（光学工程专业论文）纯电动汽车整车建模与仿真.pdf

啥尔滨工业_ 大学工学硕士学位论文 摘要 随着世界石油危机和环境问题的日益严峻，世界各国都在探索未来汽车的 新燃料、新能源和新动力。随着世界各国零排放法规的相继推出，电动汽车作 为无污染的交通工具。成为越来越多的国家的首选。 电动汽车的储能动力源就是蓄电池，蓄电池也是电动汽车一直未攻克的难 题，铅酸电池经过多年的研究，其性能、价格取得很大的进步，已经越来越广 泛的应用于电动汽车。牵引电机是电动汽车的重要部件，随着科技的发展，三 相异步电动机已经取代了直流电机的地位，成为电动汽车动力转换的关键部件。 本文研究了电动汽车储能动力源铅酸电池的工作原理，对铅酸电池的工作 状态进行了研究，并分析了铅酸电池的基本特性，讨论了铅酸电池的充、放电 特性，通过试验的方法建立了铅酸电池通用的数学模型，并验证了该模型的正 确性。 本文还研究了电动汽车牵引电机三相交流异步电机的数学模型。首先 讨论了三相异步电机多变量非线性模型，建立了三相异步电机的电压、磁链、 运动和转矩方程以及三相异步电机的数学模型，对模型进行了三相一两相变换 ( 3 2 变换) ，两相一两相旋转变换( 2 s 2 r 变换) ，简化了牵引电机的模型，为牵引 电机的研究提供了一种新的思路 本文在a d v i s o r 中建立了电动汽车铅酸电池、牵引电机、车身以及电动 汽车的整车模型。通过a d v i s o r 建立电动汽车的各个总成的模块可以大大缩 短电动汽车建模的时间，为电动汽车提供了一个很好的平台。通过建立的电动 汽车各个总成模块，选用了国内一款电动公交车进行仿真，得到了该车的一些 性能参数的曲线，验证了模型的准确性。 关键词电动汽车：仿真：铅酸电池；牵引电机；异步电机 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e c o u n t r yi nt h ew o r l dh a sb e e ne x p l o r i n gn e wf u e ln e we n e r g ys o u _ r c e ra n d n e wp o w e ro ft h ef u t u r ev e h i c l ea l o n gw i t ht h eg r i m n e s so ft h ep e t r o lc r i s i sa n d e n v i r o n m e n tp r o b l e mi n c r e a s i n g l y ，w i t ht h er u l eo fz e r oe m i s s i o np u t t e di np r a c t i c e i n c r e a s i n g l y , e l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) a st h ev e h i c l eo f z e r op o l l u t i o nb e c o m e st h ef i r s t c h o i c eo f m a n y c o u n t r y a se l e c t r i cv e h i c l e sp o w e r , b a t t e r yi st h em o s td i f f i c u l tp r o b l e mo fe l e c t r i c v e h i c l ew h i c hh a s n tb e e nc a p t u r e da l la l o n g s t u d i e df o rm a n yy e a r s ，b a t t e r yh a s b e e na p p l i e di ne l e c t r i cv e h i c l e sw i d e l yb e c a u s eo f t h ep r o g r e s so f t h ec a p a b i l i t ya n d p r i c e t r a c t i o nm o t o ri se l e c t r i cv e h i c l e si m p o r t a n tp a r t s w i t l lt h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y , d cm o t o rw a sr e p l a c e db ya c m o t o rw h i c hb e c o m e st h ek e yp a r t si n e l e c t r i cv e h i c l e t h ew o r kp r i n c i p l eo fb a t t e r yo fe l e c t r i cv e h i c l e s s t o r a g ep o w e ra n dt h e w o r k i n gs t a t e o fb a t t e r yw a ss t u d i e da n dt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i co fb a t t e r yw a s d i s c u s s e d ，t h