（车辆工程专业论文）燃料电池轿车智能低压电源管理系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 能源短缺与环境污染已成为人类可持续发展需要面对的两大难题。汽车是 能源消耗和环境污染的主要原因之一，大力推动技术进步，开发代用燃料，研发 新能源汽车将是汽车工业发展的方向。燃料电池汽车是新能源汽车的一种，它以 氢气作为燃料，能达到真正意义上的零排放。由于燃料电池汽车的用电需求跟传 统汽车有着较大的差异，所以传统的车载1 2 v 铅酸电池低压电源已经不能适应新 能源汽车的发展。本文的主要工作目的就是研究用更环保更有应用前景的镍氢电 池作为车载低压电源以及低压电源的智能管理系统，并且通过完成对低压镍氢电 池系统的研究为动力驱动镍氢电池系统打下基础。 电池是一个复杂的物理化学反应体，需要建立相应的等效模型才有可能对 其实现准确控制。本文通过研究对比国内外的通用电池模型提出了改进的镍氢电 池等效电路模型。新型模型采用了两个r c 一阶环节来模拟电池的电学极化和浓 差极化，并且用一个开关r c 环节来模拟镍氢电池的s o c o c v 滞回特性。仿真 实验中，模型仿真得到的数据和实验采集的数据得到了很好的吻合。对于镍氢电 池荷电状态( s o c ) 的估计，本文采用了电流积分和等效模型开路电压综合判断 的方法。由于电池的开路电压不能直接测量，这里利用零初值和零状态响应通过 检测电池的工作电压估算出其开路电压。车载低压电源智能管理系统的硬件实现 采用了先进的电流电压采样芯片和控制芯片，其与整车管理系统采用c a n 通讯， 能准确高效地完成数据传输。至此，本文基本完成了燃料电池轿车低压电源管理 系统的研究与实现。最后，对本文中存在的不足以及今后的工作方向做了简要的 讨论。 关键词：燃料电池轿车低压电源镍氢电池等效电路模型s o c 算法电池 智能管理系统 a bs t r a c t s h o r t a g e so fe n e r g ya n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o na r et h et w op r o b l e m st h a t o b s t r u c th u m a n sd e v e l o p i n g a u t o m o t i v ei sam a i nc a u s eo ft h e s ep r o b l e m s s o p r o m o t i n gt e c h n o l o g ya c h i e v e m e n t ，d e v e l o p i n gs u b s t i t u t ef u e la n dr e s e a r c h i n gn e w e n e r g yv e h i c l ea 陀t h ep r o c e e d i n gd i r e c t i o no fa u t o m o t i v ei n d u s t r y f u e lc e l lv e h i c l e i s o n eo fn e we n e r g yc a r s i tc a na c h i e v ez e r oe m i s s i o nu s i n gh y d r o g e na si t sf u e l d u e t ot h ed i f f e r e n c eb e t w e e nf u e lc e l lv e h i c l ea n dt r a d i t i o n a la u t o m o t i v e ，t h e1 2 vv e h i c l e p o w e rc a n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fn e we n e r g yc a r t h em a i np u r p o s eo ft h i s d i s s e r t a t i o ni st or e s e a r c ht h ep r o m i s i n gn i m hb a t t e r ya sa1 2 vv e h i c l ep o w e r , t o d e v e l o pi t sm a n a g e m e n ts y s t e ma n dt og a i nu s e f u le x p e r i e n c ef o rd e v e l o p i n gp o w e r d r i v i n gn i - m hs y s t e m b a t t e r yi sac o m p l e xp h y s i c a lc h e m i cc o m p o u n d i t sp e r f o r m a n c ec a nb e c o n t r o l l e db ye s t a b l i s h i n ga ne q u i v a l e n tm o d e l t h i sd