（电机与电器专业论文）电动汽车回馈制动中蓄电池充电研究.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u so nt h er e s e a r c ho ft h ec h a r g i n gc h a r a c t e r i s t i c s o f 1 e a da c i db a t t e r yi nt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n go fe l e c t r i cv e h i c l e t h e v e h i c l ed r i v i n gm o d e la n dt h el e a da c i db a t t e r ym o d e la r ec o n s t r u c t e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s t r i b u t i o no ft h ee n e r g ya n dp o w e rt h a tt h e t y p i c a lv e h i c l e sp e r f o r mi nv a r i o u sd r i v i n gp r o c e s s e sh a v eb e e na n a l y z e d t h eb a t t e r yc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gt e s tb e n c hi sb u i i t t h ed e f i n i t i o n o ft h el a r g e s tp r i m a r yc h a r g e a b l ec u r r e n to ft h el e a da c i db a t t e r yi s p r o p o s e do nt h eb a s eo ft h ee x p e r i m e n td a t a b a s eo nt h ed e f i n i t i o n ，a p r a c t i c a lb a t t e r yc h a r g i n gs t r a t e g yu s i n gi nt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n g i sa c h i e v e d t h es i m u l a t i o no ft h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gi nt h es a l o o n c a r1 5d r i v i n gp r o c e s s e si sf i n i s h e db yt h er e g e n e r a t i v ec h a r g i n gm o d e l a tl a s t ，t h ef e a s i b i1it yo ft h er e s e a r c hm e t h o do ft h ec h a r g i n gs t r a t e g y b a s eo nt h el e a da c i db a t t e r yt oa p p l yi nt h er e s e a r c ho ft h el i t h i u m i o n b a t t e r yi sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) ，r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，l e a da c i d b a t t e r y ，l i t h i u m i o nb a t t e r y ，c h a r g i n g ，m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n 中国科掌院电工研究所硕士研究生毕业论文 第一章绪论 1 1 本课题的目的和意义 传统的燃油汽车在经过了一百多年的发展之后已经非常成熟了，使用方 便、价格低廉。