e n t h ec h a r a c t e r i s t i co f c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n go fb a t t e r yw a sa n a l y z e d ， t h eu n i v e r s a lm a t h e m a t i c sm o d e lo fb a t t e r yw a sd e s i g n e db yt h et e s t i n gm e a n sa n d t h ev e r a c i t yo f t h em o d e lw a sv a l i d a t e d i nt h i st h e s i s a cm o t o r sm a t h e m a t i c1 1 3 0 d e lw a ss t u d i e d t h en o n l i n e a r i t ya n d m u l t i p a r a m e t e rm o d e l o f a cm o t o rw a sd i s c u s s e d ，t h ef o r m u l ao f v o l t a g e ，m a g n e t i c c h a i n ，m o v e m e n t ，t o r q u ea n dt h em a t h e m a t i c sm o d e lo fa cm o t o rw e r ef o u n d e d ， t h e nt h ea cm o t o r sm a t h e m a t i c sm o d e lw a st r a n s f o r m e df r o mt h r e ep h a s et ot w o p h a s ea n d f r o ms t i l lt or e v o l v ei nt w o p h a s e t h em o t o r sm o d e l w a s s i m p l i f i e d t h es i m u l i n km o d e lo fb a t t e r y , a cm o t o r , v e h i c l eb o d y , a n dv e h i c l ew e r e d e s i g n e di na d v i s o r t os h o r t e nt h et i m eo f m o d e l i n gg r e a t l y ，ag o o dp l a c ew a s o f f e r e di na d v i s o rf o rt h es t u d yo f e l e c t r i cv e h i c l e i nt h et h e s i s ，ae l e c t r i cb u sw a s s e l e c t e da n ds i m u l a t e db yt h ed e s i g n e dm o d e la n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb u sw a s g a i n e d t ov e r i f yt h ee x a c to f t h em o d e l k e y w o r d s e l e c t r i cv e h i c l e ，s i m u l a t i o n ，b a t t e r y ， t r a c t i o nm o t o aa cm o t o r 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第1 章绪论 目前汽车工业已成为世界经济和各国经济发展的支柱产业，汽车工业的发 展不仅仅在汽车本身，它涉及许多产业部门的发展，带动了石油化工、钢铁冶 金、有色金属材料、橡胶工业、电子工业、纺织工业、机器制造业等的发展， 促进城市的市政建设，以及与汽车有关的第三产业的发展。汽车不仅在经济上 造福于人类，而且也给人们带来了全新的汽车文化，但是随着内燃机汽车的保 有量的不断增长，汽车给人类带来的问题也日益突出，已严重危害到了人类的 生活，主要是环境污染问题和石油资源危机的问题。减少汽车尾气对大气及环 境的污染，拯救人类赖以生存的自然环境，开发节能及替代能源的环保型汽车， 是当今世界汽车产业发展的一个重要趋势。世晃各国也都制定了相应的标准， 一方面限制使用排放超低的汽车，另一方面加紧研制开发零排放汽车。于是以 电动汽车( e v ，e l e c t r i cv e h i c l e ) 为主的低排放节能汽车得到了重视和发展【卜。 电动汽车包括动力电池、电池充电器、电机和电机控制器i 】。随着蓄电池 技术的发展，电动汽车已经成为2 l 世纪世界各国发展的主要科研攻关项目。发 展电动汽车具有以下的优点： ( 1 ) 纯电动汽车的最大优点是无排放污染( 零排放汽车z e v ) 。它本身不排放 污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外， 其它污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害 较少，而且电厂是固定不动的，排放集中，且已有相关技术来清除各种有害排 放物。 ( 2 ) 由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力等，可解除人们 对石油资源目渐枯竭的担心。 ( 3 ) 电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备 日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。 显然纯电动汽车的研究开发的主要目的就是要减少石油能源的消耗，减 少汽车尾气中的有害气体物，降低大气污染。纯电动汽车车辆研究的意义就是 不仅降低了大气污染，而且，电动汽车的发展，新能源得到了充分的应用，使 汽车面i 临的石油危机得到了缓解。也促进了世界经济的发展。而且e v 驱动系 统参数( 电池组容量、电动机功率等) 对车辆动力性、续驶里程和荷电状态( s o c ， s t a t eo f c h a r g e ) 有着很显著的影响。对电动汽车的性能进行研究，运用计算机模 拟仿真的强有力工具，对电动汽车蓄电池、电动机、整车进行仿真。可以缩短 设计周期、提高汽车的性能和加快电动汽车的研究开发及市场化1 7 1 。 1 2 电动汽车的发展概况 电动汽车早在一百多年前就出现了，比世界上的第一辆汽油机汽车的诞生 还要早几年，电动汽车是以电池为动力的汽车，与燃油汽车有显著区别。电动 汽车是涉及到机械、电力、电子、计算机控制等多种学科的高技术产品。 1 2 1 电动汽车的发展历程 在1 9 世纪3 0 年代，英、法等国曾有人研究电动汽车，到1 8 8 1 年在法国巴 黎街上出现了世界上第一辆电动车，它是由法国工程师g u s t a v et r o u v e 装配的 以铅酸电池为动力的三轮车。18 8 2 年又在英格兰由w e a y r t o n 和j o h n ，p e r r y 两 位教授组装了第二辆电动三轮车。1 8 9 0 年在美国依柯华州诞生了美国第一辆蓄 电池汽车，时速达到2 3 k m h 。直到1 9 1 2 年，电动汽车出现了商业生产高峰， 1 8 9 9 年美国生产的电动汽车为1 5 7 5 辆，而内燃机汽车只有9 3 6 辆，而在1 9 1 5 年美国电动汽车的年产量达5 0 0 0 辆。随后，由于电池技术的限制，以及大量油 田的发现，内燃机汽车逐渐在商业上取得了领先地位，而在上世纪3 0 年代末早 期电动汽车的商业生产也进入了尾声，被动力性能较好的内燃机汽车完全取代 而退出历史舞台。在1 9 5 5 到1 9 6 5 的1 0 年中，电动汽车从冬眠中觉醒了。主要 是两件影响汽车发展的重大事件，一件是汽车的排放污染在美国等发达国家相 继出现光化学烟雾，严重地威胁着人们的健康和生命安全，被世界各国公认为 重大的公害之一；另一件是1 9 7 3 年爆发的中东战争引起了石油危机，西方工业 发达国家的汽车工业依赖进口石油，严重地威胁到这些国家的利益和安全。汽 车作为石油消耗品首当其冲地成为节能的主要力量。降低燃油消耗、开发零排 放或超低排放汽车成为当时各国汽车工业共同研究的课题。而电动汽车也取得 了很大的发展，美国c o m u t a 公司1 9 7 8 年研制了二人座c o m u t a 电动汽车。上 世纪9 0 年代初美国加利福尼亚州立法强制推行零废气排放政策，又在世界上掀 起了一股电动汽车的研究开发热潮，包括了车辆、机械、电子、新材料、加工、 能源等各个方面的研究与开发。世界发达国家及著名公司都十分重视电动汽车 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的研究和开发，不惜投入巨资，并制定了一些相关的政策、法规来推动电动汽 车和动力电池的发展。美国的三大汽车公司通用、福特和克莱斯勒为此专 门成立了一个美国先进电池联合会( u s a b c ，u n i t e ds t a t e s a d v a n c e db a t t e r y c o n s o r t i u m ) ，提供巨资着重开发与电动车配套的电池，并制定了近期、中期和 长期的电池技术发展规划和技术要求( 见表1 1 ) 。 表1 1 美国先进电池联合体( u s a b c ) 提出的电动汽车用电池的主要性能指标【8 1 t a b l e1 1t h e t a r g e to f t h ei m p o r t a n lc h a r a c t e r i s t i co f b a t t e r yr a i s e db yu s a b c 性能参数中期过渡期长期 质量比能量( 3 h 率) ( w h ，k g 。1 ) 8 0 1 0 015 02 0 0 体积比能量( 3 hg ) ( w h ，l 。) 1 3 52 3 03 0 0 体积比功率( wl - ) 2 5 04 6 06 0 0 质量比功率( wk g “) 15 0 - - 2 0 03 0 04 0 0 循环次数 6 0 01 0 0 01 0 0 0 寿命( 年) 5l ol o 正常充电时间( h ) 664 工作温度( 。c ) 3 0 6 03 0 6 54 0 8 5 自放电率( d “) 1 5 3 2 5 1 2 连续放电l h 率额定容量 7 07 57 5 1 2 2 国外电动汽车发展概况 目前美国和日本的电动车研究处于世界的领先水平【9 a o 。