（车辆工程专业论文）燃料电池轿车锂离子动力电池管理系统研究.pdf

熙瞧志s 鬟 m 济大学博上学位论文 摘要 能源和环境问题对汽车工业提出了新的挑战，引起了人们对新能源汽车的研 究和开发的重视，本文分析了新能源汽车中电动汽车的现状，从能量转换角度分 析了其共性问题辅助能源( 主要是蓄电池) 存在的必要性以及辅助能源的现 状和发展前景。在电动汽车中，“电电混合的燃料电池汽车对动力电池的设计 和管理提出了特殊的要求，需要从整车动力系统设计和控制角度对其进行分析， 并进一步提出对其管理系统的功能要求，本文基于“超越二号 燃料电池轿车动 力系统拓扑结构，详细研究了其辅助动力源锂离子动力电池，在各种工况下进 行了大量的电池性能的实验，形成了较完整的实验方法和数据处理方法，并根据 测试结果总结出了锂离子动力电池的静态经验模型和动态电路模型，并将其静态 经验模型应用于动力系统的设计需求分析，而动态模型用于管理系统的算法设 计，并给出了实现管理系统的软件和硬件方法，最终完成了一套完整的用于混合 动力汽车的锂离子动力电池管理系统的解决方案。 锂离子电池十分复杂，从不同的角度考查可以得到不同的特性，不可能用一 个模型完整描述其全部性质，从整车动力系统角度看，最重要的是系统的设计和 控制，从设计角度，更看重电池的静态特性，因此测试和建模的重点在其静态特 性；从系统控制角度，更看重电池的动态特型，因此测试和建模的重点在其动态 特性。 动力系统的优化设计需建立在各动力部件模型的基础上，本文首先对蓄电池 进行系统全面的测试，总结了一套测试方法和数据处理方法，并得出了电池容量、 内阻的经验模型，在m a l t l a b s i m u l i n k 中进行了仿真。然后分析了“超越二号一 的拓扑结构以及蓄电池设计的约束条件，给出了选型的要求和设计流程，在此基 础上，建立了电机、燃料电池发动的模型，结合通过综合测试完成的蓄电池模型， 进行了整车动力系统仿真，验证了蓄电池系统的设计。 锂离子动力电池的动态响应主要从其“电流激励电压响应 出发，以一个 简单而且物理意义明确的动态电路模型描述了锂离子动力电池的电特性，并通过 实验确定了其成立的条件以及测试数据处理的方法。 熙熊点s 霎 同济大学博上学位论文 在动态模型确定之后，最重要的问题即是其参数的辨识和状态的估计，基于 对混合动力汽车中电池管理系统输入和输出物理量的分析，提出了线性模型中参 数辨识和状态估计方法，并根据混合动力汽车的具体应用条件提出了基于“电流 时间窗口”的s o c 校准方法。 在前面所述蓄电池管理方法的基础上，提出并实现了其解决方案，软件方 面首先实现了基于算法的快速原型，然后自动生成了在m o t o r o l ah c l 2 上的代 码，调试阶段采用h i l 方法，大大缩短了调试周期。硬件方面在c a n 总线的基 础上提出了两级分层模块化设计，大大减少了系统的线束，提高了可靠性，并且 便于更换和维修。电池模块管理中实现了单电池电压浮地测量，并增加电压基准 进行校准，使得电压测量比较准确，从而为单电池保护、s o c 估计，甚至寿命 估计提供了基本信息。并在模块中采用了高放低充的均衡电路，提高了均衡的速 度和效率，大大减小了电池的不一致带来的困难。 关键词：燃料电池汽车锂离子动力电池蓄电池管理系统电池模型荷电状态 参数辨识 熙瞧志萋 同济大学博上学位论文 a bs t r a c t e n e r g ya n de n v i r o n m e n tp r o b l e m sc h a l l e n g et h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yg r e a t l y , a n d b r i n go nt h er e s e a r c ho fc l e a ne n e r g yv e h i c l ea l lo v e rt h ew o r l d t h i sa r t i c l ea n a l y z e s t h ee n e r g yc o n v e r s i o ni nn e we n e r g yv e h i c l ea n db r i n g sf o r w a r dt h ec o m m o n p r o b l e m s - - t h ea s s i s t a n te n e r g yi nt h ec l e a ne n e r g yv e h i c l e ，i n t r o d u c e st h eg e n e r f l r e s e a r c hs i t u a t i o no fc l e a ne n e r g yv e h i c l e s e s p e c i a l l yt h ed e s i g na n dm a n a g e m e n to f p o w e rb a t t e r i e si nf c v ( f u e lc e l lv e h i c l e ) b a s e do nt h ep o w e r t r a i na r c h i t e c t u r eo f f u e lc e l lv e h i c l e “s t a r t - 2 ”，i j - i o np o w e rb a t t e r i e sa r et e s t e d ，t h r o u g hd a t ap r o c e s s i n g a n da n a l y z i n g ，s t a t i ca n dd y n a m i cb a t t e r ym