但随着燃油汽车的发展，汽车尾气的污染问题越来越严重，特 别是尾气中的一氧化碳和铅对人类的健康危害极大。另一方面燃油汽车使用的 燃料来自于石油，而石油是有限的不可再生资源，作为全世界重要的化工资源 的石油被世界各国在汽车上大量地消耗，据近年的有关石油的国际会议估计， 全世界探明的石油储量在未来5 0 年内即可用完。 在这种背景下，由于电动汽车具有清洁无污染、能量效率高及能量来源多 样化、结构简单和维修方便等优点，成为汽车发展的新热点。但是续航里程短 和售价昂贵这两个问题严重地阻碍了电动汽车的商品化。而电池性能不足是造 成目前电动汽车难以普及的关键原因，从一开始电池技术就是电动汽车研究和 发展道路上的瓶颈。续航里程短、充电时间长、售价昂贵和整车太重等这些困 扰电动汽车发展的主要因素最终都可以归结到电池上。在电池技术暂时难以有 大的突破之前，如何使有限的电池能量得到最大限度的利用，以尽可能地提高 电动汽车行驶里程就成了一个非常值得研究的课题。 传统的燃油汽车在制动时是将汽车的惯性能量通过制动器的摩擦转化成 无法回收的热能散发到周围环境中消散掉了。对于电动汽车而言，由于电机具 有可逆性，即电动机在特定的条件下可以转变成发电机运行，因此可以在制动 时采用回馈制动的办法，使电机运行在发电机状态，通过设计好的电力装置将 制动产生的回馈电流充入储能装置中，这样就可以回收一部分可观的惯性能量， 提高电动汽车的行驶里程。回馈制动能够回收的惯性能量在不同类型的汽车和 不同的运行工况中差别很大，对于城市交通用的电动汽车来说，由于在城市交 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 通中有频繁的制动、起动，属于可回收惯性能量较多的工况。据国外的文献分 析表明，城市典型工况中，大型载客巴士制动时消耗的惯性能量可达发动机 发出的总能量的5 9 ，制动中各制动因素消耗的惯性能量组成的典型分布如图 1 1 所示： 图1 1 各制动因素消耗的惯性能量的组成 其中消耗在制动器上的惯性能量是可回收的，约占总惯性能量的9 1 ，即 理论上可回收的惯性能量约占发动机发出的总能量的5 4 ( 5 9 9 1 ) 。 在回馈制动过程中，要对电池的充电特性进行研究。建立起适当的模型来 预测出在电池各种状态下的最大可充电流。从而得到适当的充电策略，在保证 不损伤充电电池的前提下尽可能多地接受回馈充电电流。这就是本课题所主要 研究的内容。 1 2 动力电池概述 动力电池种类相当多，按能量循环方式来分主要有二次电池( 即充电电池) 和连续电池( 主要是燃料电池) 两大类。对于应用在电动汽车上的动力电池需 要考虑适合电动汽车的应用环境，不仅要考虑一般的电池性能( 如比能量、比 功率、使用循环寿命、充电时间等) 和价格，还需要考虑安全性、免维护性和 环境保护等因素。下面分别介绍几种常见的动力电池。 中国科掌院电工研究所硕士研究生毕业论文 铅酸电池 铅酸电池( l a ) ，因其可靠性高、原料易得、成本低、适用温度和电流范 围大，一直是在电动车辆上使用最广泛的动力电池。可分为两大类，即注水式 铅酸电池f l a b ( f l o o d e dl e a d a c i db a t t e r y ) 和阀控式铅酸电池v r l a b ( v a l v e r e g u l a t e d l e a d - a c i d b a t t e r y ) 。前者价廉，但需要经常维护，补充电解液( 加水或 加酸) ；后者通过安全控制阀自动调节密封电池体内充电或工作异常产生的多余 气体，免维护，更符合电动汽车的要求。 目前电动汽车使用的动力铅酸电池一般采用阀控式铅酸电池。因为这种电 池较之普通铅酸电池使用更为方便，在比能量、比功率等方面有一定提高。其 比功率基本能满足电动汽车加速和爬坡的要求，循环使用寿命一般4 0 0 次以上。 但比能量仍然较低，一般为3 5 w h k g 左右，致使电动汽车的一次充电继驶里程 很难超过1 6 0 k m 。另外铅酸电池在正常工作时其开路电压电池荷电状态 ( v o c s o c ) 特性较平缓，斜率很小，这对逆变器及控制系统有利，但对电池 模型参数辨识和电池能量管理系统的设计造成困难，很难根据v o c 来较精确地 给出电池剩余电量的预计。 我国金风帆电池有限公司开发的6 一d m 一5 5 型电动汽车用铅酸动力电 池，比能量达到3 3 w h k g ( c 3 ) ，循环寿命大于4 0 0 次，基本能够满足电动汽 车的使用要求。 