其次有法、德、意、 英、瑞士等国都有相应的电动汽车研究。 美国号称“汽车王国”，汽车工业十分发达，汽车产量最大，保有量最多， 石油消耗量和汽车的排放污染物屠世界首位。1 9 9 0 年9 月加州政府通过的法规 规定“零排放车辆”( z e v ) 的销售比例，随后其它一些州也通过了类似的法规。 1 9 9 0 年美国提出了联邦清洁空气法律修正案规定了严格的汽车尾气排放标准。 这些措施推动了美国电动汽车的迅速发展。1 9 9 1 年美国三大公司签订协议，合 作研究电动汽车用先进电池，成立u s a b c ，同年7 月美国电力研究院参加了 u s a b c ，1 0 月布什总统批准了2 2 6 亿美元资助此项研究。1 9 9 2 年，美国三大 汽车公司通用、福特、克莱斯勒组成了美国先锋电子财团从事电动汽车的开发， 重点研究：新型蓄电池、轻质材料在电动车上的应用、低滚动阻力的轮胎、制 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 动再生电能系统、快速充电装置。2 0 0 1 年8 月，通用汽车公司推出了世界上首 辆配置汽油转化器的燃料电池汽车，这是一款基于雪佛兰s 1 0 皮卡车的原型车。 这一装置可从汽油中提取氢气，然后把氢气输送到燃料电池装置。由于在世界 各地广泛设置加氢站为时尚早，而这一技术可以直接从汽油中提取氢气，因而 被视为一个理想的过渡性解决方案。同年，通用汽车公司还开发出“自主魔力” 燃料电池概念车】。根据美国电动汽车协会( e l e c t r i cv e h i c l ea s s o c i a t i o no f t h e a m e r i c a ) 发表的统计数据，1 9 9 5 年美国有1 9 0 多家企业研制和开发电动汽车， 并进行了小批量生产”“。 日本是能源短缺的工业大国，城市污染严重。早在3 0 多年以前就开始进行 燃料电池的研究1 7 j 。丰田公司于1 9 9 6 年1 1 月在第1 3 届国际电动车会议上推出 日本第一辆燃料电池电动车。东京电力公司和日本研究开发公司，联合研制成 功“i z a ”豪华型电动车，采用2 8 8 v 镍镉电池，四台直流无刷电机，输出功率 为i o o k w ，最高车速达到1 7 6 k m h ，每次充电后，以4 0 k m h 行驶时续驶行程 达5 4 8 k m 。日产公司与日立公司联合开发生产“未来型电动汽车”( f e v ，f u t u r e e l e c t r i cv e h i c l e ) ，总重2 0 0 0 k g ，采用镍镉电池，1 5 分钟可充满电，最高时速达 1 3 0 k m ，以4 0 k m h 行驶的续驶里程可达2 5 0 k m 。日本丰田公司生产的r a v 4 一e v ， 已由铅酸电池改为镍氢电池，一次充电可行驶2 0 0 k m ，最高车速可达1 2 5 k m h 。 日产汽车公司1 9 9 8 年在日本和美国销售的a l t r a - e v 采用日产公司自己开发的锂 离子动力电池( l i b ) ，循环寿命长，可反复充电1 2 0 0 次，使用寿命约为1 0 年， 一次充电行驶1 2 4 k m ，充电5 小时，最高车速可达7 5 k m h 。三菱公司在1 9 9 9 年底展出的f t o e v 上，装配了新开发大容量、高输出的锂离子电池和大功率、 高效率的永磁同步电动机。据日本电动车辆协会的统计在道路上行驶的电动汽 车1 9 8 9 年为1 0 6 4 辆，1 9 9 0 年为1 2 7 1 辆，1 9 9 1 年为1 0 3 7 辆，1 9 9 2 年为1 3 0 0 辆左右，其中主要是轻型客货两用的电动汽车。 法国是另一个开发和使用电动汽车的大国，是少数几个出售商品电动汽车 的国家之一。法国是个缺少石油的国家，汽油昂贵，油价约为美国的四倍，每 年从国外进口大量的石油。7 0 年代石油危机成为法国开发电动汽车的转折点， 1 9 7 3 年雷诺汽车集团已研制出电动汽车。标致一雪铁龙与雷诺两大汽车公司一直 在积极研制电动汽车，1 9 9 0 年标致一雪铁龙公司的j 一5 和c 2 5 电动货车投入生 产，该公司1 9 9 5 年正式将标致1 0 6 和雪铁龙a x 电动轿车投入生产。从1 9 9 5 年7 月1 日开始，政府绘购买电动汽车的用户提供5 0 0 0 法郎补贴，法国电力公 司从自身利益考虑，向电动汽车制造厂生产的电动汽车每辆提供一万法郎的补 助。这些措施给电动汽车在法国发展创造了良好的环境。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 另外，德国、意大利、英国等都投巨资用于开发电动汽车，并制定了相应 的优惠政策。 1 2 3 我国电动汽车发展概况 我国也是一个能源短缺的国家，随着汽车保有量的增加，能源问题和环境 污染问题必将日益严重。面对世界各国开发电动汽车迅速发展的步伐，8 0 年代 初我国对电动汽车就开展了研究。并将其列入八五规划。近年来，我国电动汽 车的研究与开发工作也进入有组织、有领导的全面发展阶段。1 9 9 5 年1 0 月，机 械部组织了电动汽车的发展战略研究会。1 9 9 6 年1 月，国家科委组织了“国家 重大科技产业工程项目电动汽车实施方案”综合评论会，此方案引导电动汽车 的研究进入了崭新的阶段。