i s s e r t a t i o nb r i n g so u ta n i m p r o v e dn i m hb a t t e r ym o d e lb a s e do nt h ew i d e l yu s e dg e n e r a lm o d e l s t h en e w m o d e la d o p t st w or cc i r c u i t st os i m u l a t et h ep o l a r i z a t i o no fab a t t e r ya n dar c c i r c u i tw i t has w i t c ht os i m u l a t et h es o c o c vh y s t e r e s i sp h e n o m e n a t h es i m u l a t i n g d a t ac a ng r e a t l ys u p e r p o s et h et e s td a t a w eu s ec u r r e n ti n t e g r a la n do p e nc i r c u i t v o l t a g et oc o m p u t e t h es t a t eo fc h a r g e ( s o c ) o fn i - m hb a t t e r y t h eo p e nc i r c u i t v o l t a g ec a n tb em e a s u r e dd i r e c t l y ，b u tw e c a ne s t i m a t ei tt h r o u g hz e r oi n i t i a lv a l u e a n dz e r os t a t er e s p o n s eo fab a t t e r y t h eh a r d w a r eo fv e h i c l e1 2 vp o w e rm a n a g e m e n t s y s t e mi n c l u d e sa d v a n c e dc u r r e n ta n dv o l t a g es a m p l i n gc h i pa n dc o n t r o l l i n gc h i p i t s c o m m u n i c a t i o nt ov e h i c l em a n a g e m e n ts y s t e mi si m p l e m e n t e dt h r o u g hc a nb u s d a t aw i l lb et r a n s f e r r e da c c u r a t e l ya n de f f i c i e n t l yt h r o u g hc a n n o w ，t h i s d i s s e r t a t i o nc o m p l e t e st h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no f1 2 v p o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m o ff u e lc e l lv e h i c l e i nt h el a s tp a r t ，t h ep r o b l e m sa n df u t u r es t u d yd i r e c t i o na r eb r i e f l y d i s c u s s e d k e yw o r d s ：1 2 vp o w e r o ff u e lc e l lv e h i c l e ，n i - m hb a t t e r y ，e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l ， s o ce s t i m a t i o n ，b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果 同济大学学位论文原创性声明 本入郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 能源与环境是人类社会赖以生存和发展的基础。传统不可再生能源的短缺 与全球环境的不断污染已经成为全人类必须面对的难题。 我国既是能源生产大国，也是能源消费大国，在中国实现现代化的初级阶段 是以大量的能源投入为代价的。我国经济增长的特点决定了能源需求的增长趋 势，我国石油储量仅占世界的2 ，自1 9 9 3 年开始，我国已变为石油净进口国， 2 0 0 6 年我国原油进口1 4 5 1 8 万吨，创历史新高，成品油进口3 6 3 8 万吨。进口原 油金额6 6 4 1 1 亿美元，进口成品油金额1 5 5 5 1 亿美元，合计8 1 9 6 2 亿美元。 