（交通信息工程及控制专业论文）超级电容辅助动力电动车电源建模与仿真研究.pdf

摘要 电动汽车利用车载电能驱动车辆，使人们逐渐摆脱了对石化能源的依赖，但 由于受蓄电池性能的制约，其行驶里程有限；且在城市工况下，由于地形结构、 交通拥堵等因素，车辆加减速频繁，其寿命严重缩短。在现状城市道路工况下， 蓄电池必须在比能量和比功率、以及比功率和循环寿命之间做出权衡；超级电容 作为辅助能源，寿命长、效率高、充电迅速、功率密度高，同时也能够回收制动 能量。超级电容辅助动力电动车通过高能量密度和高功率密度的电源相互补充， 协调控制，降低了对单个电源的要求，延长了行驶里程，将有利于电动汽车的商 业化推广和应用。 首先对电动汽车动力蓄电池和超级电容分别进行了分析建模。在概况电动汽 车对动力蓄电池要求的基础上，着重研究了其充放电、容量、温度等工作特性， 并对传统的蓄电池模型进行了改进，建立了三阶蓄电池模型，进行了初步的仿真 验证，取得了较好的效果；在总结超级电容在电动汽车中应用的基础上，着重分 析了其工作机理、特性，采用相关试验和数学分析相结合的方法建立了其模型； 对蓄电池超级电容复合电源的特性、结构进行了研究，将两者通过功率总线、功 率变换器等有机地结合在一起，建立了蓄电池超级电容的复合电源模型。 其次，针对当前城市工况下电动汽车行驶的特点，提出了复合电源控制的目 标，并分别对电动汽车起动加速爬坡、匀速行驶和下坡制动减速三个典型工况下 的功率分配进行了分析研究。 最后，在分析了电动汽车仿真软件a d v i s o r 各部分子系统和部件建模的基 础上，对其中的f o c u s 纯电动汽车的电源模型和控制策略部分进行修改，建立了超 级电容辅助动力电动汽车整车模型，进行了仿真验证，并与原车的仿真性能进行 了对比。结果表明，其在加速性能、再生制动能量利用效率、能耗等方面有显著 改善。 关键词：电动汽车，蓄电池，超级电容，复合电源，控制策略 a b s t r a c t e l e c t r i ce n e r g yi su s e dt od r i v et h ev e h i c l ei ne v ( e l e c t r i cv e h i c l e ) ，w h i c hm a k e s u sd i s p o s eo fd e p e n d e n c yo fp e t r i f i e de n e r g y h o w e v e r , t h et r a v e lm i l e a g ei sl a r g e l y l i m i t e db e c a u s eo ft h ep e r f o r m a n c eo fb a t t e r y ；f u r t h e r m o r e ，t h el o n g e v i t yo fb a t t e r yi s a l s os h o r t e n e ds h a r p l yb e c a u s eo ff r e q u e n ta c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n ，w h i c ha r e c o m m o ni nt h eu r b a no p e r a t i n gc o n d i t i o n ，i n f l u e n c e db yt e r r a i ns t r u c t u r e ，t r a f f i c c o n g e s t i o n ，e t c n o w a d a y s ，b a l a n c em u s tb et a k e nb e t w e e ne n e r g yr a t i oa n dp o w e rr a t i o ， p o w e rr a t i oa n dc y c l el o n g e v i t yo ft h eb a t t e r y , w h i l eu l t r a c a p a c i t o r , a l la s s i s t a n te n e r g y s o u r c e ，m a r k sw i t hl o n gl o n g e v i t y , h i g he f f i c i e n c y , r a p i dc h a r g e ，h i g l lp o w e rd e n s i t y , a n dt h ec a p a b i l i t