“九五”期间，国家为了推进电动汽车的开发，先后 投入了t 亿多元，为国家发展电动汽车奠定了基础，并在广东油头市成立了国 家电动汽车运行试验示范基地。1 9 9 9 年4 月由国家科技部和国家环保局等1 3 个部委局联合启动了全国“清洁汽车”行动，目的是控制和治理汽车的尾气排 放，同时也为电动汽车的发展创造了环境和条件，推进了电动汽车的开发和研 制，使许多技术得以突破。“十五”国家8 6 3 计划电动汽车重大专项从2 0 0 1 年 1 0 月正式启动。电动汽车将成为汽车行业结构调整的突破口，使中国汽车实现 跨越式发展的一次机会1 1 5 。在几项关键技术的研究取得了重大的成果：中科院 承担的电动机及其控制系统的研究项目；清华大学承担的蓄电池电量测量和能 量管理系统的研究项目。东风汽车公司已经完成了概念车的总体设计，并和意 大利的公司于1 9 9 9 年2 月开始合作进行车体的设计。4 辆分别由交流感应电机、 无刷永磁直流电机、开关磁阻电机驱动的概念车于2 0 0 1 年制造出来，同时，对 镍氢电池、锂电池以及燃料电池等动力源的开发研究也在进行中【1 6 1 7 1 。 1 3 纯电动汽车的驱动方案 纯电动汽车的基本方案一般有机械驱动、机电集成化驱动和轮毂电机驱动 三种布置方案。 ( 1 ) 机械传动驱动轴方案这种驱动布置的特点是用蓄电池、电机及其控 制系统取代了原来的内燃机及其控制系统作为电动汽车的动力源，布置示意图 如图1 一l 所示。在这种布置形式中，一般选用或保留了内燃机汽车的变速器、 传动轴、半轴等传动部件，其优点是有利于集中精力匹配电动汽车的动力系统； 缺点是传动效率较低，并且不能充分满足电动汽车的动力性能的要求。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 111lll1 甲 图1 1 驱动轴驱动方案示意图 f i g1 1 s k e t c ho f d r i v i n g p r o j e c to f d r i v ea x l e ( 2 ) 电集成化驱动布置方案机电集成化驱动布置方案类似于差速半轴驱动 方案。这种布置方案充分利用电动机的调速范围宽的特点，取消了传动效率低、 操纵繁琐的齿轮变速箱，只采用部分传动齿轮，保留差速器和半轴，从而使得 动力系统得到了简化，并提高了传动效率。 ( 3 ) 电动轮方案此方案取消了差速器和半轴，而将行星减速器与电动机制造 为一体，称为电动轮，轮胎直接安装在电动轮上，不但提高了传动效率，而且 不占用车身和底盘的空间，扩大乘坐的空间，利用底部空间来安装电池，并使 整车的总体布置得到简化，如图1 - 2 所示。 圈1 2 电动轮驱动示意图 f i g1 2s k e t c ho f e l e c t r i cw h e e ld r i v i n g 1 4 本文研究的主要内容 对纯电动汽车的现状和前景进行分析，找出影响电动汽车的经济性和动力 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 性的因素，本文对电动汽车进行性能分析，主要从以下几个方面入手： ( 1 ) 纯电动汽车动力源的性能研究电动汽车的动力源为各种二次电池，它是 电动汽车发展的关键因素，要想在较大范围内推广应用电动汽车，必须要依靠 先进的蓄电池。对蓄电池工作原理的研究，可以了解蓄电池的工作状况，从而 建立蓄电池的模型，本文提出了一种新的利用试验建立蓄电池模型的方法，并 验证了模型的准确性。 ( 2 ) 纯电动汽车的电机性能研究纯电动汽车是利用电动机将电能转化为机 械能来实现驱动的。电机种类多、用途广、功率覆盖面非常大。因此本文对电 动机进行性能分析，建立牵引电机的数学模型，分析研究y - 相异步电机的模 型。 ( 3 ) 纯电动汽车的整车性能研究通过对电动汽车蓄电池和电动机的选择，以 一定的驱动方案，在特定的电动汽车行驶工况下，本文运用了a d v i s o r 软件， 对国内某款电动汽车整车进行了性能分析，研究了该电动汽车对工况的适应性， 分析了电动汽车的整车性能。 晴尔滨工业大学工学硕j d 学位论文 !i,ll i i s ! 第2 章纯电动汽车动力电池的数学建模和仿真 电化学蓄电池是纯电动汽车驱动的一个重要的组成元素，蓄电池作为电动 汽车的驱动动力源，其研究进展得到了很大的发展，截至目前，铅酸电池的能 量模型已比较成熟，己能基本适应电动汽车的要求。对铅酸电池进行建模和仿 真是非常有必要的。 2 1 动力电池概述 目前电动汽车上所使用的储能动力源，主要是蓄电池，也有部分使用燃料电 池、飞轮电池及超级电容，在一些多电源的电动汽车中，有时也使用太阳能电 池提供一部分动力。 2 1 1 动力电池发展概况 从目前国内外电动汽车的发展水平看，除了储能动力源外，其他技术都已 突破，唯一不理想的就是动力电池。特别是对电动汽车蓄电池荷电状态的准确 检测阻碍了电动汽车市场化的发展l l8 ”j ，电动汽车的性能在很大程度上取决于 其所使用的动力电池。由于蓄电池的能量密度和功率密度总体上比汽油的能量 密度和功率密度要小，为保证电动汽车的动力性，在电动汽车上都装配了大量 的蓄电池，蓄电池的重量大约在3 0 0 6 0 0 k g ，需要2 0 0 - - - 3 0 0 升的蓄电池容量， 大约需要1 2 3 0 k w h 的储能能量，功率在5 0 1 5 0 k w 的功率以及i 到8 个小时的 重新充电时间1 2 。