随着我国进入汽车消费普及期，汽车保有量将迅速增加，能源紧张状况日趋严峻， 估计2 0 1 0 年将进口约2 亿吨石油，可能会成为我国第一大进口物质，我国经济 的发展将越来越依赖并受制于石油的进口，这势必会影响到国家的战略安全。目 前，汽车每年消耗我国汽油总产量的8 5 ，柴油总产量的2 0 。从长远看，油 料短缺将成为发展汽车工业必须面对的主要问题之一。面对石油短缺，发达国家 没有采取限制发展汽车工业的政策，而是大力推进技术进步，引导企业降低单车 油耗，开拓代用燃料，研发电动汽车，使轿车的百公里平均油耗从7 0 年代末的 1 4 升下降为目前的7 升左右。燃气汽车在很多国家得到应用，混合动力汽车也 进入实用阶段。我国汽车产品的燃油经济性与国外有较大差距，提高汽车产品燃 油经济性具有较大潜力，正确引导、鼓励发展和使用小排量、低油耗汽车及代用 燃料汽车和新能源汽车，将促进我国汽车工业可持续发展n ，。 第二次世界大战结束后，随着世界经济的迅速发展，环境污染问题日益突 出。毫不夸张地说，环境污染也成为当今人类面临的最大威胁之一。人类面临的 重大环境问题归纳起来大约有三方面：大气污染、水资源污染以及生态环境遭受 破坏。德国慕尼黑一家世界超级保险公司的最新报告指出：目前，世界气候的变 迁每年将使人类耗费掉3 0 0 0 多亿美元的巨额开支。其中，由二氧化碳等气体直接 导致的温室效应是造成上述庞大开支的重要原因。 机动车辆运行对环境的影响主要是大气污染和噪声污染。在世界卫生组织 确认的6 类大气污染物质一氧化碳( c 0 ) 、铅( p b ) 、二氧化氮( n 0 2 ) 、悬浮颗粒物 ( s p m ) ( 包括尘土、烟灰、烟雾和烟尘) 、二氧化硫( s 0 2 ) 和对流层臭氧( w h 01 9 9 9 ) 及温室气体中，机动车辆污染物排放主要有其中5 项。城市噪声的污染主要来自 于机动车。在城市环境中，机动车排放的c o 和n o x 是城市空气污染的最主要来源。 第1 章绪论 据统计，2 0 0 3 年全国机动车排放碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物的总量已经是 1 9 9 5 年的2 5 1 和2 0 5 倍，分别达到了5 5 2 2 0 万吨和2 8 7 0 万吨。部分大城市机动车 已经成为城市空气污染的主要来源。研究结果表明，北京市汽车排放污染物对城 市大气污染的贡献率己达到：c o 为8 3 4 ，h c 为8 3 4 ，n o x 为5 6 ；上海市中心 地区的汽车排放对污染的贡献率为：c 0 8 6 ，h c 9 6 ，n o x 5 6 ；广州市为：c 0 8 8 8 ， n o x 8 5 3 。机动车的排放对大气的污染贡献率在逐渐上升表明，机动车排放污染 已经成为城市的一个主来源。 根据专家预澳t ! l j 2 0 1 0 年，我国汽车总保有量将达至u 4 4 0 0 - 5 0 0 0 万辆，较1 9 9 5 年翻两番，机动车污染物排放量将是1 9 9 5 年的3 - 4 倍。以北京市为例，按目前在 用车排放水平，如不加控制， ! v 2 0 1 0 年，c 0 排放量将由1 9 9 5 年的1 3 9 万吨增加到 6 9 2 万吨，增加四倍多，分担率上升到9 6 ；n o x 也将由1 1 4 万吨增2 n 至u 3 2 7 万吨， 增加近两倍，分担率上升至u 7 9 ，其污染程度非常严重，将直接危害人体健康。 当前，保护并改善环境成为人们的共识。因此，大力发展清洁能源汽车，减少排 放污染，显得更加必要和迫切砼1 。 1 2 燃料电池汽车的特点与发展 新能源汽车在一定程度上或者完全摒弃了传统内燃机来作为汽车的动力 源，所以又被称为清洁能源汽车。在依然保持汽车动力表现的前提下，新能源汽 车尽可能少地或者完全不使用由不可再生能源转化而来的燃料，并且把汽车尾气 排放对环境的污染做到最小甚至为零。从动力源的角度看，新能源电动汽车大致 可以分为纯电动汽车( e v - e l e c t r i c v e h i c l e ) 、混合动力汽车( h e v - h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ) 和燃料电池汽车( f c v - f u e lc e l lv e h i c l e ) 跚。 燃料电池电动汽车就是指以燃料电池系统为主要供能装置的电动汽车( 可简 称为燃料电池汽车) 。它是以氢气为能源，通过燃料电池发动机将贮存在燃料和 氧化剂中的化学能直接转化为电能的新型汽车。其原理可简述为：由燃料电池系 统产生电能供给驱动电机，再由电机驱动车辆行驶。新能源汽车上使用的燃料电 池系统一般包含以下几个主要组成部分： 1 ) 燃料电池组： 燃料供应系统燃料或氢气贮存装置，压力调节器，管路，燃料循环 泵； 3 _ ) 氧化剂供应系统空气压缩机( 以空气为氧化剂来源时) ，空气加湿器， 管路； 钔冷却系统冷却器热交换器，冷却水箱，冷却风扇，冷却水循环管路， 2 第1 章绪论 冷却水循环泵； 与使用蓄电池组单一能源的纯电池电动汽车或是配置蓄电池组及小功率内 燃机的混合动力汽车相比，燃料电池汽车在性能及排放综合指标上明显优于前两 者。