o d e l sa r ea b s t r a c t e d b a s e do nt h eb a t t e r y s t a t i cm o d e l ，t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t si m p o s e do np o w e rb a t t e r ya n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nb a t t e r ya n do t h e rp o w e r t r a i ne l e m e n t sa r ea n a l y z e d b a s e do nd y n a m i c c i r c u i tm o d e l ，t h eb a a e r ym a n a g e m e n ta l g o r i t h ma l ed e s i g n e d ，c o m b i n e dw i t h r e a l i z a t i o nm e t h o d ，at o t a ls o l u t i o no fl i - i o np o w e rb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mf o r h e va r ep r e s e n t e d t h eo p t i m i z a t i o no ft h ew h o l ep o w e r t r a i ns y s t e mi sb a s e do nt h ep r e c i s em o d e l s o fa l le l e m e n t si ni t ，t h r o u g he l a b o r a t et e s t so fl i i o nb a t t e r y , t h et e s tp r o c e d u r ei ss e t u p ，a n dd a t ap r o c e s s i n gp r o c e d u r ei se s t a b l i s h e d , t h e nc a p a d t y ，i m p e d a n c ea n d v o l t a g em o d e l sa l es u m m a r i z e d ，t h e ns i m u l a t e di nm a t l a b s i m u l i n k a f t e rt h a t ，t h e a r c h i t e c t u r eo ff c v “s t a r t - 2 ”i sp r e s e n t e d , a n dt h ec o n s t r a i n so fb a t t e r yd e s i g na r e a n a l y z e d , a n dd e s i g np r o c e d u r ei ss u m m a r i z e d f u r t h e rm o r e ，t h em o d e l so fe l e c t r i c m o t o r , d c d cc o n v e r t e r , f u e lc e l le n g i n e ，c o m b i n e dw i t hb a t t e r ym o d e l ，a l es i m u l a t e d t o g e t h e rt ov e r i f yt h ed e s i g np r o c e s so fp o w e rb a t t e r y t h ed y n a m i cm o d e lo ft h eb a t t e r yi s m a i n l yf r o mt h ea n a l y s i so fv o l t a g e r e s p o n s eo fc o n s t a n tc u r r e n tp u l s ed i s c h a r g e ，as i m p l eb u tp h y s i c a l l yc l e a re l e c t r i c c i r c u i tm o d e li sp r e s e n t e d , a n dt e s t sa r ec a r r i e do u tt od e f i n et h es c o p eo fi t s v a l i d a t i o n a f t e rs e t t i n gu pt h es t r u c t u r eo ft h ed y n a m i cm o d e l ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i z a t i o n o ft h eb a t t e r yi sa n a l y z e db a s e do ni n p u t sa n do u t p u t so fb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m i nh e v , a n dm e t h o d so fo n - l i n ep a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o na r ea d v a n c e d ，“c u r r e n t - t