（车辆工程专业论文）纯电动汽车动力电池特性及应用研究.pdf

丫ril1i8ffll8tfoljtl7h8l1ii f丫18 8 0 7 81 独创性声明 本人声明，所呈交的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 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：日期： 竺包： 9 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 僦引签笔刁导一如 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 2 0 1 1 年是我国“十二五 计划的第一年，在电动汽车方面，科技部已研究 制定了电动汽车“十二五科技发展专项规划，已将动力电池的安全性、一致性、 耐久性等特性作为重点突破口。 作为电动汽车特别是纯电动汽车动力源的动力电池，其相应特性必须满足电 动汽车行驶、安全性能要求；电池热管理系统的设计对电池温度、电压均衡，电 池系统性能有重要影响，继而影响动力电池的安全、一致和耐久性能。因此，开 展纯电动汽车动力电池特性及应用研究十分重要。 本文以y y 5 纯电动样车项目为支撑，以纯电动汽车用动力电池为研究对象， 运用实验和计算机仿真相结合的方法提出满足纯电动汽车行驶性能、充电性能的 动力电池技术要求。建立了动力电池箱体热管理仿真模型，运用f l u e n t 软件对其 进行了流场和温度场的仿真计算，根据仿真结果评价了电池热管理系统。本文的 主要工作可以概括如下： ( 1 ) 分析了当前国内外电动汽车用动力电池特性( 比容能量、充放电倍率、 充放电电压、电流、温升、效率等) ，并运用电池测试设备对动力电池放电倍率 特性、温度特性和充电倍率特性做了测试和分析。 ( 2 ) 在静态测试的基础上，运用g t s u l t e 软件建立了y y 5 纯电动汽车 仿真模型，基于一种控制策略和运行工况，进行模型在环仿真，分析动力电池实 际使用工况下s o c ，续驶里程，动力电池电流、电压及输出功率曲线，并对动 力电池输出功率和电流数据进行了规整评价。 ( 3 ) 根据电池热管理系统化研究方法，分析了热管理的研究对象，确定了 设计目标，获得了电池热模型的导热系数，比热容、对流系数等基本参数，计算 出了关于电流强度，的电池生热速率方程，设计了电池热管理系统的总体构架。 ( 4 ) 对电池热管理系统进行了仿真计算，结合仿真结果提出动力电池箱体、 动力电池和电池热管理在布置、设计方面的评价： 1 在外形设计上，动力电池箱体在冷却空气流动方向上不应该设计得过长， 且避免出现较大转角或直角的结构； 2 采用串行式通风方式冷却在空气流动方向上具有细长结构的电池箱体效 果不理想，致使后排电池模块散热效果不好，电池单体温度差异扩大； 3 受到散热风扇的影响，导致冷却空气串流，同宽度的流道并不能保证冷却 空气在电池单体间的流速相同； 4 薄片型动力电池给电池箱体的设计和布置带来了困难，并导致轿车空间利 武汉理工大学硕士学位论文 用率不足。 关键词：纯电动汽车，动力电池特性，电池系统散热分析，c f d 仿真计算 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 2 0 1 1i st h ef i r s ty e a ro fc h i n a s “t w e l f t hf i v e - y e a rp l a n ”i nt h ee l e c t r i cv e h i c l e a r e a ，t h em i n i s t r yo fs c i e n c eh a ss t u d i e dt h ee l e c t r i cv e h i c l e “t w e l f t hf i v e y e a rp l a n t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp l a n ，w h i c hh a st a k e nt h eb a t t e r ys a f e t y , c o n s i s t e n c ya n d d u r a b i l i t ya sak e yb r e a k t h r o u g h a st h ep o w e rs o u r c eo fe l e c t r i cv e h i c l e ，e s p e c i a l l yp u r ee l e c t r i cv e h i c l e ，t h e c