众所周知，纯电池电动汽车的可持续行驶里程较短，采用铅酸蓄电池的电动 汽车通常行驶1 0 0 公里左右就需要再次充电，采用镍氢电池或是锂离子电池的电 动汽车其续航里程一般也只有2 0 0 公里左右。就混合动汽车而言，虽然是现阶段 最具实用性和推广性的节省油耗、降低排放的解决方案，但因为不能彻底解决汽 车尾气污染，以及内燃机固有的低效性等问题，被认为只是一种过渡方案。而燃 料电池汽车有着优良的综合性能：一方面，在动力性和续航能力等性能上，它完 全可以和传统内燃机汽车相媲美。同时在排放方面，当以纯氢为燃料时，它能达 到真正意义的“零 排放。 进入2 1 世纪以来，世界各大汽车公司继续加大力度研制燃料电池汽车，纷 纷推出了越来越接近商业化要求的产品。丰田公司在2 0 0 2 年推出了f c h v 系列 燃料电池汽车的最新产品，并获得了日本国土交通省大臣颁发的认定证书，准许 其于2 0 0 2 年1 2 月2 日起开始限量销售。本田公司的f c x 系列燃料电池轿车也 已于2 0 0 2 年1 1 月获得了政府的销售许可。 福特汽车公司在2 0 0 2 年纽约国际汽车展览会展出了全新福克斯( f o c u s ) 燃 料电池轿车。f o c u sf c v 上采用了新型b a u a r dm a r k9 0 2 燃料电池组，并配置有3 0 0 伏三洋蓄电池组作为辅助能源，增加了电控制动和电液再生制动系统。此外， f o c u sf c v 采用了更为先进的贮氢罐，压力可达到5 0 0 0 磅平方英寸，而以前的贮 氢罐压力只能达到3 6 0 0 磅平方英寸。通过合理的整车布置，f o c u sf c v 能为4 名 乘客提供舒适的车内空间，后部行李箱也留出了相当大的行李空间。f o c u sf c v 还具有可媲美于传统汽车的安全性能，它完全按照包括碰撞要求在内的联邦安全 法规进行设计，具备和福克斯基本轿车型同样出色的乘员保护装置。在氢源安全 性方面，设置了传感器随时监测燃料电池组、行李箱和乘客厢，如果监测到有氢 气泄漏，随监测到的氢气逸出量的增加，系统会依次采取下列三种级别的故障处 理措施：向司机发出警告；转到有限功能状态下运行；停车。 戴姆勒一克莱斯勒公司于2 0 0 3 年5 月向西班牙马德里公共运输组织交付了 首辆由巴拉德公司燃料电池发动机驱动的零排放奔驰c i t a r o 客车，并将其作为欧 洲燃料电池客车项目的部分。首批3 0 辆配备2 0 5 k w 巴拉德燃料电池发动机的 c i t a r o 客车将在未来几年内运往欧洲1 0 个不同的城市进行为期2 年的实地运行测 试。这些客车将由普通的运输客车司机驾驶，在每个城市进行运送乘客等日常服 务。 由上海燃料电池汽车公司联合上汽集团和同济大学等单位，从2 0 0 1 年采用 3 第1 章绪论 动力平台嵌入的方法陆续研制了我国第一辆具有完全自主知识产权的燃料电池。 轿车“超越一号 ，“超越二号 和“超越三号”系列燃料电池轿车样车1 3 台次， 取得重要的技术突破和进展。“超越二号 和“超越三号 燃料轿车样车分别参 加了2 0 0 4 年中国上海必比登和2 0 0 6 年法国巴黎国际新能源汽车挑战赛。在考核节 能环保性，行驶安全性和运行稳定性的七项单项性能测试以及拉力赛中连续取得 佳绩。2 0 0 4 年再获得障碍物绕行、燃料效率、车外噪声、污染物排放和温室气体 排放五项a 级成绩，2 0 0 6 年取得燃料效率、车外噪声、污染物排放和温室气体排 放四项a 级成绩。而且从实测性能指标看，总体与通用、奥迪以及戴姆勒克莱斯 勒公司的参赛车辆相当，燃料效率指标优于其他车辆。我国的燃料电池轿车动力 系统平台在基本性能方面已经达到国际同等技术水平。 1 3 车载低压电源概况 车载低压电源通常是指传统车辆的1 2 v 车载电池。它为内燃机( i c e ) 提供原 动力，又称为s l i ( 起动、照明和点火) 电池。它用来为i c e 的起动提供能量，在 发动机起动或低速运转时，向发动机点火系及其他用电设备供电。当发动机高速 运转时，发电机发电充足，电池可以储存多余的电能。车载电池提供照明、c d 播放及其它舒适型负载使用能量。数十年来，1 2 v 富液式铅酸蓄电池由于在起动 容量、寿命和成本等方面的优势，几乎主宰了整个汽车市场。铅酸蓄电池由正负 极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等组成，其放电的化学反应是依靠正极板 活性物质( - - 氧化铅p b 0 2 ) 和负极板活性物质( 海绵状纯铅p b ) 在电解液( 硫酸 和水组成的作用下进行。一个标准的1 2 v 铅酸蓄电池包含有六个单元，每个单元 产生约2 v 的电能，从每个单元上都引出正、负极柱：正极柱上刻有“+ 号，呈 深褐色；负极柱上刻有“一一号，呈浅灰色。 在新能源汽车出现以后，由于其用电需求跟传统汽车有着较大的差异。所 以传统的车载低压电源已经不能适应新能源汽车的发展： 1 ) 燃料电池汽车靠电机驱动，没有传统的内燃机。所以对低压电源没有短 时间大电流放电的要求。 2 ) 铅酸电池由于含有重金属铅，和硫酸电解液，对环境的污染比较严重。 不符合新能源汽车环保的要求。 