（车辆工程专业论文）纯电动汽车整车能量建模与仿真分析.pdf

摘要 纯电动汽车是由车载动力电池作为能量源的零排放汽车，其动力电池组储存 的电能将直接影响着电动汽车的续驶里程。如何合理的使用这些有限的电能量， 很大程度上决定了纯电动汽车的使用性能。文章首先从电化学的原理出发，建立 了锂离子动力电池的电动势和内阻基于电池荷电状态值s o c 的数学模型，并根据 实验所得的测试数据，确定了某锂离子电池的容量特性和电压特性。利用p e u k e r t 方程的变形式，用线性插值法计算出锂离子电池的p e u k e r t 常数值；利用最小 二乘法拟合了该动力电池的容量特性、电动势和内阻特性曲线；在5 0 a 的放电电 流下，数学模型的计算值与试验结果的最大相对误差为2 5 9 。然后引用较成熟 的三相异步交流电机的数学模型建立了纯电动汽车传动系中电机的能量特性模 型。利用该模型可计算出动态条件下电机定子相电流、相电压的变化。文章从传 统的汽车理论出发，结合锂离子动力电池和电机的数学模型，分析了纯电动汽车 整车的能量消耗途径和大小；基于欧洲e c e 循环驱动模式，建立了纯电动汽车的 功率消耗与电池的充放电电压、电流以及电机定子电压、电流之间的关系，并在 此基础上分析了纯电动汽车的续驶里程和制动能量的回收问题。最后还将数学模 型的计算值与实验数据进行对比，验证了数学模型的正确性。 关键词：纯电动汽车锂离子电池荷电状态值续驶里程p w m 控制 能量消耗 a b s t r a c t p u r ee l e c t r i ev e 毯e l e ( p e v ) w | l o s ee n e r g ys o u f c ei sp o w e rb a t t e f yl o 珏d e do at 董l e v e 垂l i e l ei sak i n do fz e l e f n i s s i o n 、，e 量l i c l e ( z e v ) 弧es c a l a ro fe l e c t f i c a le n e r g y d e p o s i t e di nt h eb a t t e r yp a c kd e c i d e st h ed r i v i n gr a n g eo fp e vd i r e c t l y h o wt ou s e t b el i m i t e de n e r g yr e a s o n a b l y 、v nd e t e r r n i n et 圭l ep e r f o r m a n c eo fp e v f i f s t | y ，诚t h 氆ep r 主蕺c 碴l eo fe k e t f o e h 鼬i s t r y ，t h em a 氇e m a t 童em o d e i s 稚耄h e e l e c t r o m o t i v ef o r c e 肌di n n e rr e s i s t a i l c eo ft h el i t h i u m i o nb a t t e r ya r eb u i l t ，w h i c hi s b a s e do nt h es t a t eo fc a p a c i t y ( s o c ) b a s e do nm ee x p e “m e n t 越d a t a ，t h e 魏毫r a e l e f i s 畦co t h e 强一i o 热b a t l e r ye a p a e 洒嚣n dv o l a g e 羽d e 蠡n e 表惑l e 驻氆ee o 鬏或a 珏t o fp e u k e ne q u a t i o ni sc a l c u l a t e df r o mt h el n e a ri n t e r p 0 1 a t i o n s i m u l t a n e i t yt h e c h a r a c t e r i s t i cc u r 、，e so ft h eb a t t e r yc a p a c i t y ，e l e c t r o m o t i v ef o r c ea n di 衄e rr e s i s t 鼢c e a 羚曩载e 硅w 攮l e a s t - s 唾珏a 瓣瓢t 蠢em 8 x i 黼a 重。f e l a t ee 渤fb e t w 珏氇ee 8 l c 聃l 舔e d v a l u e s o mt h em o d e l sa n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t ai s2 5 9 u n d e r5 0 ad i s c h a r g e c u l l 旧n t s e c o n d l y ，c o m b i 越dw i mt h e 搬p 鲑a t i v e l y 菇p ea cm o t 。