o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fb a t t e r y m u s tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fe l e c t r i c v e h i c l ed r i v i n g ，s e c u r i t yp e r f o r m a n c e ；t h ed e s i g n i n go fb a t t e r yt h e r m a lm a n a g e m e n t s y s t e mh a sam a j o ri m p a c to nb a t t e r yt e m p e r a t u r e ，v o l t a g eb a l a n c i n g , b a t t e r ys y s t e m p e r f o r m a n c e ，a n dt h e nt h ep o w e rb a t t e r ys a f e t y , c o n s i s t e n c ya n dd u r a b i l i t y t h e r e f o r e ， i t sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ep o w e rb a t t e r yo fe va n di t sa p p l i c a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nw h i c hi ss u p p o r t e db yy y 5p u r ee vs a m p l ec a rp r o g r a mg i v e sa r e s e a r c ho np o w e rb a t t e r ya n dp r o p o s e st h ep o w e rb a t t e r yt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so f p u r ee vd r i v i n gc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp e r f o r m a n c eb yu s i n gt h em e t h o d so f e x p e r i m e n ta n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h sap o w e rb a t t e r yb o x t h e r m a lm a n a g e m e n ts i m u l a t i o nm o d e lw h i c hi s a n a l y z e dw i t h f l u e n ts o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t so ff l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l d ，e v a l u a t et h e b a t t e r yt h e r m a lm a n a g e m e n ts y s t e m t h em a i nw o r kc a n b es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec u r r e n t d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee vb a t t e r y ( s p e c i f i cc a p a c i t y e n e r g y , c h a r g ea n dd i s c h a r g er a t e ，c h a r g ea n dd i s c h a r g ev o l t a g e ， c u r r e n t ，t e m p e r a t u r er i s e ，e f f i c i e n c y , e t c ) i sa n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e r b a t t e r yd i s c h a r g e c h a r g er a t ea n dt e m p e r a t u r ea r et e s t e da n