yt or e s t o r et h eb r a k i n ge n e r g y t h eh i g l le n e r g yr a t i os o u r c ea n dh i g h p o w e rr a t i os o u r c ec o m p l e m e n te a c ho t h e ra n da r ec o n t r o l l e dc o o r d i n a t e l yi ne vw i t l l a nu l t r a c a p a c i t o r - b a s e da u x i l i a r ye n e r g ys y s t e m ，w h i c hl e s s e n st h en e e do fs i n g l es o u r c e ， l e n g t h e n st h et r a v e lm i l e a g e ，a l lw h i c hb e n e f i tt h ec o m m e r c i a lg e n e r a l i z a t i o na n d a p p l i c a t i o no fe v f i r s t ，b a t t e r ya n du l t r a c a p a c i t o ri ne va r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y 1 b a s e do nt h e s u m m a r yo fr e q u e s to fe vt ob a t t e r y , t h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c ，s u c ha sc h a r g ea n d d i s c h a r g e ，v o l u m e ，t e m p e r a t u r e ，w e r es t u d i e d ，a n dt h et h r e eo r d e rb a t t e r ym o d e lw a s e s t a b l i s h e da f t e rt h em o d i f i c a t i o no ft r a d i t i o n b a t t e r ym o d e l s ，i na d d i t i o n , t h e f u n d a m e n t a ls i m u l a t i o nw a sv e r i f i e d ，a n dt h ep r e f e r a b l er e s u l t sw a so b t a i n e d 2 a f t e r g e n e r a l i z i n gt h ea p p l i c a t i o n so fu l t r a c a p a c i t o ri ne v , t h em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c w e r ea n a l y z e d ，a n dt h em o d e lw a se s t a b l i s h e dw i t hs o m er e l a t i v ee x p e r i m e n t sa n d m a t h e m a t i ca n a l y s i s 3 t h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co fh y b r i dp o w e rs o u r c ew e r e s t u d i e d ，a n dt h e yw e r ec o m b i n e dt o g e t h e rw i t hp o w e rb u sa n dc o n v e r t e r , f i n a l l y , h y b r i d p o w e rs o u r c es y s t e mm o d e lw a se s t a b l i s h e d s e c o n d l y , c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r so fe vi nu r b a no