r 黻a t h e m a t i cm o d e l ， t ke n e r g ye h 甜a c t e r i s t i cm o 捌o f m o t o r 抛o n gt h ed r i v e l i n eo f p 毯vi sb u i h ，龇nt h e c h a l l g e so fm o t o rs t a t o rc n ta n dv o l t a g eu n d e rd i f r c r e mw o r k i n gc o n d i t i o nc a nb e c 越c u l a t e d w l t ht h em a 也e m a t i c sm o d e l so f m el i t 嫩u 溅i o nb a 蛀e r y 黼da cm o t o r ，t h e a p p r o a c h 拍dm a g n i t u d eo fe 秘e r g ye o n s u m 。o f 氇ew h o l ev e h i c i ea r e 髓越y z e d 獬d c f t h ec o n v e n t i o n a lt h e o r yo fa u t o m o b i l ei nt h i sp a p e lj nt l l es a m et i l n e ，t h er e l a t i o n b e t w e e nt h ee n e r g yc o n s u 瑚噼姐dt h ec h a 穆ea l l dd i s c h 8 r g ev o l t a g ea n dc u 玎e n to f 如e a 专| e f y ，豁w e | | 基s 氇a 重b o l w e e n 氆e e 端yc o 珏s 疆n ea 矬d 巍ev o | t a g e8 | l dc h r r e n o f 氇e m o t o rs t a t o ra mm a d ec l e a ro nt h eb a s i so fe c ed r i v em o d e f u r t h e m l o r et h er a n g eo f t h ep e va n dt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n ga r ea n a l y z e d a tl a s ，攮u g 囊t h 。e o 融芦i s o no f 撼ee 畦e 疆鑫把纛v 越u e 至b 擞馕e 氆。曲l 蛾穗氇e e x p e r i m e n t a ld a t a ，虹l e s em o d e l sa r ep r a c t i c a l k e y w o 撇s ： p u f ee l 蟋e 憾i e l e 王j 浊i 啪一i 潍b a 圭t e 翠s t 鑫姆o f c 警毫d 锣 r a n g e p u 王s ew i d t hm o 洲a t i o nc o n t r o l e n e f g yc o n s 啪e 珏 第一章电动汽车及其相关技术 1 1 电动汽车概述 世界上第一台电动车诞生于1 8 3 4 年，它是由苏格兰人德文博特( t h o m a s d a v e n p o r t ) 发明的，比1 8 8 6 年诞生的第一台内燃机汽车还要早半个世纪。第一 台可反复充电的电动汽车是由法国人乔伍( m g u s t a v et b u v e ) 发明的。 1 1 1 电动汽车的发展历程 从电动汽车的发展历程来看，到目前为止，共经历了三次发展浪潮。 第一次浪潮。1 8 8 5 1 9 1 5 年进入电动车发展的早期黄金时代。早期电动车的 商业生产在1 9 1 2 年达到高峰，当时美国就有3 0 0 多家企业生产电动汽车，如b a k e r 公司。1 8 9 9 年美国生产电动汽车共1 5 7 5 辆，而此时内燃机汽车生产只有9 3 6 辆， 同年电动汽车还以1 0 6 h 曲的速度打破了当时汽车最高车速的世界记录。随后， 由于电池技术的限制，电动汽车续驶里程短、充电时间长、使用不方便的难题在 当时的技术条件下，始终无法得到很好的解决。而在这段时间里，内燃机技术却 发展非常迅猛，再加上1 9 世纪末2 0 世纪初发现了大量的油田，使得内燃机汽车 所需的能源有了保障。因此，在上世纪3 0 年代末早期电动汽车的商业生产就进入 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。 第二次浪潮。直到上世纪7 0 年代，两次石油危机和中东战争以及地球的生态 环境的不断恶化，使得节能和环保成为汽车发展的两大主题。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。电子喷射发动机和催化转换器，以及美 国c o m u t a 公司1 9 7 8 年再次投放市场的二人座c o m u t a 电动汽车，正是这个时代 的产物。 第三次浪潮。