3 ) 铅酸电池没有智能管理系统，用户不能随时了解电池的可用电量还有寿 命等信息，也没法最合理的使用铅酸电池来延长其寿命，从而降低使用成 本。 4 ) 铅酸电池体积重量等物理特征也有待优化。 4 第1 章绪论 综上所述，如果能够找到种可以克服铅酸电池缺点的新型电池来替换铅 酸电池，并且研究出一套智能电池管理系统应用在新能源汽车上，将是非常有前 途的。 结合目前电池技术的发展水平，对有希望成为新型车载低压电源的蓄电池进 行一下简要的比较： 镍镉电池( n i c d - n i c k e lc a d m i u m ) 镍镉电池比能量为4 0 - 5 0w h k g ，比功率为1 5 0 5 0 0w k g 。镍镉电池在低 温下仍能保持其原有性能，但在温度逐渐升高时，电池的充放电循环寿命会受到 很大影响。镍镉电池不适于大功率放电，但在3 0 - 7 0 的s o c 范围内，其充电 性能却很出色。镍镉电池总体的使用成本比较高，很大程度是受了对电池的回收 再利用的费用的影响，而且，镉还是一种致癌物质，目前已经有相关的规定，从 2 0 0 8 年起，镉将在工业产品中被禁用。 镍氢电池( n i m h - n i c k e l - m e t a ih y d r i d e ) 镍氢电池在8 0 年代末9 0 年代初发展起来，常用于小型的便携设备上。与镍 镉电池相同，每节镍金属氢化物电池的电压为1 2 伏。丰田公司研制的p r i u s 混 合动力汽车，就是使用了6 2 5 a h 的柱体状密封d 型号的镍氢电池。镍氢电池的 比能量比较突出，目前较好的密封镍氢电池可以达到约8 0 - 9 0 w h k g 叫的比能量。 镍氢电池在低温下能保持性能，但随着温度的升高，其循环寿命和再放电能力会 受到较大影响。因此实际使用时必须配备相应的散热管理系统。镍氢电池已经逐 渐在人们的生活中得到普及，丰田p r i u s 混合动力汽车就使用了镍氢电池。随着 大批量的生产和制造技术经验的不断丰富，镍氢电池的使用成本已经越来越低。 锂离子电池( l i - i o n ) 锂离子电池的比能量为l1 0 - 1 2 0 w h k g 叫左右，是三者中最高的。锂离子电池 虽然有非常出色能量性能，但也有其缺陷。锂离子电池性能随温度的改变变化较 大，一般适宜的工作温度不超过4 5 度，否则其周期寿命会大幅下降，在低温状 态，其充放电性能由于高内阻和电池内部有机溶剂系统的低传导性而变差。使用 锂离子电池对安全的要求尤其高。对锂离子电池组充放电时，要每时每刻关注每 个单体电池的充放电情况，要保证没有单体电池被过充或者过放。电池过充会出 现危险，严重时电池会破裂导致燃烧。因此单体锂离子电池的电压必须限制在 4 2 伏以下。锂离子电池的电特性虽然比较好，但是由于技术原因，其制造成本 还是很高，所以目前应用并不是特别广泛n 1 。 各类蓄电池主要性能比较如表1 1 所示。 5 第1 章绪论 表1 1 三种蓄电池性能特点比较 比能量比功率其它描述 ( w h k g 1 )( w k g 1 ) 镍镉电池 4 0 5 01 5 0 5 0 0 现有的生产维护设备完善，高温性能差，要有 散热系统，回收困难且费用高，镉对人体有害 镍氢电池7 0 8 05 0 0 1 0 0 0高温时电压特性软，自放电率高，要有散热系 统，应用广泛 锂离子电池1 1 0 1 2 01 0 0 0 - 1 2 0 0高温时周期寿命下降，低温放电时电压特性软， 使用时要严格禁止过充过放，安全性要求很高 综合上述分析比较，镍氢电池是最有可能在现阶段应用到车载1 2 v 低压电源 中的电池。本篇论文所研究的低压电源智能管理系统就是针对镍氢电池而实现 的。 1 4 小结 由于环境和石油能源的问题，新能源汽车已经越来越受到重视，它是以后汽 车工业的发展方向。新能源汽车跟传统汽车的用电需求不同，目前车载1 2 v 低压 屯源系统已经不能适应新能源汽车的发展。本章通过对比几种新型蓄电池的特 点，选定了镍氢电池作为燃料电池轿车低压电源系统的供电电源。 6 第2 章镍氢电池特性及其管理系统的研究 第2 章镍氢电池特性及其管理系统的研究 2 1 电池的几个基本概念 2 1 1 电池的开路电压( o e v ) 和工作电压 开路电压是外电路没有电流流过时电极之间的电位差( ) ，一般电池的 开路电压小于电池电动势。电池工作电压( u ) 又称放电电压或者负荷电压， 是指有电流通过外电路时，电池两极间的电位差。放电时工作电压总是低于开路 电压，因为电流流过电池内部时，必须克服极化电阻和欧姆内阻所造成的阻力。 工作电压：u c c = e 一豫一u d c 一豫 ( 2 1 ) 电池的工作电压受放电规则影响，即放电时间、放电率、环境温度等。 放电方法 放电方法按照放电电流可以分为恒流放电和恒压放电两种，按照放电时间可 以分为连续放电与间歇放电。连续放电是在规定的放电条件下，连续放电至终止 电压。间歇放电是电池在规定的放电条件下，放电间断进行，直到所规定的终止 电压。 终止电压 电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为终止电压。一 般在低温或者大电流放电时，终止电压低一些。