da n a l y z e d ( 2 ) b a s e do nt h es t a t i ct e s t ，t h i sd i s s e r t a t i o nb u i l d sy y 5p u r ee vs i m u l a t i o n m o d e la n dt h em o d e li nt h el o o ps i m u l a t i o nw i t ht h eg t - s u i t es o f t w a r ei nt h e c o n d i t i o no fc e r t a i no fc o n t r o ls t r a t e g ya n dd r i v i n gc y c l e t h ea c t u a ld r i v i n gc y c l e u s i n go fs o c ，d r i v i n gr a n g e ，c u r r e n t ，v o l t a g ea n do u t p u tp o w e rc u r v ea r ea n a l y z e d ， a n dt h eb a t t e r yo u t p u tp o w e ra n dc u r r e n td a t aa r ee v a l u a t e dt o o ( 3 ) a c c o d i n gt ot h eb a t t e r yt h e r m a lm a n a g e m e n to fs y s t e m a t i cr e s e a r c hm e t h o d s ， t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h et h e r m a lm a n a g e m e n tr e s e a r c ho b j e c tt od e t e r m i n et h e d e s i g ng o a l s ，a n dt h e ng a i n st h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h e r m a lc o n d u c t i v i t y , h e a t c a p a c i t y ,c o n v e c t i o nc o e f f i c i e n t b a t t e r yh e a tr a t ee q u a t i o na b o u t c u r r e n tii s c a l c u l a t e d t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fb a t t e r yt h e r m a lm a n a g e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e d i i i 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) t h eb a t t e r yt h e r m a lm a n a g e m e n ts y s t e mi ss i m u l a t e d a c c o r d i n gt o t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ，t h i sd i s s e r t a t i o ne v a l u a t e st h el a y o u ta n dd e s i g no ft h ep o w e rb a t t e r y b o x ，p o w e rb a t t e r ya n db a t t e r yt h e r m a lm a n a g e m e n t ： 1 i nt h ea s p e c to fp o w e rb a t t e r yb o xd e s i g n ，i ts h o u l dn o tb ed e s i g n e dt o ol o n gi n t h ed e r e c t i o no ft h ec o o l i n ga i r , a n da v o i d e dt h el a r g e rs t r u c t u r eo ft h ec o r n e ro fr i g h t a n # e 2 u s i n gt h ew a yo fs e r i a lv e n t i