p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h e t a r g e to fh y b r i dp o w e rs o u r c ew a sp u tf o r w a r d f u r t h e r m o r e ，t h ep o w e rd i s t r i b u t i o no f t h r e et y p i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n si sa n a l y z e dr e s p e c t i v e l y f i n a l l y , b a s e do na n a l y z i n gt h em o d e l i n go fs u b s y s t e m sa n dc o m p o n e n t si nt h ee v s i m u l a t i o ns o f t w a r ea d v i s o r , am o d e lo fe vw i t ha l lu l t r a c a p a c i t o r - b a s e da u x i l i a r y e n e r g ys y s t e mw a se s t a b l i s h e da f t e rm o d i f y i n gt h ep o w e rs o u r c em o d e la n dt h ec o n t r o l s t r a t e g yp a r to ft h ep u r ee vm o d e lf o c u si na d v i s o r m o r e o v e r , s i m u l a t i o nw a sa l s o v a l i d a t e d ，a n dc o m p a r i s o nb e t w e e nt h e mw a sa l s od o n e a c c o r d i n gt or e s u l t ，t h e r ea r e c o n s p i c u o u si m p r o v e m e n t si na c c e l e r a t i o np e r f o r m a n c e ，t h ee f f i c i e n c yo fb r a k ee n e r g y i i u t i l i z a t i o n ，e n e r g yc o n s u m p t i o n , e t e k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，b a t t e r y , u l t r a c a p a c i t o r , h y b r i dp o w e rs o u r c e ， c o n t r o ls t r a t e g y i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 扣盘砷盯月j 7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 纠年丁月7 日 问年j 月谣日 、 ， ， ，3连盘之 渺卜 长安大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电动汽车概述 汽车的出现推动了世界文明的进程，人类面临全球性环境污染和生态破坏的 今天，也面临着汽车给人类带来的一系列的环境恶化问题。据相关数据预计，石 油资源将在4 0 - - 5 0 年后枯竭，人类将面临着严重的能源缺乏。因此，我们必须从 环境和能源两个角度来看待汽车的可持续发展( s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ) 战略，力求 做到生态可持续性、经济可持续性、社会可持续性【1 1 。 在这种背景下，节能环保的电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，e v ) 走上了历史舞台。 电动汽车从能源角度看主要有3 种类型2 ，3 】： 纯电动汽车。单独依靠蓄电池提供动力源，属于零排放汽车。 燃料电池电动汽车。完全脱离了传统发动机和石化能源，依靠燃料电池组提 供动力源，属于零排放汽车，并且在反应过程中不涉及燃烧和热机做功，不受“卡 诺循环”限制，能量转换效率高，专家预测它将在3 0 5 0 年后在汽车领域占统治 地位。