因此研究和开发高性能的蓄电池在电动汽车的发展上是一个 非常关键的技术。蓄电池的性能参数包括能量密度、功率密度、能量效率、充 电率以及循环使用寿命等。 目前电动汽车使用的蓄电池有十多种，在电动汽车最开始的阶段，电动汽 车使用的就是铅酸电池，其发展取得了很大的突破，现在很多的电动汽车使用 的就是铅酸电池，现有的铅酸电池循环使用寿命超过6 0 0 次，能量密度和最大 的功率密度分别超过3 3 w h k g 和9 3 w k g 。虽然现在有许多高级蓄电池在能量密 度、功率密度和使用寿命方面，都要明显的优于铅酸电池，尽管如此，由于它 具有技术成熟、比功率大、成本与正在研制的新型电池相比较低等优点，在现 有的电动汽车中8 0 以上以铅酸电池为储能动力源，其次是镉镍电池。从近几 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 年的研究看，铅酸电池在性能方面仍有一定的潜力可挖瞄1 。 2 0 世纪7 0 年代以来，各种高能蓄电池问世，它们在比能量和比功率方面有 很大的提高，在第二代e v 和h e v 上，大多数采用了高能蓄电池，锂电池将是 理想的动力电池。其优点是高能量密度( 1 0 0 w h k g ) 、高功率密度( 3 0 0 w h k g ) 和 很长的循环寿命( 1 0 0 0 次) ，可防止过充电和过放电，可快速充电( 9 0 分钟) 。其 缺点主要是成本太高、发热严重。到目前为止，锂电池还处于试验阶段，其最 终性能、制造成本、使用寿命以及可靠性还有很多未知因素。还有现在发展的 蓄电池有镉镍( n i c d ) 、镍氢( n i m h ) 电池，其优势是在实际使用中的能量密度 和峰值功率密度较高。镉镍电池的能量密度和峰值功率密度分别达到了 5 6 w h k g 和1 9 0 w k g ，可以防止过充电和过放电，而且使用寿命长。镍氢电池 的能量密度和峰值功率密度分别达到了5 5 w h k g 和1 7 4 w k g ，续驶里程和循环 使用寿命都是铅酸电池的两倍，同样可以防止过充电和过放电“。 各种电池都有其优点，但是到目前为止，从性价比的观点来看，还是铅酸 电池的使用范围较广，表2 1 列出了各种不同电池的性能参数指标。以及与 u s a b c 的性能指标进行比较。 表2 1 各种不同电池的性能参数和u s a b c 性能指标的比较【2 3 l t a b l e2 - 1c o m p a r a t i v eb e t w e e nv a r i o u sb a t t e r ya n dt a r g e to fu s a b c 比能量能量密度比功率功率密度循环寿命次充电价格 ( w h + k b - 1 )( w hl “)( w + k g “)( w l “)f 寿命年)( r a i n )t s k w h ) u s a b c8 0 2 0 01 3 5 - 3 0 0 l5 0 - - 4 0 02 5 0 6 0 0 6 0 0 - 1 0 0 0 ( 5 - 1 0 、 1 5 - - 2 01 0 0 铅酸3 0 - 5 06 0 - 1 0 02 0 0 - 4 0 01 2 04 0 0 “0 0慢 1 0 0 镍镉 4 0 - 5 01 1 0i5 0 - 3 5 08 0 0 之0 0 0 i5 6 0 3 0 0 镍氢 5 0 - 8 01 9 01 5 0 3 0 04 8 08 0 0 1 0 0 01 82 0 0 钠硫1 0 0 - l 5 01 5 0 15 0 - 2 5 03 1 01 1 0 0 - 1 2 0 03 0 0 锂离子1 2 0 1 4 02 5 02 0 0 - , 3 0 01 2 0 0慢2 0 0 2 1 2 动力电池的性能指标 蓄电池作为电动汽车的储能动力源，在电动汽车上发挥着非常重要的作用， 要评定蓄电池的实际效应，主要就是看蓄电池的性能指标。蓄电池的性能指标 主要有以下几种： ( 1 ) 荷电状态荷电状态是指参加反应电池容量的变化。s o c = 1 即表示电池 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 充满状态。随着蓄电池的放电时蓄电池的电荷逐渐减少，此时蓄电池的充电状 态，可以用s o c 的百分数的相对量来表示蓄电池中电荷的变化状态。一般蓄电 池放电高效率区为5 0 8 0 s o c 。对s o c 的精确的实时辨识，是电池管理系统 的一个关键技术。现在已经能够建立的模型有：电流模型；经验公式模型：静 态模型和智能模型 2 t ”】。 ( 2 ) 能量电池的能量( w h 、k w h ) 决定电动汽车的行驶距离，一般有三种能 量来确定蓄电池的能量：标称能量、实际能量、比能量。标称能量是电池的额 定容量与额定电压的乘积，指一定标准所规定的放电条件下，电池所输出的能 量，实际能量就是电池实际容量与平均工作电压的乘积，表示在一定条件下电池 所能输出的能量。比能量( w h k g ) ( 注：国际计量单位为比能j k g ) 是指动力电池 组单位质量中所能输出的能量。我国国家标准g b t7 4 0 3 1 1 9 9 6 规定铅酸电池 的比能量为2 6 w - h k g 左右。