i m e w i n d o w m e t h o do fs e ee s t i m a t i o ni sp u tf o r w a r d f o rh a r d w a r er e a l i z a t i o no fb m s ，ac a nb a s e dt w os t a g ea r c h i t e c t u r ei s p r e s e n t e d ，f u n c t i o n a l i t yo fl e c ua n dc e c u a r ed e f i n e d ，f o rl c u ，an e wm e t h o do f b a t t e r ye q u a l i z a t i o ni sr e a l i z e d ，e q u a l i z a t i o ne f f i c i e n c ya n ds p e e d a r ee n h a n c e d w i t h f l o a t i n gt e c h n o l o g yh i 曲a c c u r a c yo fs i n g l ec e l lv o l t a g em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi s o b t a i n e d ，f o rc e c ud e v e l o p m e n t ，a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p to f “v - c y c l e e c u d e v e l o p m e n tm o d e ，m o t o r o l ah c l 2b a s e d “v - c y c l e d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y p l a t f o r ma r ec o n s t r u c t e d ，a n dc a nd r i v e ri sa d d e dt oe m b e d d e dt a r g e tf o rm o t o r o l a h c l 2 ，a u t oc o d eg e n e r a t i o n ，h a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o na n dc a l i b r a t i o nb yc c p a r er e a l i z e d k e y w o r d s ：f u e lc e l lv e h i c l e ，l i - i o np o w e rb a t t e r y , b a t t e r ym a n a g e m e n t s y s t e m ，b a t t e r ym o d e lis o c ，p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n f = ) 湃六学 t o n g j lu n i v e r s i t y 同济大学博士学位论文 图目录 图1 - 1t h e v e n i n 模型2 3 图1 2 电池非线性电路模型2 3 图1 3电池管理系统的地位2 9 图1 4 电池管理系统的功能3 0 图2 1e + r 模型3 2 图2 2 不同倍率电流放电容量曲线3 4 图2 3 不同放电倍率下的放电过程比较3 4 图2 4 不同温度下放电容量比率比较3 6 图2 5 不同温度下的放电过程比较3 7 图2 6 直流内阻与放电电流一维曲线图3 9 图2 7 直流内阻和电流与放电时间的关系3 9 图2 8 直流内阻和温度的关系4 0 图2 9 不同时间电池内阻与s o c 关系。4 1 图2 1 0s o c o c v 关系。4 2 图2 1 1电池开路电压和时间关系。4 3 图2 1 2 不同循环次数下的放电容量比率比较“4 4 图2 1 3 锂离子蓄电池整体模型结构4 4 图3 - 1f c h v “超越二号 动力系统结构方案4 6 图3 2 辅助动力设计模式。4 8 图3 3 燃料电池汽车动力系统拓扑结4 8 图3 4 可用能量与荷电状态的关系。5 0 图3 - 5 电池组各电压量之间关系5 3 图3 - 6 燃料电池汽车用d c d c 原理图6 0 图3 7 电机转矩闭环模型6 1 图3 8 设定车速和实际车速随时间变化历程6 2 图3 9 动力蓄电池s o c 随时间变化历程6 3 图3 1 0 动力蓄电池电流时间历程6 3 图3 1 1d c d c 输出电流时间历程6 3 图3 1 2 动力总线电压时间历程6 4 熙臆点s 篓 同济大学博士学位论文 图3 1 3 各部件电流之间关系6 4 图3 1 4 燃料电池轿车动力总成系统s i m u l i n k 仿真模型6 5 图4 - l 锂离子电池工作原理6 7 图4 - 2s a f tr c 模型7 1 图4 3 动力锂离子电池电路模型7 2 图4 - 4 单体电池恒流充放电特征曲线7 2 图4 - 5 电池组恒流脉冲放电电压响应曲线。