自上世纪9 0 年代初美国加利福尼亚州立法强制推行零废气排放 政策以来，世界上很快又兴起一场电动汽车的研究开发热湖，所涉及的领域包括 车辆、机械、电子、新材料、加工、能源等各个方面，内容十分广泛。世界发达 国家及国外著名汽车公司都十分重视电动汽车的研究和开发，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 车公司一一通用、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 ，即u n i t e ds t a t e s a d v a l l c e db a t t e r yc o n s o r t i 啪) ，提供巨资着重开发与电 1 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 ) 。欧洲主要发达国家以及日本也都有相应的机构协调电动汽车及电池的发 展。 1 1 2 世界电动汽车的发展水平 目前美国和日本的电动车研究处于世界的领先水平2 1 。表1 2 列出了欧美和 世界著名汽车制造厂投产的电动汽车技术性能。 美国福特汽车公司和通用电气公司联合开发了e t x ie v 、e t x i i e v 。戴姆 勒克莱斯勒公司开发的“新电力车四代”续驶里程达到4 5 0 k i n 。1 9 9 0 年通用公 司批量生产所推出的i m p a c t 电动汽车选用2 7 个1 2 v 、4 2 5 a h 的铅酸电池，比能 量为3 4 4 w h ，k g ，总质量为3 9 5 k g ；驱动电机为交流感应式电机，效率达9 0 9 4 ，在6 6 0 0 “m i n 时发出的功率为4 1 7 k w ，电机的最大扭矩为6 5 n m ，最高转 速可达1 2 0 0 0 r m i n ，无变速器、传动轴和差速器，控制电路是m o s f e t 。采用复 合材料车身和轻铝合金构件，使整车的整备质量降到9 9 8 k g ( 电池为3 9 5 k g ，其余 部分为6 0 3 k g ) ，满载质量为1 1 0 0 蚝，风阻系数为0 1 9 ，低弹滞橡胶、薄胎面的高 气压子午线轮胎使滚动阻力系数仅为o 0 0 4 8 ，最高车速1 2 0 k n 汕，一次充电的最 大续驶里程1 9 6 k m ，加速性能为8 s ( o 9 6 6 k m 1 1 ) ，对于2 2 0 v 和1 1 0 v 的电池充 电时间方分别为2 3 h 和8 1 0 h 。 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【3 日本丰田公司生产的凡w 4 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 i i l h 。尼桑汽车公司1 9 9 8 年在日本和美国销售的 a l t r a - e v 采用尼桑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 ，i l 。三菱公司在1 9 9 9 年底展出的f t 0 e v 上，装备了新开发大容量、 高输出的锂离子电池和大功率、高效率的永磁同步电动机。东京电力公司研制的 i z a 电动汽车采用2 4 个1 2 v 、1 0 0 a h 的镍镉电池，比能量5 4 2 w h k g ，总质量为 5 3 l 蚝。选用4 个2 5 k w 的稀土永磁无刷电机，最大扭矩4 2 5 n m ，四个电机直接 装在4 个驱动轮的内部，轮毂直接贴在转子上。车身采用碳纤维复合材料并大量 使用轻铝、镁合金构件，整车的整备质量1 5 7 3 k g ，满载质量为1 9 7 3 k g ，低滚动阻 力轮胎使滚动阻力系数仅为o 0 0 6 ，最高车速1 7 6 k “h ，一次充电的最大续驶里程 5 4 8 k m ，加速性能为3 4 7 s ( o 4 0 k m 1 1 ) ，每次充电时间小于8 h 。 表1 2欧美和世界著名汽车制造厂家已投产的电动车的技术性能 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l 亿多元，为国家发展电动汽车奠定了基础，并在广东 汕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 环保总局等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，是中国汽 车实现跨越式发展的一次机会【4 】。相信中国的电动汽车也会同世界电动汽车一道， 在不远的将来有一个较大的发展。 1 2 纯电动汽车的特点 电动汽车是指全部或部分以车载电池为动力源、符合道路交通安全法规各项 要求的新型汽车，包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车三种 类型。 1 2 1 纯电动汽车的优点 l 、纯电动汽车最大的优点是无排放污染( 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f 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，且已有了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 石油资源日见枯竭的担心。 