l a t i o nc o o l i n gs y s t e mw i t has l e n d e rs t r u c t u r ei s n o ts a t i s f a c t o r y , w h i c hr e s u l t st h ep o o rh e a td i s s i p a t i o no ft h er e a rb a u e r ym o d u l e ，a n d e x t e n d st h eb a t t e r yt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h em o n o m e l 3 t h ec o o l i n ga i rs t r e a m sb yt h ei m p a c to fc o o l i n gf a n ，c a u s i n gt h es a m ew i d t h o ft h ec h a n n e ld o e sn o tg u a r a n t e et h es a m es p e e do fc o o l i n ga i rb e t w e e nt h eb a t t e r y m o n o m e l 4 t h ep o w e rb a t t e r yb o xw i t hs h e e t - t y p eb a t t e r ym o n o m e ri sd i f f i c u l tt od e s i g n a n dl a y o u t ，a n dl e a dt ot h el o wc a rs p a c eu t i l i z a t i o nr a t e k e yw o r d s ：p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ，c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o w e rb a t t e r y , b a t t e r ys y s t e m t h e r m a la n a l y s i s ，c f ds i m u l a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要：i a j ) s t r a d i i i 目录v 第一章绪论。1 1 1 电动汽车发展历史和现状1 1 2 各国在电动汽车方面的政策2 1 2 1 美国政策2 1 2 2 欧盟政策3 1 2 3 日本政策3 1 2 4 我国在电动汽车方面的政策4 1 3 纯电动汽车4 1 3 1 纯电动汽车的主要特点5 1 3 2 纯电动汽车的核心技术5 1 4 几种常见的车载动力电池6 1 4 1 铅酸电池7 1 4 2 镍金属电池8 1 4 3 锂离子电池8 1 5 车载动力电池的应用9 1 5 1 动力电池性能的应用9 1 5 2 动力电池热管理1 0 1 6 本文的主要研究内容1 l 第二章锂离子动力电池特性研究及评价1 3 2 1 常用的车载动力电池性能指标1 3 2 1 1 电池容量1 3 2 1 2 电池充放电倍率1 3 2 1 3 电池荷电状态( s o c ) 1 4 2 1 4 充放电截止电压1 4 2 1 5 电池能量功率密度1 5 2 1 6 电池的循环寿命1 5 2 2 动力电池特性测试及分析1 6 2 2 1 动力电池放电倍率与其特性的关系1 6 v 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 动力电池温度与其特性的关系1 8 2 2 3 动力电池充电电流与其特性的关系2 l 2 3 本章小结2 3 第三章动力电池动态性能测试研究及评价。2 4 3 1 电动汽车动态工况测试循环研究2 4 3 1 1 美国电动汽车动态工况测试循环2 4 3 1 2 日本电动汽车动态工况测试循环2 6 3 1 3 欧洲电动汽车动态工况测试循环2 8 3 2 g 暑s u n e 软件基础介绍3 0 3 3 纯电动汽车仿真模型的建立3 3 3 3 1 建立纯电动汽车仿真模型3 3 3 3 2 纯电动汽车模型参数的设定3 s 3 3 3 纯电动汽车仿真结果及分析3 8 3 4 本章小结4 1 第四章动力电池热管理的基础理论及研究方法。