因为在这种情况下，电极极化大， 活性物质不能得到充分利用，电池电压下降较快。小电流放电时，终止电流规定 高些。因为小电流放电，电极极化小，活性物质能得到充分利用。 放电率 放电率指放电时的速率，常用“时率 和“倍率”表示。时率是指以放电时 间( h ) 表示的放电速率，或者讲以一定的放电电流放完额定容量的小时数。例 如，电池的额定容量为1 5 a h ，以3 a 电流放电，则放电时率为1 5 a h 3 a = s h ，称为电 池以5 小时率放电。 倍率放电是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所输出的电流值，数值 上等于额定容量的倍数。例如，3 倍率的放电，表示放电电流数值的3 倍，若电 流容量为1 5 a h ，那么放电电流应为3 1 5 = 4 5 a 。也就是说3 倍率放电。换算成 小时率则是1 5 a h 4 5 a = l 3 小时率。 7 第2 章镍氢电池特性及其管理系统的研究 2 1 2 电池的容量 镍氢蓄池有理论容量、实际容量和额定容量之分，用八h 或m 八h 表示。理论 容量是根据活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高的理论值。实际容量 是指电池所能输出的电量，等于放电电流与放电时间的乘积。额定容量即公称容 量，是按国家有关部门颁布标准保证电池在一定放电条件下应该放出的最低限度 的容量。 2 1 3 蓄电池的剩余容量s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) s o c 是描述蓄电池荷电状态的一个重要参数，通常把一定温度下蓄电池充电 到不能再吸收电量时的荷电状态( s o c ) 定义为荷电状态s o c = 1 0 0 ，而将蓄电池再 不能放出电量时的荷电状态定义为荷电状态s o c = o 。电池的s o c 状态用来反映电 池的剩余容量，其数值上定义为电池剩余容量占电池容量的比值： s o c = q 1 c x1 0 0 ( 2 2 ) 式中：q 1 电池剩余的容量；c 电池以恒定电流i 放电时所具有的容量。 如果将电池充满电状态定为s o c = i ，则定义可表示为： s o c = ( 1 一o c ) x1 0 0 ( 2 3 ) 式中：q 为电池己放出的电量。 由于电池所能放出的容量要受放电率、电池的温度、电池充放电循环次数等 诸多因素的影响。因此，表示电池容量状态的s o c 也必然与这些因素有关。举两 例说明： 1 ) 充满电( 按定义得s o c = i ) 的电池以某一恒定的大电流放电至终止电压，放 出了该恒流放电所能放出的电量，按定义得到了s o c = o 的结论。但这时如果再以 较小的电流放电，则电池又能继续放电，表现出s o c o 。 2 ) 电池先以某小电流放电至该恒定放电电流下可放出容量的6 0 - 7 0 ，按定 义可得到s o c 并不为0 。但这时如果以某一大电流放电，当电池电压急剧下降至其 终止电压时，放出的电量几乎为0 ，即电池表现为s o c = o 。 s o c 这样的特性给电池实时的荷电状态的估计带来了很大的难度，所以本文 中提出的s o c 估计都是在一定的适用范围内( 电流、温度、寿命) 生效的。 2 2 镍氢电池的结构及化学反应原理 镍氢电池由镍氢化合物正电极、储氢合金负电极以及碱性电解液组成。充放 电时的正负极化学反应分别表示如下： 8 第2 章镍氢电池特性及其管理系统的研究 萨叩司c h a r g e _ , 甲 n i ( o h ) ：属于六方晶系，具有层状结构。口- v i ( o h ) ：是无序的层状结构， 声- 2 v i ( o h ) ：具有较完整的晶体结构，为c d l 2 型层状化合物，层与层之间靠范德 9 第2 章镍氢电池特性及其管理系统的研究 华力结合。 卢一n i o o h 是声一n i ( o h ) ：充电后失去一个质子和电子的产物，两者的结构 基本相同，但由于质子的减少，层与层之间的排斥力增大，层面内n i - n i 键之间 的排斥力减小。 ，一n i o o h 是具有c 1 9 菱形晶胞的层状化合物，层间距较大，层与层之间可 容纳更多的杂质离子。卢- n i ( o h ) ：在过充电、高倍率充放电以及较浓的电解液 等条件下易形成y - n i o o h 。由卢一f ( 伽) ：转变为) ，- n i o o h 的过程中其体积 变化量为1 5 ，而当) ，一n i o o h 生成时，体积会增力1 4 4 。普遍认为镍电极中 ) ，一n i o o h 的生成是造成电极膨胀、掉粉、微应力机械损伤乃至电极寿命终止的 主要原因。因此在镍电极的实际使用中一般都要尽可能的抑制 ，一n i o o h 的生 成，使电极反应只可逆地在一朋( 鲫) ：和一n i o o h 之间进行。 镍电极的反应机理非常复杂，目前比较常用的解释有中间态机理和固体质子 扩散机理： 1 ) 中间态机理 鲍尔苏克夫( b s ) 等人认为镍电极工作是不存在固相质子扩散阶段，提出镍 电极反应是通过中间态阶段进行充放电的过程。