然而燃料电池目前状况下技术还不是很成熟，成本高，冷启动响应慢，无 法捕获或回收制动等其他形式的能量，特别是水臌管理的复杂制约了其性能【4 ，5 1 。 混合动力电动汽车。国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的定义为： 由两种或者两种以上的储能器、转化器作为驱动能源，其中至少有一种能够提供 电能，典型的有汽油机和蓄电池混合，柴油机和蓄电池混合等。为避免概念混淆， 专家们建议采用内燃机和蓄电池混合的动力来代表混合动力电动汽车，而把燃料 电池和蓄电池的混合动力称为燃料电池汽车，而把蓄电池和超级电容的混合动力 称为超大容量电容器辅助动力电动车，简称超级电容辅助动力电动车【3 1 。混合动力 电动车通过高能量密度和高功率密度能量源相互补充协调，降低了单个电源的要 求，延长了行驶里程，提高了燃料经济性，减少了环境污染。该车在发达国家已 经日臻成熟，它的耗油量较传统汽车低3 0 ，排放减少5 0 7 0 。 从世界范围内电动汽车的发展过程来看，电动汽车的研究是从单独依靠蓄电 池供电的纯电动汽车开始的，但由于它是单独依靠蓄电池供电的，而目前动力蓄 电池在性能和价格上还没有取得重大突破，因此，纯电动汽车的发展没有达到预 期的目的。燃料电池技术被认为是2 l 世纪首选的洁净、高效的发电技术，其具有 能量转化效率高、不污染环境、使用寿命长等不可比拟的优势。但是由于目前燃 第1 章绪论 料电池研究还没有取得重大突破，燃料电池电动汽车的发展也受到了限制。在此 情况下，混合动力汽车成为电动汽车开发过程中最有可能市场化的一种过度车型， 它将现有的几种能源转化器( 如发动机) 、储能器( 如蓄电池、超级电容) 通过先 进控制系统相组合，大幅度降低了油耗，减少了污染物排放。国外普遍认为它是 现阶段投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高 的主流清洁车型。 电动汽车代表着汽车工业未来的发展方向，但即使全球各地都有电动汽车陆 续上路，如何克服驱动系统和电池容量、效率以及充电方式便捷性等问题，仍然 是的电动汽车商业化的关键。从技术角度电动汽车主要存在以下几个问题： 1 续驶里程有限。目前商用电动汽车一次充电后的典型行驶里程一般为1 0 0 到2 4 0 k m ，而这个数字通常还是建立在保持适当的行驶速度及具有较好的电池管 理系统基础之上的，这在现有条件是是很难实现的。因此比起传统内燃机汽车而 言，电动汽车的较短续驶里程是其“致命 弱点。 2 蓄电池寿命太短，加速动力差。由于蓄电池本身不能提供很高的功率密度， 导致其在尖峰工况下( 如启动，爬坡等) 过放电，而现有城市交通环境下，由于 交通拥挤等因素的影响，汽车加减速频繁，导致蓄电池放电电流剧烈波动，严重 影响蓄电池的寿命。 3 电动汽车价格昂贵。主要是电池技术复杂，成本太高，另外由于蓄电池质 量相对较重，需要采用一系列新材料、新技术减轻车身质量，致使电动汽车的造 价居高不下。 4 电池尺寸过大，减少了车辆中乘客以及货物的空间。 5 间接污染严重。电动汽车本身虽无排放污染，但其间接污染不容忽视。如 铅酸电池中的铅，从开采、冶炼到生产的排污，都会对环境造成污染；再如电能， 相当大一部分来自于火力发电，煤炭燃料也会造成大气污染。 6 充电时间过长。传统的内燃机汽车，其燃料的补充仅需要几分钟；纯电动 汽车蓄电池的充电过程通常情况下则需要7 - - 8 小时。 此外，现有电动汽车电源部分还存在着比功率较低、更换电池的费用较高以 及电池低温工作性能差等缺点。 如果要真正解决汽车废气污染问题，充分发挥电动汽车废气、噪声、振动污 染少等有点，少量电动汽车的投入使用是无济于事的，要实现电动汽车的产业化 2 长安大学硕士学位论文 我们就应该对症下药，着力于电动汽车关键技术的研究和开发。从宏观上看，电 动汽车的关键技术主要有【6 l = 1 电动机及其控制技术 电动机是车辆的心脏、动力源，它的功率、扭矩、转速、效率、体积、重量 等都是人们十分关注的性能指标。大功率、大扭矩、高效率、高功率密度是人们 追求的目标，而与之相配套的控制器也是当前技术的难点。 2 电池技术 电池是e v 动力的源泉，高比功率、高比能量、安全、可靠、长寿命是对电池 的基本要求。但是，目前国际上还没有一种实用电池可以满足上述要求，也正是 因为这一点，使得电池成为制约e v 发展的瓶颈。 3 能源管理技术 由于电池容量有限，所以e v 中对能源的利用和管理非常重要，要求浪费尽可 能小，利用率尽可能高。