4 2 4 1 确定研究对象和电池热管理系统的设计目标4 2 4 1 1 研究对象4 2 4 1 2 电池热管理系统的设计目标4 4 4 2 确定电池模型的基本参数4 5 4 2 1 导热4 5 4 2 2 对流4 7 4 2 3 比热容和电池生热速率4 7 4 3 电池热管理系统的总体构架设计4 9 4 3 1 传热介质的选择4 9 4 3 2 电池箱体结构设计s l 4 4 动力电池热管理研究方法介绍5 3 4 4 1 研究流体运动与传热的方法5 3 4 4 2 f l u e n t 软件基础介绍5 3 4 5 本章小结。5 5 第五章电池热管理系统仿真分析5 6 5 1 电池系统几何模型的建立及网格划分5 6 5 1 1 电池系统几何模型的建立5 6 5 1 2 电池系统网格的划分和边界条件类型5 7 5 2 选择计算模型5 8 v i 武汉理工大学硕士学位论文 5 2 1 流体区域的空气和电池模型5 8 5 2 2 湍流模型的选择5 9 5 3 材料属性和边界条件的设置 5 4 仿真结果及分析。6 2 5 4 1 速度场结果及分析 5 4 2 温度场结果及分析。6 5 5 4 3 电池热管理系统仿真结果的评价6 6 5 5 本章小结6 7 第六章结论与展望。6 8 6 1 全文总结。6 8 6 2 工作展望。6 9 致谢7 0 参考文献7 1 攻读硕士期间发表的论文7 5 v i i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电动汽车发展历史和现状 电动汽车诞生于一百多年前，1 8 5 9 年，法国人普兰特( p l n a e t ) 发明了蓄电 池，为电动汽车的发明打下基础，被国际确认的世界第一辆电动三轮车诞生于 1 8 8 1 年，由法国工程师特鲁夫( g u s t a v et r o u v e ) 发吲，见图1 1 。1 9 世纪下 半叶，电动汽车成为重要的交通工具，由此拉开了电动汽车在人类交通史上的序 幕。1 9 世纪末，法国和英国的街道上都行驶着电动大客车，当时生产的车用内 燃机技术还相当落后，行驶里程短，故障多，维修困难。 图1 1 世界第一辆电动三轮车 进入2 0 世纪以后，随着石油在世界各地被发现，内燃机技术的不断改进， 以及流水线生产方式的发明，使得以福特t 型车为代表的汽油机汽车在量产规 模、制作水平、价格竞争力上有一个质的飞跃，与之相对的电动汽车价格高，续 驶里程短等弱点被放大，导致竞争力下降。汽油机汽车也抓住这个机遇成功地取 代了电动汽车，成为那时人们的主要交通工具。 从电动汽车经历低谷至今，一百多年来，电动汽车在汽车发展史中又经历了 一次复苏和一次重大机遇。由于内燃机技术的优越性和消费石油带来的汽车价格 优势，电动汽车一直处于发展低潮，直到2 0 世纪7 0 年代石油危机的爆发，使得 世界各国不得不未雨绸缪，开始考虑替代石油的汽车新能源，包括电能。从政治 经济方面的考虑，欧美、日本等世界汽车强国制定了发展电动汽车相应的规划， 催生了电动汽车第二波发展浪潮。尽管如此，电动汽车的电池寿命、行驶里程、 安全性等问题仍然困扰着研发人员，人们普遍期待的电动汽车充电问题的技术并 没有得到新的突破。 武汉理工大学硕士学位论文 电动汽车的重大机遇始于2 0 世纪9 0 年代中期，进入2 1 世纪后开始爆发。 随着全世界石油被大量开采，能源危机越来越严重，各国已把石油问题当作国家 战略问题来进行考虑，同时，大量消耗石油所带来的环境问题也逐渐成为了各国， 各类人群所关心的重大课题，不少地区相应制定了较为严格的排放标准。因此， 开发替代石油的、零污染或低污染的交通工具成为各国追求的目标，而电动汽车 的无( 低) 污染优点，正迎合汽车发展的主要方向。 随着各汽车强国在电动汽车领域的研发竞争、合作的加强，丰田普锐斯、凯 美瑞混合动力，日产k a f ，雪佛兰v o l t ，宝马e 1 等新车型纷纷诞生。这些电动 汽车都采用最新的动力电池及其管理系统，高效率电动机，整车控制等技术，实 现了电动汽车整车性能的飞跃。 世界汽车强国日本在电动汽车产业仍占有优势，其混合动力技术日臻成熟， 而通用等美国公司则推出p l u g - i n ( 插入式混合动力) 与之进行对抗，已经量产 的丰田普锐斯、凯美瑞和通用的v o l t 就是成功应用混合动力和p l u g i n 技术的代 表。国内，至2 0 1 0 年底，我国电动汽车的保有量达到万辆水平。国家科技部8 6 3 计划节能与新能源汽车重大项目办公室副主任甄子健在2 0 0 9 中国汽车工程学会 年会上介绍，至2 0 1 5 年，预计我国纯电动汽车保有量将达2 6 6 万辆。如今，电 动汽车迎来新的春天。 1 2 各国在电动汽车方面的政策 根据上节介绍，全球电动汽车产业将在几年内达到一定规模，随着各汽车强 国在电动汽车领域的研发竞争、合作的加强，各汽车强国的电动汽车政策与战略 就显得尤其重要。本节将具体对美国、欧盟、日本及我国的电动汽车产业政策进 行阐述。 