他们认为：氢氧 g g f f j 畏n i ( o h ) ：和 过氧氢氧化镍n i o o h 具有层状结构，在层之间含有层间水( 或称载留水，或称嵌 入水) 。在镍电极正极充电过程中，n i ( o h ) 2 失去电子形成不稳定的中间态 n i ( o h ) 2 + 离子，随后f ( d 日) 2 + 快速分解为n i o o h 和h + ，最后日+ 转入层间，与 层间的o h 。中和生成层间水。 2 ) 固体质子扩散机理 与金属电极不同，氢氧化镍电极是一种p 型氧化物半导体电极，具有半导体 电极的特性，它是通过电子及电子空缺进行导电。在镍电极正极反应过程中， ，n i ( o h ) ：在活化点氧化生成f d 明，同时释放质子圩+ ，随后质子扩散到固液界 面与在界面处的o h 一中和生成界面水，然后界面水扩散到电解液溶液里。 2 2 2 镍氢电池负极的研究 1 0 第2 章镍氢电池特性及其管理系统的研究 镍氢电池负电极采用的是储氢合金，称得上储氢合金的材料应具有像海绵 吸水那样可逆地吸放大量氢气的特性。储氢合金中氢的体积密度甚至比液氢和固 氢还要大。原则上说，贮氢合金都是金属间化合物，它们的共同点都是由一种吸 氢元素或与氢有很强亲和力的元素( a ) ，和吸氢很小或根本不吸氢的元素( b ) 组成 的。a 主要是i a - v b 族元素，如t i ，z r ，c a ，m g ，v ，n b ，r e - 稀土元素等，它们 与氢反应为放热反应；b 主要为v i b 一b 族( p b ) 除外过渡金属，如f e ，c o ，n i ，c r ， c a ，a i 等，氢溶于这些元素时为吸热反应。目前开发的合金基本上都是吸热型金 属与放热型金属组合在一起。两者合理相配，就能制备出在室温下具有可逆吸放 氢能力的贮氢材料。储氢合金虽然由不同的元素组成和具有不同的晶体结构，但 是氢都是以原子态存在于合金格中的八面体或四面体间隙位置上，并且所有储氢 合金其吸放氢气过程都是一个相变过程并符合吉布斯规律嘲。 在心电极上除了电化学反应以外，还同时进行着一个气一固反应： m + 工2 h2 营m h ，+ 日( 2 7 ) 反应式中平衡氢气压和贮氢材料组成遵循气压一组成( p - c ) 等温线。当少量 氢溶解在晶格中，还未形成新相时，吸附的氢原子占据金属晶格中间的空隙位置， 其密度取决于氢气的压力，这时所形成的氢贫乏的固溶体为口相；当固溶体饱和 后，形成新的固溶体相。随着卢相的成核和生长，造成合金晶胞体积发生膨胀， 这时形成口相和卢相共存，在p c 等温线上表现为平衡氢气压平台。在一定温度 下，平衡氢压是恒定的，它一般称作为该温度下贮氢合金的平台压力，它是衡量 贮氢合金性能的一个极为重要的指标之一。当氢组成增加到一定程度时，口相消 失，仅存在卢相，平衡氢压随氢组成增加而继续增大。 对电池充电时由水的电化学反应生成的氢原子h ，立刻扩散到合金中，形成 氢化物，实现负极贮氢。而放电时氢化物分解出的氢原子又在合金表面被氧化为 水，不存在气体状的氢分子。一般认为，贮氢电极合金的放电反应主要由以下3 个过程组成： 1 ) 电化学反应：当贮氢电极合金充满电时，氢是以氢化物( 卢相) 的形式存在。 放电时，贮氢电极合金表面的氢原子失去一个电子，并与电解液中的o h 一化合 生成水，从而使合金表面氢浓度下降。该过程的速度取决于贮氢电极合金表面的 电催化活性。 2 ) 氢的扩散：由于储氢电极合金表层氢原子浓度的下降，造成了合金颗粒由 合金内部向表面的氢浓度梯度。在氢浓度驱动下，合金内部的氢原子向表面扩散。 第2 章镍氢电池特性及其管理系统的研究 该过程的速度取决于氢在合金和表面氧化膜中的扩散系数、储氢合金电极的颗粒 尺寸和合金颗粒表面氧化膜的厚度及致密性。 3 ) 卢呻口相变：当储氢电极合金表面氢浓度c h 由充满电时的最大浓度 c 懈降至低于与口相( 氢与合金形成的固溶体) 平衡的声相( 氢化物) 氢浓度c 触 时( 即g 3 0 以后欧姆内阻基本不再变化。这是因为电池在荷电状 态低的情况下，电极和活性物质还没有完全活化，所以导致电阻较大。当电池存 储了一定量的电荷以后，电池内部的导电性能会比低荷电状态好很多，所以欧姆 内阻也就逐渐减小。环境温度对电池欧姆内阻的影响也具有一定的规律性，如图 2 3 所示。在低温的情况下，由于储氢合金过于稳定，氢原子扩散系数小，所以 导致电荷在传导的过程中受阻较大，相应的欧姆内阻也就大。随着温度的升高， 储氢合金、电解液等物质活性加强，保证了化学反应的顺畅进行。从这两张图上 可以发现，不同镍氢电池的欧姆内阻也会有一定的差别。这是因为欧姆内阻的大 小还跟电池的使用寿命相关，一般来说电池的使用时间越长，其欧姆内阻也就越 大。但是由于镍氢电池的欧姆内阻本身比较小，所以以上的变化对今后电池管理 算法的建立影响并不是很大。 ，1 矿 镍氢电池欧姆内阻与s o c 关系图 l 略厂_ _ - i _ i 直i 16 l 一一一一一! 一一一j 一一一一一一一1 一一一一一一一二一一一，一二一一j 一一i 一，一一 督 v 受 霍 黢 督 2 2 欧姆内阻与电池s o c 的关系 2 3 2 镍氢电池的充放电特性 电池的电压、工作电流是判断电池s o c 及电池运行状态的重要参数，几 乎所有的电池管理系统都要根据电池的电压、电流和s o c 之间的关系来进行 第2 章镍氢电池特性及其管理系统的研究 s o c 的估计和系统管理。