3 、电动汽车还可以充分利用晚问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。 有研究表明，同样的原油经过粗炼后，送至电厂发电，充入电池，再由电池 驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经内燃机驱动汽车高。 1 2 2 纯电动汽车驱动方案 纯电动汽车的基本驱动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 、机械驱动差速半轴方案 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，布置示意图见图1 1 。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、和半轴等传动部件，其优点是有 4 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。 图1 1 差速半轴驱动方案示意图 2 、机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、操纵烦琐的齿轮变速箱，只采 用部分传动齿轮，保留差速器和半轴，从而使得动力传动系统得到了简化，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，见图1 2 。 图1 2 电动轮驱动示意图 1 3 纯电动汽车相关部件的发展现状 1 3 1 动力电池 电动汽车的动力源为各种二次电池，它是电动汽车发展的首要关键因素，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【4 】。现在普遍运用 于电动汽车的动力电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子和锂聚合物电 池( 见表1 - 3 ) 。铅酸电池的技术成熟，成本低，所以目前仍然有很多电动汽车采 用它，缺点是铅酸电池的能量密度和比能量较低。镍镉电池由于含有污染环境和 对人体有致命危害的镉元素，所以已禁止在电动汽车上使用。镍氢电池的比能量 比铅酸电池多一倍，其它性能也都优于铅酸电池，但目前价格为铅酸电池的4 5 倍。锂是最轻、化学特性十分活泼的金属，而且锂资源较丰富，是很有希望的电 动汽车用动力电池。锂离子电池的比能量、比功率和使用寿命都很好，但成本较 高，其次是锂离子电池在使用过程中的安全性问题仍然是备受关注的焦点洲6 1 ( 7 l 。 我国在镍氢电池和锂离子电池的产业化开发方面均得到了快速的发展。雷天绿色 电动源( 深圳) 有限公司开发的锂离子动力电池已批量化生产。 表1 3 世界各国常用电动车蓄电池的主要性能指标i j l 比能量 能量密度 充电时闻循环寿命比功窜参考价格 叶b l l 。 砷h l iha o d o dw k r ld 0 铅酸电池 ，lb 0b i6 7 d 07 5i 铅布电池5 q9 22 9 d o2 2 s1 ， 镍镉电池 4 db 04 - bb o dl0 0 7 懔氢电池 7 0l5 04 一b1 0 0l5 0io 埋离子电他 lo ai6 02 5j2 d3 0 02 0 1 3 2 电机及其控制技术 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。电机的种类多、 用途广、功率覆盖面非常大。车辆行驶的路面工况较复杂，所咀作为电动汽车用 的电动机的功率必须要适应这种复杂工况的要求。 1 3 2 1 电动汽车用的电动机的基本要求 从日本汽车公司开发的电动汽车的研究和实践得知，采用大功率的电动机来 驱动电动汽车与采用小功率的电动机相比，具有电阻小、效率高、比能耗低、动 力性能好等优点。在确定电动汽车所采用的电动机时，其性能必须充分满足电动 汽车不同行驶工况的要求瞪】。因此其性能要求有： l 、要有较大的起动转矩来保证电动汽车的良好的起动和加速性能： 2 、要有较宽的恒功率范围，保证电动汽车具有高速行驶的能力，电动机的过 载系数应达到2 3 倍： 6 3 、要有较大范围的调速功能，在低速时具有较大的转矩，在高速时具有高功 率，能够根据驾驶员对加速踏板的控制，随即地调整电动汽车的行驶速度和相应 的驱动力： 4 、电动机的外形尺寸要求尽可能小，质量尽可能轻； 5 、电动机的可靠性好，耐温和耐潮性能强，能够在较恶劣的环境下长期工作， 运行时噪音低，维修方便。 1 3 2 2 电动汽车用电动机的控制方法 三相交流感应电动机是应用最广泛的电动机，其定子和转子采用层叠、压紧 的硅钢片组成，两端采用铝盖封装，在定子和转子之间没有互相接触的部件，结 构简单，运行可靠，经久耐用。三相交流感应电动机的功率容量覆盖面很宽广 最高转速可达1 2 0 0 0 1 5 0 0 0 r m i n 。