1 2 1 美国政策 1 9 9 3 年，克林顿政府制定了p n g v ( p a r t n e r s h i pf o rn e wg e n e r a t i o no f v e h i c c l e s ) 计划，该计划主要的经济指标为：提高燃料效率，降低排放污染物， 提高汽车用材可回收利用率及汽车轻量化；2 0 0 2 年，小布什政府提出f r e e d o m c a r ( 自由车计划) 计划，重点发展燃料电池电动汽车；2 0 0 8 年，奥巴马政府 提出“插电式混合动力电动汽车计划，拟出资1 4 1 亿美元支持插电式混合动力 汽车发展，计划到2 0 1 5 年要有1 0 0 万辆车上路。 由美国能源、电网、运输、汽车、通讯等领域企业巨头共同成立的美国电动 汽车联盟提出电动汽车发展目标和行动计划1 2 ，主要内容有： 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 到2 0 4 0 年，美国将拥有2 5 亿辆电动汽车，其中四分之三的轻型车需求 由电动汽车提供，届时美国轻型车耗油量将减少7 5 ，美国基本上摆脱进口石油 依赖； 2 争取到2 0 2 0 年，全美拥有电动汽车1 4 0 0 万辆，近四分之一的轻型车需 求由纯电动汽车或插入式混合动力汽车提供； 3 呼吁联邦政府拨款1 3 0 0 亿美元，资助电动汽车电池开发生产和传统汽车 厂商的转型；呼吁出台有吸引力的鼓励民众使用电动汽车和建设电动汽车基础设 施的税收激励或财务补助政策，先行在美国3 3 个重点城市展开，到2 0 1 3 年，全 美有7 5 万辆电动汽车上路，再到2 0 1 8 年全美初步形成良好的电动汽车生态系统。 1 2 2 欧盟政策 欧盟从2 0 0 0 年起开始推行意在摆脱化石燃料的新能源政策。2 0 0 9 年1 0 月， 欧盟正式公告欧盟道路交通电动化路线图。线路图首先规定欧盟电动汽车发 展三大“里程碑( 时点) i z j ： 第一里程碑，预定2 0 1 2 年前为引入阶段，对现有汽车进行调整和改装； 第二里程碑，2 0 1 2 2 0 1 6 年为过渡阶段，第二代电动汽车问世； 第三里程碑，预定2 0 1 6 2 0 2 0 年，为大规模生产阶段。 到2 0 2 0 年，混合动力汽车和纯电动汽车将在欧盟范围内得到广泛运行。作 为最关键部件的动力电池，其使用寿命和电量密度将是现在的3 倍，电池使用成 本只有现在的3 0 。形成电动汽车市场竞争力，电动汽车能靠自身实力吸引消费 者。基础设施完善，能为消费者提供自动、便捷、高效的充电服务。届时，整个 欧盟电动汽车保有量将达5 0 0 万左右。 1 2 3 日本政策 为了加快新能源汽车的发展，保持日本在世界汽车产业的领先地位，日本政 府近年来相应制定了许多项新能源计划。 2 0 0 6 年，日本公布了“新国家能源战略 ，提出了提高能源利用率和减少石 油依赖的长期目标及促进即将推广使用的电动汽车和燃料电池汽车的新能源创 新计划。2 0 0 7 年发布了“下一代汽车及燃料计划 ，该计划以提高动力电池和燃 料电池性能和寿命为重点。日本首相麻生太郎在2 0 0 9 年提出了“低碳革命 计 划，发展电动汽车是该计划的核心内容之一。该计划主要是对购买低排放、零排 放的汽车实行降低购置税和免购置税。2 0 0 9 年，日本环境省也设立了包括电动 汽车在内的“下一代汽车 普及目标【2 1 ，计划到2 0 2 0 年，“下一代汽车 数量达 3 武汉理工大学硕士学位论文 到1 3 5 0 万辆，到2 0 3 0 年达到2 6 3 0 万辆，到2 0 5 0 年增至3 4 4 0 万辆，相当于届 时日本全国汽车总量的5 4 。为完成这一目标，日本到2 0 2 0 年需开发出至少1 7 款纯电动汽车和3 8 款混合动力汽车。 1 2 4 我国在电动汽车方面的政策 回顾电动汽车在我国的发展，自“八五 开始开展电动汽车公关项目，“九 五科技部支持电动汽车包括动力电池，电动机相关的研发，在“十五 期间， 投入整个纯电动汽车及“8 6 3 ”支持的经费为8 8 亿人民币，在“十一五 期间， 我国投入电动汽车的支持经费为1 1 亿人民币，并带动当地政府和企业投资1 0 0 亿人民币。在关键零部件的支持力度上也达到了3 4 。同时国家4 部委：科技部、 财政部、发改委、工信部联合出台相应的政策，包括先后提出共2 5 个城市的电 动汽车大规模示范运行工程及关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知， 并制定了对各类电动汽车进行补贴的要求和额度。在动力电池方面，国家在“十 一五”期间启动了应用于混合动力和纯电动汽车的动力电池技术标准，提出了包 括镍氢电池、锂电池等动力电池的功率密度、能量密度、最大充放电倍率、安全 寿命、成本等的技术指标要求，并逐步完善动力电池相应的外形制作、测试程序 等标准。 