液为氢氧化钾 等水溶液构成的密闭型电池。 额定容量电池制造者提供的c 5 ( a 1 1 ) 条件下电池的容量。标准j e v a d 7 0 5 规定条件下充电及静置后，2 5 1 2 0 2 i t ( a ) 电流电池单体终止电压至1 0 v 时电池 可放出的电量。 a ) 最大额定电流值电池制造者指定最大电流值条件下能够持续3 0 s 放电 的电流值( a ) 。 ”电压下限值电池制造者指定最大额定电流条