可采用空气冷却或液体冷却方式，对环境的适 应性好，并且能够实现制动能量的再生反馈。因此在电动车上得到普遍的应用。 但三相交流感应电动机也存在自身的缺点： 1 、转子容易发热，在高速运转时需保证对三相交流感应电动机的冷却； 2 、功率因数低，因此需要采用大容量的变频变压装置； 由于上述的缺陷，使得三相交流感应电动机的控制系统的造价远远高于其本 身，增加了电动汽车的成本。 由于三相交流感应电动机不能直接使用蓄电池供给的直流电，另外三相交流 感应电动机具有非线性输出特性，因此，在采用三相交流感应电动机的电动汽车 上，需要应用逆变器，将直流电变换成频率和幅值都可以调节的交流电来实现对 三相交流感应电动机的控制。目前主要有v f 控制法、转差频率控制法、p w m 控 制法和矢量控制法等【9 】f l m 。 电动汽车其它相关技术，近年也都有较大的进步，如：整车能量管理系统、 智能快速充电技术、低阻力轮胎、轻量和低风阻车身、制动能量回收等等，这些 技术的进步为电动汽车日渐完善和走向实用化奠定了基础f 1 1 】f 1 2 1 。 1 4 我国发展电动汽车的重要意义 1 、实现交通能源的多元化，维护国家的能源安全 我国从1 9 9 4 年开始成为石油的纯进口国，2 0 0 0 年我国进口石油7 0 0 0 万吨， 成品油3 0 0 0 万吨，据国际石油组织( i e a ) 和中国能源研究所预测，到2 0 1 0 年 我国的石油产量为1 7 亿吨，需进口石油1 _ 3 亿吨。而到2 0 5 0 年石油需求量为5 o 7 亿吨，需进口石油4 0 亿吨，石油产量减到1 亿吨，可见我国的石油资源将会在 不久的将来枯竭。进口石油数量的激增需要我们认真考虑在交通方面的能源结构 多样化，以维护我国的能源安全。 2 、降低汽车的排放污染，促进社会的可持续发展 据联合国调查，世界上污染最严重的1 0 个城市中，有7 个在中国。近几年来 随着国民发经济的发展和汽车保有量的持续快速增长，现在我们城市的大气污染 已经非常严重了，如果我们将来继续延用目前的传统内燃机技术发展汽车，将会 对我国城市的大气造成更为严重的污染后果。 3 、增强我国汽车工业的自身竞争力 电动汽车作为信息技术、电子技术、新能源、新材料、先进制造技术等现代 高科技的综合集成，是典型的高科技产品。汽车工业具有很强的关联带动性，电 动汽车的产业化不仅是高新技术的典范而且是用高新技术改造传统产业，用信 息化带动工业化的突破口。业内专家普遍认为，发展电动汽车是一项复杂的系统 工程，需要官、产、学、研协调配合，大力协同，应尽快建立开放、竞争、规范 的运行机制和管理体制，调动社会各方面力量，共同推进电动汽车的产业化。 1 5 研究的内容、目的和方法 如果电动车要获得与普通车辆相近的牵引特性，当然就要供给驱动车轮相近 的能量，采用动力电池提供驱动能量，也称之为“功率源”。“功率源”需要外界 能源进行“预充电”或“周期充电”，因此最重要的一点并且也是人们普遍关心的 且需要进一步解释的是电动汽车的使用性能，包括动力性和经济性问题。 我们知道，纯电动汽车是由车载电源作为驱动汽车的动力源，一次充电后的 电能贮存量是有限的，如何合理使用这些有限的能量，最大限度的延长电动汽车 的续驶里程，应该是电动汽车的研发前期必须考虑的。 建模与仿真研究有助于对复杂传动系统的开发，也是评价设计是否达到预定 目标的一种方法，在产品试制阶段是一种基本的和必要的工具。本文就是基于传 统的汽车理论分析的基础上，结合电动汽车的动力电池及电机的数学模型，从汽 车的整体上分析能量的消耗过程和消耗量，并做了对比试验，为电动汽车设计初 期提供理论上的依据。 第二章纯电动汽车驱动系统中动力电池的数学模型 2 1 化学电源概述 2 1 1 化学电源的分类 化学电源的分类方法很多，习惯上按其工作性质及存贮方式不同，一般分为 四类： a 、一次电池。又称“原电池”，即放电后不能用充电的方法使其复原的电池。 换言之，这种电池只能用一次，放完电后只能被遗弃。这类电池不能再充电的原 因，或是电池的电化学反应不可逆，或是条件限制使可逆反应很难进行。如： 锌锰干电池z n 眦h 4 c 卜z n c l 2 i m n 0 2 锌汞电池z n l k o 叫h g o 锌银电池 z n l k o h l a 9 2 0 b 、二次电池。又称“蓄电池”，电池放电后又可用充电的方法使活性物质复 原而再次放电，且可反复多次循环使用的一类电池。这类电池实际上是一个化学 能量贮存装置，用直流电把电池充足，这时电能以化学能的形式贮存在电池中， 放电时化学能转化为电能。目前这类电池在电动汽车上应用最广泛。如： 铅酸电池p b i h 2 s 0 4 i p b 0 2 镍镉电池c d i k o h l n i o o h 镍氢电池h 2 l k o h 附i 0 0 h 锂离子电池l i 。c 0 0 2 ( “m n 2 0 4 ) 1 l i p f 6 l l i 。c 6 c 、贮备电池。又称“激活电池”，是指正负极活性物质和电解质在贮存期不 直接接触，使用前临时注入电解液或用其他方法使电池激活的一类电池。