为此，不但需要将因刹车、下坡消耗的能量回收起来， 还要对所有车用电器进行科学有效的管理。同时，要准确计算出电池的剩余能量 以及车辆的续驶里程，及时发现电池及用电器的故障，这些都是能源管理系统的 主要功能。 4 车身轻量化技术 研究表明，汽车的能量消耗与汽车自身总质量成正比。因此，要想减少不必 要的能量消耗，应在保证安全的前提下尽量减轻汽车自身质量。目前，车载电池 的单位质量存储的能量太少，无法保证其较长距离的行驶。而且，对于电动轿车 而言，由于其布置空间较小，对乘员的舒适性要求高，所以减轻自身质量对这一 类汽车就显得更为重要。 对于电动汽车( e 来说，电池、电机和车身结构件所占整车质量的比例较高， 因此，从电池、电机和车身结构入手减轻质量，则对整车的影响是十分明显的7 1 。 1 2 电动汽车车载能量源概述 电源为电动汽车的驱动电动机以及车辆辅助系统提供电能。到目前为止，电 动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄 电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，将逐渐被其他能量源所取代。 正在发展的电源主要有是以下几种类型：可充电的电化学蓄电池( 简称蓄电池) 、 燃料电池、超级电容和超高速飞轮。其中，蓄电池、超级电容和飞轮为能量存储 3 第1 章绪论 系统，通过外界的充电过程实现储能，而燃料电池为能量生成装置，电能通过化 学反应产生。这些新型电源的应用，为动力蓄电池电动汽车的发展开辟了广阔的 前景。 1 2 1 蓄电池 蓄电池是目前以及近期电动汽车能量源的主要选择。动力蓄电池作为电动汽 车的电源与一般内燃机汽车启动蓄电池不同。因为电动汽车既要在启动、爬坡、 加速时进行大功率输出，还要在汽车中低速行驶时长时间的低功率输出，即要维 持较长的续驶里程。所以电动汽车的动力蓄电池应具有比能量高、比功率大、使 用寿命长、成本低、环境适应性和安全性好等性能【8 1 。 由美国能源部、电能研究所、福特、通用、克莱斯勒公司以及电池生产商联 合成立的美国先进电池联合会( u s a n c ) 致力于先进电池技术的研究，制定了电动 汽车动力蓄电池的中期、长期性能指标，具体如表1 1 所示，这些性能指标比较苛 刻，目前任何蓄电池都难以达到，因为u s a b c 制定这些目标时主要考虑使电动汽 车性能指标尽可能地接近燃油汽车。 表1 1u s 4 d l c 蓄电池性能目标 性能指标中期 比能量( c 3 放电率) ( w h k g 。1 ) 8 0 ( 期望达到1 0 0 ) 能量密度( c 3 放电率) ( w h l - 1 ) 1 3 5 比功率( 8 0 d o d 3 0 s ) ( w k 9 1 )1 5 0 ( 期望达到2 0 0 ) 功率密度( w l 。1 ) 2 5 0 使用寿命( 年) 5 循环寿命( 8 0 9 6d o d ) 次 6 0 0 价格( u s $ k l r h 1 ) 1 5 0 工作温度 一3 0 一6 5 充电时间h 图2 1 铅酸蓄电池充电特性曲线 充电初期，蓄电池端电压升高很快( 曲线o a 段) 。因为极板上的活性物质还 原成了p b 0 2 和p b 时，在活性物质微孔中形成的硫酸量剧增，来不及向外扩散， 因此电池电动势增大，同时电池的内电压剧增，所以端电压升高很快。 1 8 长安大学硕士学位论文 充电中期，活性物质微孔中的硫酸增加速度和向外扩散速度渐渐趋于平衡， 故蓄电池端电压增高减慢( 曲线a b 段) 。 充电后期，极板上的大部分p b s 0 4 已经还原成p b 0 2 和海绵状p b ，所以端电压 比较缓慢地上升。如果继续充电，则电流使水大量分解，在两个极板上开始析出 气体。正极板上的氧气使正极板上形成氧化电极，提高正极电位，同时由于气体 为不良导体，从而使蓄电池的内阻继续增大，因而端电压又继续上升( 曲线b c 段) 。 当充电达到曲线c d 段时，如果继续充电，因极板上活性物质p b s 0 4 已全部 还原，所以电解液剧烈沸腾，而端电压稳定在2 7 v 左右。继续充电，端电压也不 会再升高，只是白白消耗电能电解水，若在d 点停止充电，由于气体扩散蓄电池 内阻减少，端电压迅速降低( 曲线d e 段) 。随后由于活性物质微孔中的硫酸逐步 扩散，使活性物质微孔中电解液比重渐渐降低，一直到极板内外电解液趋于相同， 端电压慢慢下降至2 v 左右( 曲线e f 段) 。 应当指出蓄电池的充电还受到充电电流的影响，充电电流越大，活性物质硫 酸铅的反应越快，反应生成的硫酸速度越快，浓度增加越快，蓄电池端电压也上 升越快。