镍金属电池 目前在电动汽车上已经使用的镍金属电池有c d - n i 和m h - n i 电池，它们属 碱性电池。c d n i 电池和铅酸电池相比，各项性能指标都高得多，能够达到比 能量5 5 w h k g 和i o o w t g l 、比功率2 0 0 w k g ( 8 0 d o d ) 、循环寿命2 0 0 0 次 ( 8 0 d o d ) ，但由于镉对环境有污染，很多国家限制发展和使用c d n i 电池。 m h - n i 电池是一种绿色镍金属电池，正极为镍氢氧化物，负极为贮氢合金 材料。m h - n i 电池比c d - n i 电池具有更高的能量存储能力，高能量m h - n i 电 中囝科掌院电工研究所硕士研究生毕业论文 池的比能量可达到9 5 w h k g ，高功率m h - n i 电池的比功率能达到9 0 0 w k g ： 而且循环寿命长，超过1 0 0 0 次( 8 0 d o d ) ，工作环境温度宽，为一3 0 + 5 0 。c ， 高低温工作容量损失小。但有记忆效应和充电发热等方面的问题。 总的来讲，镍金属电池比功率、比能量均比铅酸电池高得多，且快速充电， 过充放电、深度放电性能都较好，循环寿命也较长。但镍金属电池单电池额定 电压较低，仅为1 2 v 左右( l a 为2 v ) ，这就导致构成相同额定电压的镍金属 电池单元数目比l a 要多2 3 ，增加了电池系统的复杂性。另外镍金属电池的记 忆效应也是电池管理系统需要考虑的问题。 锂离子蓄电池 锂离子蓄电池是9 0 年代发展起来的高容量可充电电池，能够比m h n i 电 池存储更多的能量，比能量大，循环寿命长，自放电率小，无记忆效应、无环 境污染。锂离子蓄电池电极为锂金属氧化物( 如锂钴、锂锰或锂镍氧化物) 和 贮锂碳材料( 如石墨、软碳和硬碳) ，这种碳材料能够使锂离子在上面嵌入及脱 落，使锂离子在正负极之间漂移以传递电能。图1 2 为锂离子电池的工作原理 图【2 】o 锂离子蓄电池的工作过程，仅仅是锂离子从一个电极( 脱嵌) 进入另一个 电极( 嵌入) 的过程，具体来说，当电池充电时，锂离子是从正极中脱嵌，在 碳负极中嵌入，放电时则反之。锂离子在其中的电化学脱嵌和嵌入反应如下式 所示： 充电：三f o9 5 c 0 0 2 ；l i 0 4 5 c od 2 + 0 5 l i + + o 5 e ( 1 1 ) 放电：三f o9 5 c 0 0 2 仁l i o4 5 0 2 + 0 5 l i + + 0 5 e ( 1 2 ) 用锂离子在碳中的嵌入和脱嵌反应取代纯锂电极上的沉淀和溶解反应后， 就可以避免电极表面上形成锂枝晶的问题，从而使锂离子电池的循环寿命更长 也更安全。 中国科掌院电工研究所硕士研究生毕业论文 i t t - i i 气1 1 1 i l l o il l 一_ 一曼负辍 金囊攥u 鬟 图1 2 锂离子蓄电池工作原理图 锂离子电池的有机电解质为液态或固态。根据电解质的不同，分为锂离子 电池l i b ( l i t h i u m i o nb a t t e r y ) 和锂聚合物电池p l b ( p o l y m e rl i t h i u m i o nb a t t e r y ) l i b 是一种高能量高功率电池，是美国先进电池联合会( u s a b c ) 实现2 0 0 0 年中期目标的电动汽车用动力电池之一。高能量l i b 的比能量远超过 1 0 0 w h k g ，高功率l i b 的比功率超过1 0 0 0 w k g ，循环寿命超过1 0 0 0 次。这 种电池已成功使用在电动汽车上。p l b 是具有比l i b 更高能量的电池，是 u s a b c 实现2 0 1 0 年远期目标的电动汽车用动力电池。p l b 比能量超过 2 0 0 w h k g ，比功率超过4 0 0 w k g ，循环寿命超过5 0 0 次，可以使电动汽车继 驶里程超过4 8 0 k m 。但高能量大功率的p l b 电池需要较高的工作温度( 6 0 0 c ) ， 因此需要加热循环系统口l 。锂离子电池充电时吸热，具有极高的充电效率( 大 于9 9 ) ，这使其总能量利用效率非常高。工作电压较高( 平均3 5 v c e l l ) ，因 而构成电池总体所需的电池单元数较少；且开路电压剩余电量( v o c s o c ) 中国科掌院电工研究所硕士研究生毕业论文 特性比较好，从4 v ( 1 0 0 充电) 至3 2 v ( 1 0 0 放电) ，v o c 变化较小，这使 得单元并联时各单元内阻差异对并联容量的影响不太显著。