所以研究镍氢电池的充放电特性是非常有意义的。 2 3 2 1 镍氢电池充放电工作电压 镍氢电池加载后的充放电电压如图2 4 所示。在这副图中，电池从s o c 为o 时开始，以1 c 的充电倍率充1 个小时达到s o c l o o 后静置一个小时。然后在以 1 c 的放电倍率放到电压为1 v ，定义此时的s o c 为o 。因为这时电压已有急剧下 降的趋势，如果继续放电不仅不能获得多少能量，反而会使电压过低损坏电池。 从图中可以看出，不论是充电还是放电，电压响应都可以分为三个明显的阶段。 起始段，电压迅速上升( 下降) ；中间段，电压变化很小，开始大量吸收( 放出) 能量；结束段，电压又急剧上升( 下降) ，很快充( 放) 电终止。在整个过程中， 中间段持续的时间最长，电池主要是在这一段得到了充分的利用。从理论上分析， 放电开始前，电极活性物质表面的碱液浓度与溶液浓度相同，电池电压与此浓度 相对应。放电开始时，电极活性物质表面的碱液不断消耗，碱液浓度降低，而碱 液由溶液向电极表面扩散是缓慢过程，故电极表面浓度得不到及时补偿，表面浓 度继续下降，电极电压数值正是受电极表面的碱浓度所决定的。结果电池电压明 显下降，这一阶段表现为放电开始时电压急剧下降。随电极活性物质表面浓度下 降，与溶液之间的浓度差加大，促进碱的扩散过程。在一定的电流放电时，单位 时间内碱液消耗得到补充，这一阶段在放电曲线上表现为一个放电平台，随放电 的不断进行，活性物质也不断减小，电极反应向活性物质深处扩展，降低了活性 物质的孔隙率，导致碱液向深处活性物质扩散难度加大，使电池的端电压迅速降 低，达到终止电压。 2 3 欧姆内阻与环境温度的关系 1 6 2 4 电池1 c 充放电工作电压示意图 2 3 2 2 镍氢电池充放电开路电压 j 7 第2 章镍氢电池特性及其管理系统的研究 图2 5 显示了不同充放电电流下s o c 与开路电压的关系。三角曲线代表的是 o 5 c 大小的电流充放，星号线代表的是1 c 大小的电流充放，圆圈线代表的是1 5 c 大小的电流充放。可以看出在s o c 3 0 - 8 0 这段曲线里，不同大小电流的充 放电开路电压是基本重合的，这个重要特性为本文以后的s o c 算法建立提供了 依据。在s o c 小于3 0 或者大于8 0 时，由于电大小流对电池的极化效应不同， 所以导致了一定的曲线偏差。不过在燃料电池车日常的使用工况中，电池处于这 两部分的时间相对较少，所以这一点的误差还是可以接受的。 不同电流下s o c o c v 关系曲线 s o c ( ) 2 5 不同充放电电流下s o c 与开路电压的关系曲线 图2 6 反映了在不同的环境温度下s o c 与开路电压的关系曲线。三角线是 在1 5 度的条件下测得的曲线，星号线是在2 5 度的条件测得的，圆圈线是在3 5 度的条件下测得的。从图中可以看出温度对开路电压关系有一定的影响，但是影 响并不是很大，在以后的s o c 算法中要考虑到适当的温度补偿。 1 8 第2 章镍氢电池特性及其管理系统的研究 不同温度下镍氢电池s o c o c v 关系曲线 s o c ( ) 2 6 不同温度下镍氢电池s o c - o c v 关系曲线 2 4 镍氢电池管理系统 2 4 1 电池管理系统的研究状况 电池对于新能源汽车的重要性不言而喻。在汽车日常的运行中，它所处的环 境状况十分恶劣，温度过高或者过低、充放电流过大等均可能损坏电池进而影响 整车的性能。因此如何检测电池的工作状态，合理估计出其s o c ，合理控制电池 的使用都是电池管理系统所需要解决的问题。 美国一直站在世界汽车技术领域的最前端，在电动汽车的电池管理系统的研 究方面也走在世界各国的前列。通用汽车公司的b m s 采用了微处理器对电池组进 行管理、监测和控制蓄电池组的充放电工作状态，提高电池的充放电性能，预测 蓄电池组的荷电状态和剩余能量。美国能源部( d o e ) 、国家电源研究所与通用、 克莱斯勒、福特三大汽车公司组成的先进电池联合体( u s a b c ) 于1 9 9 7 年底签订一 项协定，计划在4 年中投资3 亿美元用于电动车电池及其管理系统的开发。在欧 1 9 第2 章镍氢电池特性及其管理系统的研究 洲，法国是电动汽车发展较快的国家。法国随车电池能量管理系统主功能为：电 池寿命的记录、充电监测、行驶过程中电池的管理、辅助电池的维护、剩余电量 显示。它防止对电池的有害使用，收集电池信息从而确定如何恰当使用和更换电 池，最大限度地提高电池的能量使用效率。在德国，西门子公司开发的电池管理 系统，其充电控制可以使系统跟踪电池充电特性曲线进行充电，提高充电效率， 节约了电能。在日本，本田公司开发的车用电池能量管理系统包括：管理控制模 块、车载充电器、惯性控制开关、高压系统安全检测装置、d c d c 变换器等。如 果电动汽车发生碰撞时，会立即切断电源，从而保证用电安全。在我国，随着电 动汽车作为国家“8 6 3 一重点攻关项目的确立，电池管理的研究已经成为我国科