但在充电末期，由于活性物质反应接近完成，大电流绝大部分用来电解 水，如果析出气体过多，会强烈冲刷反应生成的活性物质( p b 和p b 0 2 ) ，使之脱 落，从而降低蓄电池容量，严重影响蓄电池性能，所以充电末期，应采用较小的 电流充电。 蓄电池充电完毕并稳定后，如果以恒定的电流连续放电，其端电压变化如图 2 2 所示。 图2 2 铅酸蓄电池放电特性曲线 1 9 第2 章蓄电池特性研究及建模仿真 假设蓄电池在充电后，经过2 小时以上稳定。此时两极活性物质微孔中的电 解液浓度与极板外部的主体电解液的浓度已趋于平衡，电池的端电压即开路电压 等于电池的电动势。 放电开始后，由于活性物质微孔中参与反应的少量硫酸很快被消耗完并生成 水，而较远离极板的电解液的扩展速度缓慢，不能及时补充活性物质中微孔内所 消耗掉的硫酸，使微孔中电解液的浓度迅速下降，致使其端电压迅速降低，如图 中曲线的o a 段所示。 随着放电的继续进行，进入放电中期，电解液中的硫酸由浓度高的地方向浓 度低的地方扩散，使活性物质表面的硫酸浓度增大，活性物质表面和微孔内因放 电而消耗掉的硫酸与扩散得到的硫酸趋于平衡，从而使活性物质表面和微孔内电 解液浓度接近稳定，因而蓄电池的端电压也比较稳定。当然，由于放电过程中硫 酸不断被消耗，整个电池内电解质中的硫酸含量减少，浓度降低，活性物质表面 和微孔内的电解液浓度也缓慢下降，从而电池的端电压呈缓慢降低的趋势。如曲 线a b 段。 在放电末期，电池极板上的活性物质大部分已变为p b s 0 4 ，由于p b s 0 4 的体 积较大，在极板表面和微孔中形成的p b s 0 4 使极板外电解液深入困难，因此在微 孔中已稀释的电解液很难和容器中的电解液相互混合。同时硫酸铅的导电性能较 差，致使内阻加大，所以蓄电池的电压很降落很快，如曲线b c 段。 放电至c 点时，电压已降至1 8 v 左右，此时应该结束放电。如果继续放电， 此时极板外的电解液几乎停止深入极板活性物质微孔内部，微孔中的电解液也几 乎都变成了水，蓄电池的端电压急剧下降，如图中虚线部分段c d 所示。这时处于 过放电状态，虽然能放出部分能量，但是经常过放电可能引起极板的硫化，这将 会降低蓄电池的充电、放电反应速度，加速蓄电池的老化，降低其使用容量，因 此定义此电压为放电终止电压。 如果此时停止放电，则铅酸蓄电池的电压立即回升。随着活性物质微孔内浓 度很低的电解液和相对浓度较高的主体电解液相互扩散，最后端电压将稳定在2 v 左右，如图中曲线的虚线部分段c e 所示。 同充电过程一样，蓄电池的放电电压也与放电电流密切相关，大电流放电时 蓄电池端电压下降明显，平缓部分缩短，曲线的斜率也很大，放电时间很短。随 着放电电流的减小，蓄电池的电压呈下降趋势，曲线也比较平缓，放电时间延长。 2 0 长安大学硕士学位论文 这种放电特性对蓄电池的正确使用有重要意义。 2 6 蓄电池的容量特性 蓄电池的容量特性是指蓄电池的容量与充放电电流之间的关系。蓄电池容量 的影响因素很多【3 1 1 ，但最主要的影响因素是充放电电流的大小。故需要通过试验 来确定蓄电池的实际容量与电流的关系( 即容量特性) 。 我们通过几组恒流放电试验，检测所用的蓄电池组( 1 2 v 铅酸电池组) 恒流 放电过程所能放出的电量。由于受条件限制，当大电流放电时电流还不是恒电流， 所以取电流的平均值来估计其恒电流值，通过处理得到如表2 1 的试验结果。 表2 1 蓄电池容量数据 根据著名的p e u k e r t 经验公式，蓄电池的容量c k 与蓄电池电流i k 关系式为 c k = 口露( 2 1 0 ) 式中，a 、6 一电池常系数。 由式( 2 1 0 ) 可得： 塘g = l g a + b l g i k ( 2 1 1 ) 根据试验数据，利用最d - - 乘法拟合得到系数a ，b ，如表2 2 ，拟合曲线如图 2 3 所示。 表2 2 蓄电池容量特性参数 系数 实际标定值 a1 3 1 3 1 0 7 b- 0 2 9 3 4 2 1 第2 章蓄电池特性研究及建模仿真 图2 3 电池容量特性曲线 2 7 蓄电池的温度特性 图2 4 为温度与单格蓄电池的充、放电特性曲线关系。电解液温度越低，放电 时平均电压越低，充电电压越高；反之，电解液温度越高，放电平均电压越高， 充电电压越低。蓄电池在低温放电时电压低，是由于硫酸的粘度增加，流动性差， 扩散缓慢，两极极化增加，蓄电池内阻增加，在个别情况下可能是负极钝化所引 起。总之，在低温条件下，负极性能可能成为限制容量和蓄电池电压下降的主要 原因。