2 0 1 1 年是我国“十二五 计划的第一年，在电动汽车方面，科技部已研究 制定了电动汽车“十二五科技发展专项规划，规划的总体目标是1 3 j ：全面掌握 电动汽车核心技术，培育自主创新开发能力，发挥市场资源优势，形成有较强竞 争力的电动汽车及关键零部件工业体系，并将重点开展7 个方面的工作： ( 1 ) 在技术上加大研发力度，重点突破电池的安全性、一致性、耐久性等， 重点开发市场适应强，性价比高的电动汽车产品； ( 2 ) 加大基础设施建设力度，例如充电网络建设； ( 3 ) 完善标准体系建设； ( 4 ) 扩大对示范产品的财政补贴力度，扩大电动汽车在公、私领域的规模； ( 5 ) 积极支持产业技术创新联盟的创立； ( 6 ) 加强技术研究中心、产业化几等等公共平台建设； ( 7 ) 加强与国际先进技术交流。 1 3 纯电动汽车 纯电动汽车，即是一种采用单一蓄电池作为储能动力源的汽车。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 纯电动汽车的主要特点 纯电动汽车相对于传统燃油汽车而言，主要差别在于4 个大部件：驱动电机， 控制器，动力电池和充电器，纯电动汽车的性能也与4 大部件的选用配置直接相 关。纯电动汽车时速快慢和启动速度取决于驱动电机的功率和性能，纯电动汽车 的驱动电机目前有直流有刷、无刷、永磁、电磁之分，再有交流步进电机等，另 外，驱动电机的调速控制也分有级调速和无级调速，有采用电子调速控制器和不 用调速控制器之分。电动机有轮毂电机、轮边电机、单电机、多电机和组合电机 驱动等；纯电动汽车续驶里程长短和安全性取决于动力电池容量和性能，动力电 池的重量通常会占到整车重量的五分之一到六分之一，其性能取决于选用何种动 力电池，如铅酸、镍氢、锂离子等，不同类型的动力电池其比功率，比能量，循 环寿命等特性亦不相同。电动汽车控制器通过c a n 总线获得电机和电池系统的 相关信息，进行分析和运算，通过c a n 总线给出电机控制和电池管理指令，实 现整车驱动控制、能量优化控制和制动回馈控制。充电器是采用高频电源技术， 运用先进的智能动态调整充电技术。一般充电机采用恒流、恒压、小恒流智能3 个阶段充电方式，充电机自身还具有反接、过载、短路、过热等多重保护功能及 延时启动，软启动、断电记忆自启动功能等，能实现科学的充电控制技术，全自 动充电机能在蓄电池充足后自动关机，确保蓄电池不过充，不欠充，延长蓄电池 寿命。 1 3 2 纯电动汽车的核心技术 发展电动汽车必须解决好4 个方面的关键技术：电池技术，电机驱动及其控 制技术，电动汽车整车技术和能量管理技术。 1 3 2 1 电池技术 电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动 汽车动力电池的主要性能指标是容量( a h ) 能量( w h ) ，电池的充放电倍率k ， 能量密度( w h k g ) ，功率密度( w k g ) ，循环寿命( l ) ，成本( c ) 等。电动汽 车在与传统燃油汽车相竞争中，只有开发出高比能量、比功率、使用寿命长、成 本低的高效电池，才能有立足之本。 1 3 2 2 电机驱动及其控制技术 电动机与驱动系统是电动汽车的关键部件，相当于传统燃油车的发动机及 e c u ，电动汽车应有良好的使用性能，驱动电机应具有调速范围宽、转速高、启 5 武汉理工大学硕士学位论文 动转矩大、体积小、质量轻、效率高且有能量回馈等特性。目前，电动汽车用电 动机主要有直流电动机( d c m ) ，感应电动机( i m ) ，永磁无刷电动机( p m b l m ) 和开关磁阻电动机等。 1 3 2 3 电动汽车整车技术 电动汽车是高科技综合型产品，除去核心零部件电池和电动机外，车体本身 也包含了许多高科技技术，通过改善整车技术同样能起到节能、提高电动汽车性 能的目的。采用轻质材料，如镁、铝合金、高强度钢及复合材料( 如：片状模塑 料s m c 、纤维毡增强热塑性材料g m t 、长纤维增强热塑性材料l f t 、天然纤维 增强热塑性材料n m t ) 等，另外，优化结构设计、集成化设计，改善加工工艺， 可以较好的减轻汽车自身重量。 1 3 2 4 能量管理技术 电能作为纯电动汽车能量的唯一来源，混合动力能量的部分来源，它的合理 分配与监管是使电动汽车具有良好工作性能的保证。 能量管理系统是电动汽车动力电池的智能核心，一辆高品质的电动汽车，除 了有良好的驱动性能、机械性能、安全性能外，还应有一套协调各个系统工作的 能量管理系统。