这类电 池的正负极活性物质的化学变质或自放电，由于电解液的隔离而基本上被排除， 从而使电池长时间贮存。如： 镁银电池 m g l m g c l 2 i a g c l 铅高氯酸电池 p b i h c l 0 4 i p b 0 2 钙热电池c a 陋c l - k c l l c a c m 4 ( n i ) d 、燃料电池。又称“连续电池”，即只要活性物质连续地注入电池，就能长 期不断地进行放电的一类电池。它的特点是电池自身只是一个载体，可以把燃料 电池看成一种需要电能时将反应物从外部送入电池的一次电池。如：氢氧燃料。 氢氧燃料电池按电解质划分，大致分为五类：碱性燃料电池( a f c ) 、磷酸型 燃料电池( p a f c ) 、固体燃料电池( s o f c ) 、熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 和质 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 em e m b r a n ef u e lc e l l ) 。其中p e m f c 具有热效率高、功率密度高、反应温度低、起动快的优点，是将来最有希望的电 动汽车用动力源13 1 。 2 1 2 电池的性能参数 化学电池品种繁多，性能各异。常以表征其性能的指标有：电性能、机械性 能、储存性能等，有时还包括使用性能和经济成本。这里主要介绍其电性能和储 存性能。电性能包括电动势、开路电压、工作电压、内阻、充电电压、电容量、 比能量( 比功率) 和使用寿命等。贮存性能主要取决于电池的自放电大小。 1 、电动势 电池的电动势，又称电池的标准电压或理论电压，为电池断路时正负两极间 的电位差。 2 、开路电压 电池的开路电压是无负荷情况下的电池电压。开路电压不等于电池的电动势， 且总小于电动势。 3 、电池的内阻 电池的内阻包括：正负极板电阻、电解液电阻、隔离物电阻和连接体电阻等。 单个电池所呈现的内阻，就是上述电阻的总和；电池组的内阻，就是单个电池的 电阻再乘上所串联的电池只数。电池的内阻，在放电的过程中会逐渐增加，而在 充电过程中则会逐渐减小。所以，在电池充放电过程中，端电压会因其内阻的变 化而变化。端电压在放电时低于电池的电动势，充电时又高于电池的电动势。 4 、充电电压 电池的充电电压，仅对二次电池充电而言，为充电时该二次电池的端电压。 在恒流充电时，充电电压随时间的延长而逐渐增高；在恒压充电时，充电电流随 充电时间的延长而很快减小。图2 1 表示电池充放电特性曲线。对于某些电池， 为了保证电池能充足电，并保护电池不过充或抑制气体析出，规定了充电的终止 电池。 表征电池放电时电压特性的专业术语有以下几个： a 、额定电压( 或称公称电压) ，系指该电化学体系的电池工作时公认的标准 电压： b 、工作电压，系指电池在某负载下实际的放电电压，通常是指一个电压范围 c 、中点电压，系指电池放电期间的平均电压或中心电压； d 、终止电压，系指放电终止时的电压值，视负载和使用要求不同而异。 ，吐一。 ll 掘 + 楚邕电压 ) i i 陀i 、b ， 弋 。 辽一 ” _ _ 一 _ u | 1 1 卜 j 教电电漉 +i 。 州瓣t 蛔呻 图2 1典型的锂离子动力电池充放电特性图 5 、电池容量及其影响因素 电池的电容量，简称为容量，单位为库仑( c ) 或安时( a h ) 。表征电池容量 特性的专用术语有以下三个： a 、理论容量 理论容量系指根据参加电化学反应的活性物质电化学当量数计算得到的电 量。通常，理论上1 电化当量物质( 1 电化当量物质的量，等于活性物质的原子 量或分子量除以反应物的电子数) 将放出1 法拉第电量，即9 6 5 0 0 c 或2 6 8 a h 。 b 、实际容量 实际容量系指在一定的放电条件下， 终止电压前所能放出的电量。 c 、额定容量 额定容量系指在设计和生产电池时， 该放出的最低限度的电量。 即在一定的放电电流和温度下，电池在 规定或保证在指定的放电条件下电池应 电池的容量与电池的放电倍率、放电形式、放电终止电压和放电温度等放电 条件有关。 电池的放电电流强度用放电倍率( 简称放电率) 来表示。定义： 放电倍率= 雩墓粼 也就是说，电池的放电倍率用放电时间来表示，或者说以一定的放电电流放 口3鼍缸30p 前船 舵 o t 玑乳乱o 0 由d c)t曰_霉日掣 完额定容量的电量所需的小时数来衡量。例如：某电池的额定容量为1 0 0 a h ，若 用5 0 a 的恒流放电，则放完1 0 0 a h 的电量需要2 小时，我们说用2 小时率放电， 用符号“c 2 ”或“0 5 c ”表示。若用l 小时率的恒流放电，放完1 0 0 a h 的电量， 其放电电流为1 0 0 a ，用符号“1 c ”表示。所以放电倍率所表示的放电时间越短， 即放电倍率就越高，放电电流越大。 6 、比能量和比功率 电池的输出能量是指在一定的放电条件下电池所能做出的电功，它等于电池 的放电容量和电池平均工作电压的乘积，其单位常用瓦时( w h ) 表示。 电池的比能量有两种表示方法。