低温充电时，充电电压急剧上升，活性物质难于转化。 蔫电池 麓电跟( v ) 3 n vv 2 8 2 6v 2 。4- 2 2_ 2 oj v 1 8 24 。68 l o 充放电时阀( h ) l 一3 0 l2 一2 5 83 一1 5 84 一- 5 8 5 - - 5 ；6 1 5 ；7 2 5 ；8 3 3 图2 4 温度与充放电曲线关系 长安大学硕士学位论文 2 8 传统的蓄电池模型 2 8 1 理想的蓄电池模型 理想蓄电池等效模型如图2 5 所示，其中为理想电压源，尺细为蓄电池内阻， 为负载电压，为电流，电流箭头所示方向为正，反向为负。图中所有参数均为 时不变参数。它是当前电动汽车中仿真软件普遍采用的电池模型。 在理想蓄电池等效模型中 = v o 一( 2 1 2 ) 图2 5 理想蓄电池等效模型 模型参数中，开路电压由对蓄电池的开路实验测得，蓄电池内阻由蓄电池充 满电时开路试验和负载试验的结果决定。 这个模型中的参数都是恒定的，而实际情况显然并非如此。因此，该模型只 适用于一些假设蓄电池容量是无穷大或者负载上消耗的能量相对来说很小的情 况，这样的假设对于常用的大功率场合显然是不相符的，只能用于某些电路的仿 真，真正并不适用于e v 和h e v 。但这种简单的蓄电池模型反映了蓄电池中基本 的电量关系，以后的蓄电池模型都是由这个简单的模型演变而来。 2 8 2t h e v e n i n 模型及其修正模型 考虑到充放电情况下蓄电池的内阻是不同的，产生了如图2 6 所示的t h e v e n i n 模型。这种模型中有两个内阻皿和如，分别代表充电和放电过程中电池的内阻。 亿和砌模拟了所有形式的能量损失，包括电损失的能量和非电损失的能量。图2 6 中的理想二极管表示在充电和放电过程中疋和如只有一个电阻被使用。这些二极 管只是为了建模的目的而存在，在蓄电池中没有实际的物理意义。虽然这种模型 比理想模型要好些，但这种模型没有考虑到电容的影响，比如蓄电池中产生的瞬 态电流现象。所以在本质上是非动态的，也不适合于e v 和h e v 的应用。 第2 章蓄电池特性研究及建模仿真 图2 6t h e v e n i n 蓄电池模型 为了模拟电池中电解质的扩散现象和由此产生的瞬态电流现象，对t h e v e n i n 模型进行了修改【3 2 1 ，如图2 7 所示： 图2 7 修正的t h e v e n i n 等效电路电池模型 其充电放电电路模型的动态方程式如下： 2 一毒+ 毒一厶吾，当s v o ( 2 1 3 ) = 一面1 + 壶一厶吉，当 v o ( 2 1 4 ) 式中，厶：! 堡二堕 当电池放电时取厶为正，充电时厶则取负。图中电容c 代表极化电容，它模 拟了电池内部的化学扩散现象，其值决定于s o c 、温度，以及电池装置的设计。 这种电池模型具有以下优点：通过加入极化电容c ，考虑了在e v 和h e v 上瞬态电流情况的产生；不仅考虑了由电现象所产生电阻和电容现象，而且考 虑了由电池中水的电解所产生电阻和电容现象，以及由温度所带来的其他影响。 该模型虽然考虑了一些非线性因素，但是其参数是不随时间变化的，且在推导开 长安大学硕士学位论文 路电压时要假设在个很短的时间间隔内，充放电电流是随时间变化的，而电动 汽车匀速行驶过程中要求恒流放电，因此该模型的实用性也较差。 2 8 3 四阶动态模型0 3 3 l 蓄电池模型分静态模型和动态模型两种。上述的模型均为静态模型，对于恒 流和电流变化平缓的充放电过程能很好的描述；但对于车载的蓄电池而言，由于 汽车负载的不断变化，电流剧烈变化( 如启动、上下坡阶段) ，此时静态模型效果 不佳。 正基于此，g i g l i o l i ，c e r o l op 等人提出了四阶段动态等效模型，如图2 8 所示。 这个模型是比较经典的蓄电池等效模型，使用也较为广泛【3 4 1 。该模型把蓄电池描 述成一个等价的电路网络。电路结构主要由两个分支电路组成：主分支电路( 厶 走向) ：主要考虑蓄电池内部的欧姆效应( m ) ，能量散发( r w ) 和电极反应( 如) 等现象；辅分支电路( 厶走向) ：主要考虑水解反应( 当l 时) 和自放电现 象( 当l = l 时) 。 在图2 9 的电路中，g i g l i o l i 等人对四阶动态模型进行了进一步改进，考虑了 蓄电池内部电化学极化和浓度极化效应，将图2 8 中的r ，具体化为心。、亿：、冠。、 r ：等，同时在决定其参数的时候考虑了温度的影响，充分考虑了蓄电池充放电过 程的复杂性。 