放电过程中电压下 降对应于s o c 的线性度较好，便于电池剩余电量的预计。 我国的锂离子蓄电池的研究也已有了相当的进展，达到了一定水平，表1 1 为我国天津电源研究所研制的方形锂离子电池的技术指标 技术指标项目3 5 a h 电池1 0 0 a h 电池 质量k g 1 1 63 7 体积l o 5 21 5 平均电压v 3 63 6 额定容量a h 3 51 0 0 质量比能量w h k g , 1 1 0 1 1 0 体积比能量w h l 2 4 02 4 0 比功率w h k g 2 0 02 2 0 充放电寿命( c 3 ，6 0 2 0 02 0 0 d o d ) 循环次数 月自放电率 1 0l o 表1 1 中国天津电源研究所方形锂离子电池的技术指标 燃料电池 采用充电电池作动力源的电动车存在的一个普遍问题，就是受电池蓄电量 所限，车辆一次充电续驶里程较短，且满充电时间较长，这使电动车很难适用 于连续运行的工况。而用连续电池作动力源，就可以较好地解决这一问题。 燃料电池( f u e lc e l l ) 就是一种很好的连续电池，它也是近年来电动汽车 的新兴动力源之一。燃料电池的基本化学原理是水电解反应的逆过程，即氢氧 反应产生电、水和热。燃料电池只有输出功率由本身决定，储存的能量则由储 罐内的燃料氢和氧的量决定。燃料电池不需要再充电，只要提供燃料氢和氧。 中国科掌院电工研究所硕士研究生毕业论文 由于燃料电池直接将化学能转化为电能，不通过热机过程，不受卡诺循环的限 制，具有能量转化效率高( 4 0 5 0 ) ，环境友好( 即几乎无n 0 x 和s o x 的排放) 等热机不可比拟的优点，被认为是下世纪首选的洁净、高效发电技术之一。 目前用于电动车的主要是质子交换膜燃料电池p e m f c ( p r o t o ne x c h a n g e m e m b r a n ef u e lc e l l ) 。p e m f c 的工作原理如下图所示 图1 3p e m f c 工作原理图 电池本体由离子交换膜、附有催化剂的多孔扩散电极以及气体通道组成。 氢气进入阳极，空气( 氧气) 进入阴极。 在阳极催化剂的作用下，氢气分子失去电子，成为氢离子；同时在阴极催 化剂作用下，氧气分子得到电子，并从离子交换膜中得到质子而生成水分子。 电极反应如下： 阳极( 一) ：h 2 = 2 h + + 2 e ( 1 3 ) 阴极( + ) ：( 1 2 ) 0 2 + 2 h + + 2 e = h 2 0 ( 1 4 ) 这样在p e m f c 的阴极和阳极之间就产生了电动势，对外电路表现为阴极 为正极性，阳极为负极性。 中国科掌院电工研究所硕士研蓦：生毕业论文 p e m f c 工作温度较低，燃料可多样化，除燃氢外还可使用甲醇、乙醇、 天然气甚至汽油等，并可利用现有的燃料分配网络；与内燃机相比，p e m f c 可动部件少，噪音低，可靠性高，虽然也有少量废气排放，但大大低于相应规 格的内燃机。但燃料电池缺点是无法充电，因而无法实现车辆回馈制动，必须 与其它电池配合使用才能实现能量回馈。燃料电池所用燃料在车辆上的存储方 式及安全问题也需考虑。另外，燃料电池在大功率需求时的动态响应速度等性 能还需在实验中研究改进。 国内燃料电池方面大连化学物理所研制的产品比较成熟，该所研制的5 k w p e m f c 模块由7 4 对电池单体串联而成，采用压缩氢气和压缩氧气分别作为燃 料和氧化剂，氢气和氧气入口压力都约为0 2 m p a ，但氢气侧压力稍高，且一直 保持这种状态，以使p e m ( 质子交换膜) 总是被压在氧电极侧，避免机械强度 较差的p e m 的两侧交替受力而加速其损坏。空载总电压为7 3 v 左右( 常温) ， 由于起动时阳极、阴极气体浓度差异及催化剂活性不一致，最高空载电压可达 8 0 v 以上。该电池的输出电压一电流一温度特性如图1 4 所示1 4 1 。 图1 4p e m f c 电池输出电压一电流一温度曲线 中冒科掌院电工研囊；所硕士研究生毕业论文 飞轮电池 飞轮电池是一种以动能方式存储能量的机械电池，包括电机发电机、功率 转换、电子控制、飞轮、磁浮轴承和真空壳体，具有高功率能量比、高效率、 长寿命和环境适应性好的优点。运用高强度碳纤维复合材料、磁悬浮和真空技 术的现