而德国标准d i n 中规定的3 8 种铅酸电池的比能量 为2 9 3 w h k g 以上。 ( 3 ) 能量密度动力电池组的能量密度( w h l ) ，是指动力电池组单位体积中 所能输出的能量。铅酸电池的能量密度和镍镉蓄电池的能量密度一般为 8 0 w h l 。 ( 4 ) 功率在一定的放电制度下，电池的单位时间内所输出的能量。电池的功 率决定e v 的加速性能。 ( 5 ) 成本电池的成本是与电池的新技术含量、材料、制作方法和生产规模有 关，目前新开发的高比能量的电池成本较高，使得电动汽车的造价也较高，开 发和研制高效、低成本的电池是电动汽车发展的关键。 除了上述主要性能外，还有电压、电池容量、电池内阻、循环次数、使用 年限的性能，而且还要求电池无毒性、不对周围环境造成污染或腐蚀，使用安 全，良好的充电性能和充电操作方便，耐振动，无记忆性，对环境温度变化不 敏感，易于调整和维护等。 2 2 铅酸电池的基本工作原理 铅酸电池使用时，把化学能转换为电能的过程叫放电。在使用后，借助于 直流电在电池内进行化学反应，把电能转变为化学能而储蓄起来，这种蓄电过 程叫做充电。铅酸电池是酸性蓄电池，其化学反应式为： p b o + h 2 s 0 4 = p b s 0 4 + h2 0 充电时，把铅板分别和直流电源的正、负极相连，进行充电电解，两极反 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 应为： 阴极( 还原反应) ：p b s o 。+ 2 e 一= p b + s o ：一 阳极( 氧化反应) ：p b s 0 4 + 2 h ，o = p b o ，+ 4 h + + s o + 2 e 一 充电时的总反应为：2 p b s o 。+ 2 h ，0 = p b + p b o ，+ 2 h ，s o 。 这样，随着电流的通过，p b s o 。在阴极上变成蓬松的金属铅，在阳极上变 成黑褐色的二氧化铅，溶液中有h ，s o 。生成，见图2 一l 。 图2 - 1 铅酸电池放电示意图 f i g2 - is k e t c hm a po f d i s c h a r g eo fl e a d a c i db a t t e r y 放电时蓄电池的两极反应为： 负极( 氧化反应) ： p b ：p b 2 + 4 2 e 由于硫酸的存在，p b 2 + 立即生成难溶解的p b s o 。 正极( 还原反应) ： p b 0 2 + 4 h + + 2 e 一= p b “+ 2 h 2 0 同样，由于硫酸的存在，p b “也立即生成p b s o 。 放电时总的反应为： p b + p b o 2 + 2 h 2 s 0 4 = 2 p b s 0 4 + 2 h 2 0 蓄电池充电的时候，随着电池端电压的升高，水开始被电解，当电池电压 达到约2 3 9 v 单体时，水的电解不可忽视。水电解化学表达式为： 1 阳极：h ，o = 二o ，+ 2 h + + 2 e 一 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 阴极：2 h + + 2 e 一= h 2 阳极给出2 e ，阴极得到2 e ，从而形成了回路电流。端电压越高，电解水也 越激烈，此时充入的大部分电荷参加水电解，形成活性物质很少。 2 3 铅酸电池的基本电特性 蓄电池的性能指标影响了电动汽车的启动、加速、制动以及续驶里程等各 项电动汽车性能，也是蓄电池作为电动汽车储能动力源的主要决定因素。铅酸 蓄电池广泛应用于电动汽车，与其性能指标和基本电特性是分不开的。 2 3 1 铅酸蓄电池的电动势和开路电压 铅酸蓄电池的电动势与开路电压是与铅酸蓄电池的电解液h ：s o 。的浓度有 关，随着电解液h ：s o 。的浓度下降，铅酸蓄电池的电动势与开路电压也下降， 因此，可以用测定电解液浓度来了解铅酸蓄电池的电动势与开路电压。铅酸蓄 电池电解液h ：s o 。浓度与蓄电池开路电压的关系如图2 2 所示。 1 818 51 919 522 0 5 开路电压( v ) 图2 2 铅酸电池开路电压与电解液h 2 s 0 4 的浓度的关系曲线 f i g 2 - 2t h er e l a t i o nb e t w e e nv o l t a g e o f b a t t e r ya n dh 2 s 0 4 铅酸蓄电池是可逆电池，其电动势等于电池在进行可逆变化时两个平衡电 极之间的电压。在实际工作过程中，电动势疡随着s o c 的变化而变化，以铅酸 电池d n g l 2 1 5 0 为例，借用试验测试所得的铅酸电池电动势与荷电状态的变化 关系1 2 6 , 2 7 】： o 4 3 2 1 1 一肇。一巡御孑爿 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 。= 1 0 7 2 + 2 6 s ( ) co 8 s 0 c l e 。= 1 2 ，0 + s o c 0 4 s s o c 茎0 8 ( 2 1 ) e 。= 1 1 7 + 1 7 5 s o c 如c 0 4 由插值法可得到电动势随荷电状态的关系曲线如图2 3 所示。 s o c 图2 - 3 电动势局与s o c 的关系 f i g2 - 3t h e r e l a t j o nb e t w e e ne l e c t r o m o t i v ef o r c ea n ds o c 从图中可以看出，电动势岛与s o c 呈分段式关系。