一种是质量比能量，用瓦时，千克( w l l k g ) 表示；另一种是体积比能量，用瓦时升( w 1 1 l ) 表示。它是比较电池性能优劣 的重要指标。必须指出，单体电池和电池组的比能量是不一样的，由于电池组合 时总要有连接片、外部容器等，故电池组的比能量总是小于单体电池的比能量。 电池的功率是指在一定的放电条件下，电池在单位时间内所放出的能量。其 单位常用瓦( w ) 或千瓦( k w ) 表示。 电池的单位质量或单位体积的功率称为电池的比功率，它的单位是瓦千克 ( w ，k g ) 或瓦升( w l ) 。如果一个电池的比功率较大，则表示在单位时间内，单 位质量或单位体积中放出的能量较多，即表示该电池能用较大的电流放电。因此， 电池的比功率也是评价电池性能优劣的重要指标之一。 7 、贮存性能和自放电性能 电池在贮存一定时间后，其实际容量将会自行降低，这种现象称为自放电。 所谓“贮存性能”，是指电池开路时，在定的条件下( 如温度、湿度等) 贮存一 定时间后的自放电的大小。电池自放电的大小一般用单位时间内容量减少的百分 比来表示。 2 2 锂离子动力电池 动力电池一般是指具有较高的额定容量和输出功率，可作为电动车辆、电动 工具等驱动电源的电池。从动力电池的发展历史来看，使用较多是铅酸电池，它 大致经历了开口型铅酸电池、阀控式铅酸电池、密封免维护式铅酸电池、胶体电 解质铅酸电池等阶段。其优点是造价较低、性能稳定；缺点是比能量和比功率较 低，且铅元素对人体有害。 锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌 入化合物组成，正极一般采用锂化合物l i 。c 0 0 2 、l i x n i 0 2 或l i m n 2 0 4 ，负极采用 1 2 锂一碳层间化合物l i 。c 6 ，电解质为l i p f 6 和l i a s f 6 等有机溶液，经l i 十在正负电 极问的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和放电过程。在充电时l i + 正极脱嵌经过 电解质嵌入负极，负极处于富锂状态，正极处于贫锂状态，放电时刚好相反【l ”。 与传统的化学电源体系相比，它具有以下优点【1 4 】： l 、比能量高。锂离子电池的比能量可达到2 0 0 w 1 1 k 叠和3 0 0 w 1 1 l ，约为传统 锌锰、铅酸和镍镉电池的6 倍； 2 、工作温度范围宽。可在一2 0 。c + 7 5 。c 环境温度下工作； 3 、贮存性能好。锂一次电池通常可贮存5 1 0 年，锂二次电池的自放电一般 小于15 ( 一年) ，约为常规铅酸、镍镉电池的l 1 0 ； 4 、电压高( 一般为3 o 伏以上) 且放电电压平稳； 5 、自放电小、循环使用寿命长； 6 、无记忆效应。 目前，作为一种应用趋势，锂离子动力电池越来越多地在电动汽车上得到应 用。我国锂离子动力电池在电动汽车上的应用已列入国家高技术研究发展计划 ( “8 6 3 ”计划) 和国家“十五”计划。 2 3 锂离子电池的数学模型 铅酸电池的能量模型已比较成熟，在许多文献中都有描述i l5 1 。锂离子电池建 模的基础是如何确定锂离子电池的电动势、内阻的特性函数。这些特性函数的确 定是基于电池荷电状态值s o c ( s t a t eo f c 印a c 时) 变化关系的结果上得到的。 2 3 1锂离子电池的荷电状态值 电池的可用容量不仅与温度有关，还受负载电流以及持续放电时间的影响。 一般来说，放电电流越大，极化越严重，工作电压下降越多；放电深度越深，工 作电压也下降得多【l ”。由此，我们可以得出锂离子动力电池的两个基本特性： 1 、电池的容量与放电电流有关，放电电流越大，则在该电流下所能放出的有 效容量就越少，这种特性简称容量特性( 见图2 4 ) 。 2 、电池的工作电压与放电的深度有关，放电电流及放电深度越大，电池的工 作电压下降得越多，这种特性我们简称为电压特性【”j 。 电池能量模型建立的基础是电池的等效电路刚1 8 】，见图2 2 。 电池的容量特性将直接影响电动汽车的有效续驶里程，而它的电压特性则直 接影响电动汽车的动力性，两者相互关联，相互影响，构成了电池的放电特性。 一臣! 卜沪+ ，。l - ( 图2 2 电池等效电路图 图2 3 是国内某电池生产企业生产的一种锂离子动力电池( 额定容量为 1 0 0 a h ) 在不同的放电倍率下的放电特性图。从图中可以看出，该电池在0 1 c 、 0 3 c 、0 5 c 、1 c 和1 5 c 的放电电流下，对应的电池容量分别为1 0 4 a h 、1 0 2 a h 、 1 0 0 a h 、9 8 a h 、9 0 a h 。根据这些数据，利用曲线拟合的方法，得到图2 4 的容量 特性图。 l o 譬塞蜂采一k - o 麓斟 鼍l m 一l 兰 1 i 口 争 贮 铂 、 | i 曩定电流( ) 图2 3 在不同放电倍率一f 的放电特性图图2 4 电池容量特性图 下面我们根据电池的这两个特性来建立满足计算要求的数学模型。 