它的作用是检测单个电池或电池模块的荷电状态，并根据各种传 感信息，包括加速、怠速、减速、蓄电池状况、环境温度等，合理地调配和使用 有限的车载能量；它能与汽车c a n 网络通讯，将整车能量信息显示在液晶屏上， 供驾驶员了解；它还能在充电时，根据电池组的荷电状况和充放电历史选择最佳 的充电方式，保护和延长动力电池寿命。 1 4 几种常见的车载动力电池 动力电池技术是电动汽车的核心技术之一，动力电池性能的好坏与发展电动 汽车的前景息息相关。回顾电动汽车百年历史，电动汽车在汽车发展史中前两次 机遇都没有得到发展，总结起来存在以下几点原因： 1 、续驶里程：大多数铅酸电池电动汽车一次充电只能行驶1 0 0 k i n ，锂离子 电池电动汽车接近2 0 0 k m ，不适合长途行驶，而传统汽油车辆最大行驶距离可超 过4 0 0 k m 。 2 、充电时间：电动汽车慢充充电时间长达6 8 h ，即使是采用“快速充电 到动力电池8 0 容量的方式，也需要o 5 h ，这样大大降低了汽车即充即用的实用 性能，而汽油车辆一次加油时间不过几分钟。 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 、电池成本：电池价格昂贵，目前动力锂电池的价格约在5 元瓦时，通过 计算，一辆1 5 k w 的电动轿车，动力电池成本约为1 0 万元，而且动力电池的循 环使用寿命在1 5 0 0 次左右，按照充电一次行驶1 5 0 k i n ，根据介统计【4 l ，北京平 均每辆汽车一年行驶是4 7 0 0 0 公里，这样计算得到电池的使用寿命不到5 年时间， 若使用不当寿命还会降低，按汽车1 0 年报废来算，中途需要更换一次动力电池。 4 、比容量或比能量：目前广泛使用的锂离子电池比容量在1 0 0 a h k g ，这只 是计算单体电池电芯的重量得来，若加上单体外包装、电极、电池箱体、导线、 电池管理系统等，根据实际经验，其实际比容量只有2 0 a h k g 左右。一辆单体电 池额定容量为6 0 a h ，总电压为3 8 0 v 的电动轿车，动力电池的重量为3 0 0 k g 左右， 给整车带来的额外负担是严重的，而且还占用了相当大的车辆空间，导致整车布 置困难。 从以上分析可以看出，动力电池技术是制约电动汽车发展的关键技术之一， 应该加大对动力电池及其与整车良好匹配的研究。当前研究开发的电动汽车动力 电池种类较多，广泛应用的动力电池有：铅酸电池、镍金属电池、锂离子电池等， 正处于开发研究的超级电容，以及具有发展远景的燃料电池和太阳能电池。 下面简单介绍目前广泛使用的几种动力电池： 1 4 1 铅酸电池 1 8 8 1 年特鲁夫( g u s t a v et r o u v e ) 制造出世界上第一辆电动三轮车时，使用 的是铅酸电池。铅酸电池技术成熟，可靠性好，原材料易得，目前仍有不少电动 汽车采用铅酸电池作为动力源。 铅酸电池内的阳极( p 0 0 2 ) 及阴极( p o ) 侵到电解液稀硫酸( h 2 s 0 4 ) 中， 两极间会产生2 v 的电压，这是根据铅酸电池的原理，活性物质在充电和放电时， 发生可逆的化学反应，阴阳极及电解液化学方程为： ( 阳极)( 阴极) 放电( 阳极) ( 阴极) p 0 0 2 + 2 h 2 s 0 4 + p o 二：= p b s 0 4 + 2 h 2 0 + p b s 0 4 充电 铅酸电池已有1 5 0 年的发展历史，由于其本身技术成熟，市场广泛，生产、 运行成本低，维修方面等，相对于其他高性能的新型电池，仍有较大的市场需求， 特别是用于电动汽车起步阶段或是小成本的微型电动汽车，其控制简单、起点低、 有利于开发单位控制成本、攻克其他核心技术、积累经验、拓展市场，为后期的 技术革新，产品升级提供保证。但由于铅酸电池本身受到比功率、比能量低，自 放电率高，循环寿命短，一次充电行程短等特性的局限，使其大多用于低端车型 7 武汉理工大学硕士学位论文 开发，这样就阻碍了铅酸电池的发展。 1 4 2 镍金属电池 镍金属电池运用比较多的是镍氢电池，它是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一种 新型绿色电池，其比能量在7 5 w h k g ，比功率在2 0 0 w k g 左右，极限循环寿命可 达1 5 0 0 次，有利于提高电动汽车的动力性能和延长续驶里程。 镍氢电池( n i m h ) 正极板材料为n i o o h ，负极板材料为氢合金，电解液 通常为3 0 的水溶性氢氧化钾( k o h ) ，以及氢氧化锂( l i o n ) 混合物，隔膜采 用多空维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。通常镍氢电池有圆柱形和方形两种类型。 镍氢电池的化