图2 8 四阶动态响应等效模型 第2 章蓄电池特性研究及建模仿真 图2 9 考虑各种极化作用的四阶动态等效模型 四阶动态等效模型把蓄电池看作一个以电流为输入，以电压作为输出的动力 学系统，采用4 个状态变量来描述：q 表示蓄电池用掉的电矿丁：7 一互表示电 解液与环境的温度之差，厶和l 表示能量转换电流和能量发散电流。 在此模型中，荷电状态s o c 和放电深度d c h 定义如下： s o c = i 朋q 两 ( 2 1 5 ) k c ( n 、 d 曲= i l “q 。万 ( 2 1 6 ) 其中，丁为温度，l 为可变电流，c ( 丁) 是与温度有关的蓄电池的电容量： c = c 0 ( 1 - 争 ( 2 1 7 ) 其中，弓为电解液的冰点温度，c o 为蓄电池在零度时的电容量，万为经验参 数，c ( i m ，丁j 是与电流和温度有关的电容量，其定义如下： c 以驯：! 盟一 ( 2 1 8 ) 1 + f ，k 一1 夕i 南r 此模型考虑的因素比较周全，对蓄电池的机理、能量的走向表达得很清楚， 能够得到的结果比较令人满意，是经典蓄电池等效模型中准确性较好的一个模型。 但该模型阶数较高，计算比较困难，所需时间很长，不易进行实时的计算处理； 而且模型的建立需要大量经验参数，需要进行大量的实验，使模拟过分复杂化， 给使用带来困难。 2 6 长安大学硕士学位论文 2 9 三阶蓄电池模型及其仿真 综合2 8 中各个模型的特点，蓄电池的建模既要能较好地反映蓄电池的充放电 过程，又不能过于复杂，所以我们在参考国内外资料基础上，对上述模型进行改 进，建立了三阶蓄电池模型1 3 5 1 ，并对其进行了仿真验证。该模型的结构如图2 1 0 。 它由主反应支路和寄生支路两部分组成，其中r c 网络和电压源e - 构成主反应支 l 路，电流i d 的走向为寄生支路。主反应支路考虑了电池内部的电极反应、能量散 发和欧姆效应，寄生支路则主要考虑充电过程中的析气反应，并以代数形式表示。 其中环境温度t a 和电池电流i 为模型的输入变量，电池电压v 、放出的电量q s 以 及电解液温度t 为模型的输出变量。模型的输入输出变量关系如图2 1 1 。 图2 1 0 蓄电池三阶动态模型 图2 1 1 模型输入输出变量关系图 应用m a t l a b s m ，姗 4 0 对该线性模型进行仿真计算，仿真时间步长设 为1 s ，其模型的仿真结构如图2 1 2 所示。 同时选用某国产铅酸电池的第9 单格进行相关实验。实验采用充电规范要求 的国际标准化两阶段恒流充电，对铅酸蓄电池进行充电分为三个过程：( 1 ) 充电 电流1 8 a ( 图中丁= d 叫，) ；( 2 ) 充电电流9 a ( t = t r 嘞) ；( 3 ) 充电结束，电池 静置( 弘幻) 。 实验结果和模型的仿真结果如图2 1 3 所示，实验采集的数据与仿真模型仿真 的单格电压v 和电解液温度t 。比较如表2 3 所示，其误差分析如表2 4 所示。 2 7 第2 章蓄电池特性研究及建模仿真 b = 崮 掣 翟 魍 、，a l a r - c 日 图2 1 2 三阶蓄电池仿真模型结构图 ，1 1 0 ( 1 ) 它 萼 钙 譬 摹 舞 粤 图2 1 3 实验结果与仿真结果比较 表2 3 实验数据与仿真数据比较 表2 4 实验数据与仿真数据的误差 电压v温度o c i l l a x 旧一x l i ，i = 1 ，2 ，n 0 0 6 9 03 2 1 9 2 8 长安大学硕士学位论文 通过对两者的对比分析发现使用三阶模型，当充电电流稳定时，仿真计算值 与实测值基本一致，虽然电流出现阶跃时，会出现一定的误差，但基本上符合g b t 1 8 3 3 2 1 2 0 0 1 电动道路车辆用铅酸的要求【3 6 1 。 2 1 0 本章小结 本章主要内容及结论： 结合电动汽车特点，分析了电动汽车对动力蓄电池的要求； 在阐述了电动汽车用动力蓄电池的种类、工作原理、技术参数等基础之上， 分析了其充放电特性、容量特性和温度特性； 总结传统蓄电池模型的基础之上，建立了三阶蓄电池模型，并通过试验和仿 真对其有效性进行了验证。 第3 章超级电容特性研究及建模仿真 第3 章超级电容特性研究及建模仿真 3 1 超级电容的发展及其在电动汽车中的应用前景3 7 l 1 9 5 4 年，b e c k e r 首先提出了关于双电层超级电容器的专利；日本n e c 电气公司和 松下公司在2 0 世纪7 0 年代先后开发出了具有数法拉( f ) 容量并可快速充放电的双电 层电容器“s u p e rc a p a c i t o r 和“g o l dc a p a c i t o r 作