电池的可用容量不仅与环境温度有关而且还与负载电流以及放电时间有关， 即可用容量q 是温度f 、负载电流和持续放电时间的函数，当负载电流= ，( f ) 为单调、非减函数时，可用容量q 的计算如下： q ( j 。，f ，f ) = 烈f ，f 。) 一【f 弦 ( 2 3 1 ) 式中 i i 口o 表示电池的已用电量，即电池从t = o 到t 时刻的输出电量； q ( f ，屯) 表示电池的额定容量，为温度f 、负载电流的函数。 电池容量随负载电流变化的关系早在2 0 世纪初就由p e l l k e r t 提出来了，其理 论模型就是著名的p e u k e n 方程式，也称之为电池容量衰减方程1 1 8 】： 0 = ”f ( 2 3 2 ) 式中x 。电池的放电容量： 1 4 ，蓄电池放电时j 可； 以p e u k e r t 常数，对于不同的电池取值不同。 p e u k e r t 方程还可表示为： q ( 3 q l 刊 ( 2 3 3 ) 式中 l 蓄电池的额定放电电流( 通常取值为1 c 或o 2 c ) ； 卢由p e u k e n 方程确定的常数，= 一一1 ； 在给定的时间区间o f f ，内，当电流j 。是常数时，电池可用容量q 可用上 式直接计算。对于其他情况，函数t = ，( f ) 采用阶梯函数近似，所采用的数值计 算方法如下： m ) 西：艺“ ( 2 3 4 ) 当r = 附f 时2 包( f 。，r ) = q ( j 。) 一“ ( 2 3 5 ) 温度对电池容量的影响： q ( j 。，f ，f ) = c ( f ) q ( f ，) 一f ( f ( 2 3 6 ) 式中的c ( f ) 我们定义为温度对电池额定容量的影响系数。 “) 2 鬲蠢习 ( 2 3 7 ) 式中口表示温度对电池容量的影响系数，一般取口= o o l 一。 整理式( 2 3 - 3 ) 并同时乘以电池在负载电流为f 时的端电压均值，得： 警：阿 亿s 固 q ul lj 、 上式左边是两个电功率之商，分子表示电流厶时从电池得到得电功率， 分母表示以额定电流加载时得到的电功率，现把这个定义为电池的可利用系数： 叩= 譬甜9 亿s q ul 厶j 、7 由此式可看出，当、龃锄舞脚犀嚣脚 、 堰 佃 窨 碧 忸】 时间，s 图4 1 0 电池在e c e 循环中的电流的变化曲线 能量分析结果： 加速阶段的电池放电量 4 4 6 9 7 l ( j 减速阶段的电池充电量 1 2 8 1 7 k j 匀速行驶的电池放电量 2 1 4 1 4 l ( j 电池净增加的电量 一5 5 2 9 4 k j 一个循环后的电池荷电状态值s o c o 9 9 2 7 从图4 8 中电机功率曲线得知，在整个e c e 循环的加速阶段出现的最大消耗 功率为1 9 6 8 4 k w ，此时的加速度为0 7 9 m 2 ，s ，为整个循环中的最大加速度。对应 电池的电流值为6 9 4 9 a ，实际测量的电池电流为6 3 6 0 a 。减速阶段最大的负功率 为1 6 7 3 5 k w ，此时对应的减速度为0 9 7 m 2 ，s ，为整个循环中的最大减速度。从模 拟计算的电机功率可以看出，2 2 k w 的电机基本上满足该电动汽车巡航速度的要 求。 误差引起的原因分析： l 、在测试过程中，由于试验条件和试验手段的限制，很难达到e c e 驱动循 环的要求。 2 、在模拟计算中参数的取值，给我们带来一些误差。 3 、从理论上建立了电池模型和电机模型，但在实际的仿真过程中，为了计算 4 r 的方便，做出了一些假设和取舍。 试验结果对比 出 唧 8 鬻日岛景臀8 导；霉；警粤零 g 甘白甚鲁鲁鲁 图4 ，1 1o 1 0 0 k i i l ，h 的换档加速曲线 z y， i - ! 。、“h h 、 。，； j l 鼍 嗨l p r _ 二m 。； 18 ：暑i l l 10s9 鼍曼：竺l 基i l 羞21 自3 兰l l ! 星基l ! i ! 图4 1 20 1 0 0 k m m 的换档加速过程中电池的电压的变化 晤g非帅5西帖 目立煳讣 q 礴甚8 臂色n 屏甚品嚣8日b 营 uh；吕昌8 + 8曰* b旨高h e口q僻8mh葛吕 品品鲁 u q 矗d o8 霸gn 墨+ b8日托& 88 r 8 n h k 日品品8辞f8 8，自 nh-r吕8 m r 8u q t r g口qnr吕n h ：d 口 角口f 崮 ng吕8 日吕m h 目自 晶目目目g 自 b 日茸n 5 b 蜒 御 、 出 删 a 。l a _ 一 ? 一澄 ： 。 i 。 ”、 _。 、 一 -_ ，、 p “- d 0 。_ ：i 图4 ，1 30 1 0 0 k m m 的换档加速过程中电池的电流的变化 f i ：椭 辫攀! ； 瓢j ；群嘲 工：一 ：f 矿k ：l 鬻 r 。 + j ， i r _ jl 讪 ： ! b 1 l 唾一 ：! i l l l8 ；l ! 驰l9 ；l8 1 2 l 驰2 l8 l l l l l l 鲤鳃l l 驰g l l 驰驰鲤2 l l iii0 f “a “qa “a “* “* “dd i kk 图4 1 4 按照e