总的趋势是，s o c 越 高，电动势越大。蓄电池有三种电压：开路电压、工作电压、终止电压。开路 电压指蓄电池开路时正负极之间的电压，在实际情况中，蓄电池的两个电极并 非处于热力学可逆状态，所以开路电压不等于蓄电池的电动势，而是略小一些。 工作电压是指蓄电池接通负荷后在放电过程中所显示的端电压。而终止电压这 是蓄电池放电时电压下降到不再继续放电时的最低工作电压，是蓄电池应该停 止放电工作的界限，也就是电池的最低工作电压。 2 3 2 铅酸电池的电阻 铅酸电池的电阻分为内阻和极化电阻。电池的内阻指电流通过电池内部 时受到的阻力，使电池的电压降低的阻力。勘随s o c 的变化关系满足下式口1 1 ； r o = 0 0 1 9 6 0 0 2 4 8 s o c 4 - 0 0 1 5 4 s o c 2 ( 2 2 ) 这样，硒随荷电状态的变化关系曲线如图2 - 4 所示。 哈尔滨工业大学丁学硕士学位论文 图2 - 4 锻酸电池内阻r 。与s o c 的关系 f i g 2 - 4t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ei n t e r i o rr e s i s t a n c ea n ds o c 蓄电池在充放电过程中，随着电池端电压的升高，水开始被电解。当电池 电压达到2 3 9 v 单体时。水的电解不可忽视。在充放电过程中，蓄电池电路的 电压提供的电荷，一部分用来在极板形成活性物质，另一部分用来电解水，相 应地，会产生两种电流，一部分为有效电流，另一部分为电解水电流。这样在 蓄电池里面出现了极化内阻。充电时，极化电阻b 表示为只。，其与s o c 的变 化关系满足下式【2 i l ： r 。( s o c ) = o 0 2 3 5 + 0 0 0 4 6 s i n 1 2 5 n - ( s o c 一0 4 ) ( 2 3 ) 放电时，极化电阻r r 表示为r ，d ，其与s o c 的变化关系满足下式口i 】： r “= o 0 0 9 s o c o 0 0 4 2 0 8 茎s o c s l r “= 0 0 0 2 5 s o c + 0 0 0 1 0 4 s o c 0 8 ( 2 4 ) r “= - 0 0 0 4 5 s o c + o 0 0 3 8 s o c 0 4 由式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可以得到铅酸电池极化电阻随荷电状态变化的关系曲线如 图2 5 所示。 s o c 图2 - 5 铅酸电池极化电阻与s o c 的关系 f i g2 - 5t h e r e l a t i o nb e t w e e nt h ep o l a r i z e dr e s i s t a n c ea n ds o c 哈尔滨工业太学工学硕士学位论文 从图中可以看出，随着s o c 的变化，极化电阻呈现一致的趋势，s o c 越高， 极化电阻越大。 2 3 3 铅酸电池的充放电特性 2 3 _ 3 1 铅酸蓄电池恒流电流的放电特性在铅酸电池不放电的情况下，蓄电池中 的活性物质微孔中的电解液h 2 s 0 4 的浓度与极板外的电解液h 2 s 0 4 的浓度相同。 铅酸蓄电池开始放电，活性物质表面的电解液h 2 s 0 4 的浓度立即下降，而极板 外的电解液是缓慢地向活性物质表面扩散，不能立即补偿活性物质表面电解液 h 2 s 0 4 的浓度，随着放电过程的进行，活性物质表面的电解液h 2 s 0 4 的浓度继 续下降，结果导致蓄电池的端电压下降，如图2 - 6 中a b 段。 图2 - 6 铅酸电池的放电曲线 f i g2 - 6t h ed i s c h a r g i n g c u r eo f l e a d - a c i db a t t e r y 蓄电池继续放电，在活性物质表面的电解液h 2 s 0 4 的浓度下降的同时，极 板外的电解液向活性物质表面扩散，补充了活性物质表面的电解液h 2 s 0 4 的浓 度并保持了一定的浓度，活性物质表面的电解液h 2 s 0 4 的浓度变化缓慢，是蓄 电池的端电压也随即保持稳定。如图2 - 6 中b c 段。 蓄电池继续放电，极板外的电解液h 2 s o 。的整体浓度也逐渐降低，在活性 物质表恧的电解液h 2 s o 。的浓度也随之降 氐，又由于h 2 s 0 4 和活性物质被消耗， 其作用面积也不断地减小，结果是蓄电池的端电压放电电压也随着下降，如图 2 - 6 中c - d 段。 在放电末尾阶段正、负电极上的活性物质逐渐转变为p b s 0 4 ，p b s 0 4 的生成 使活性物质孔隙率降低，使活性物质与h 2 s 0 4 的接触更加困难，并且由于p b s 0 4 是不良导体蓄电池的内阻增加，当蓄电池的端电压达到d 点后，蓄电池的端电 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 压急剧下降，达到所规定的终止电压。 蓄电池的放电与放电电流有密切关系，大电流放电时，蓄电池的电压下降 明显，平缓部分缩短，曲线的斜率也很大，放电时间缩短；随着放电电流的减 小，蓄电池的电压呈下降趋缓，曲线也较平