7 3 图4 6 基于试验修正的电池电路模型7 5 图4 _ 7 单r c 环节电路模型仿真与试验结果比较7 5 图4 8 双r c 环节电路模型仿真与试验结果比较7 5 图4 92 0 安培辨识数据拟合其他电流工况7 7 图5 1 电池管理系统一次量与二次量之间的关系图8 0 图5 2 锂离子动力电池参数辨识模型8 3 图5 3 锂离子电池s o c o c v 关系图8 5 图5 - 4 容量估计算法8 6 图5 5 电池组恒流脉冲放电电压响应曲线8 7 图5 6 试验流程中加载的电流波形9 2 图5 7 试验中的电压响应9 3 图5 8 电压响应仿真与试验结果比较9 3 图5 9 电压总响应减去零状态响应后的零输入响应9 4 图5 10s o c 算法流程简图：9 5 图5 - 1 1s o c 算法仿真电流加载波形9 5 图孓12s o c 仿真计算结果：。9 5 图6 1 1 蓄电池管理系统拓扑结构9 9 图每2e c u 传统开发流程山：1 0 1 图6 - 3v - m o d e 开发流程1 0 2 图6 - 4 电池管理系统电源控制方案1 1 0 图6 - 5 电池管理系统d c d c 电源1 1 1 图6 6 电阻均衡方式示意图1 1 2 图6 - 7 电容均衡方式( 1 ) 示意图一1 1 2 f = ) 胯云学 t o n g j iu n i v e r s n y 同济大学博士学位论文 图6 8 电容均衡方式( 2 ) 示意图1 1 2 图6 - 9 电感均衡方式( 1 ) 示意图。1 1 3 图6 1 0 电感均衡方式( 2 ) 示意图1 1 3 图6 1 1 电感均衡方式( 3 ) 示意图1 1 3 图6 1 2 均衡电路原理示意图1 1 5 图6 - 1 3 ：均衡电路电源保护1 1 6 图6 1 4 单体电池电压测量基本电路原理图1 1 7 图6 - 1 5 单体电池电压测量改进电路原理图1 1 8 图6 1 6 新型高精度单体电池电压测量电路1 2 0 图6 1 7 电压霍尔测量；1 2 1 图6 1 8 时基电路d s l 3 0 2 应用原理图。1 2 2 熙脆患s i 学t y 同济大学博士学位论文 表目录： 表1 1 常见车用蓄电池的性能比较1 9 表1 2 ：u s a b c 制定的蓄电池发展中长期目标2 0 表1 3 - p n g v 提出的蓄电池目标2 1 表2 - 1 不同大小放电电流对应的放电容量( 安时a h ) 3 3 表2 2n o 1 电池p e u k e r t 方程验算结果3 5 表2 3n o 1 4 电池p e u k e r t 方程验算结果3 5 表2 - 4 不同温度下电池放电容量比较( 安时a h ) 3 6 表2 51 1 号电池不同电流下的直流内阻( m o ) 3 8 表2 6 不同温度下电池第一秒内阻与电流关系：4 0 表2 7 不同循环次数下电池的容量变化4 3 表4 1 电池修正模型的参数值7 4 表4 2 不同电流下参数表7 6 表禾3 ：不同s o c 下参数表_ ，7 7 表4 4 充放电实验对比。7 8 表5 - 1 ：s o c o ( v 对应关系8 3 表5 2 计算值与理论值的比较9 6 表6 - 1 ：传统开发流程和v - m o d e 开发流程的比较。1 0 3 表6 2 几种均衡方式的比较1 1 4 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：秀惫耄短 纠r 年；月弓) 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年月日 学位论文作者签名：媲舌镬 川年5 月弓) 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士学位论文“燃料电渔堑奎锂离王动力电迪筐堡 丕统硒宜 。除论文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不 包含任何它人创作的、已公开发表或没有公开发表的作品的内容。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：魏学哲 魏喜踅 2 0 0 5 年1 月2 0 日 熙g 湃j iu n 。v 么e r s i 学t y 同济大学博上学位论文 - - l 刖舌 近二十多年来，可持续发展的概念深入人心。能源和环境是可持续发展的 核心问题，对我国而言，解决这两个问题尤其显得迫切而重要，而这两个问题恰 与汽车工业息息相关。由于化石能源的短缺和燃油汽车难以最终解决的环境污染 问题，汽车工业重新将目光投回到电动汽车上。根据电动汽车电力能量来源的不 同，大致可以分成纯电动汽车( b e v ) 、混合动力电动汽车( 髓v ) 和燃料电池 汽车( f ( = v ) ，其中，燃料电池汽车被普遍认为是可以同时解决能源与排放问题 的绿色环保汽车，是今后汽车发展的主要方向，同时也为汽车工业带来了技术上 跨越的可能。基于上述背景，我国也积极开展了燃料电池汽车的研究与开发工作， 国家“8 6 3 计划的“十五规划特别设立了电动汽车的科研作为重大攻关专项， 这正是本论文的课题来源和背景。 由于目前燃料电池发动机仍存在输出特性较软、输出响应较慢等缺点，因 此在以燃料电池发动机为主动力的电动汽车动力系统设计上，国内外大多选用辅 助动力源提供燃料电池汽车运行时所需的短时功率，同时用以吸收制动时回馈的 能量。辅助动力源必须满足整车动力性和经济性的需要，因此就要从整车能量调 度和功率平衡层面上对辅助动力源的设计提出要求，同时需要一套管理系统来对 其进行管理以保证辅助动力源和整车安全、可靠、经济地运行。 本文基于“超越二号一燃料电池轿车，详细研究了其辅助动力源埋离 子动力电池，首先对各种工况进行了大量的电池性能的测试，并形成了较完整的 测试方法和数据处理方法，进而根据测试结果总结出了锂离子动力电池的动态和 静态模型。其静态模型将应用于动力系统的设计需求分析，而在动态模型则用于 模型的内阻、容量等重要参数的辨识和s o c 估算方法的实现。为实现锂离子电 池的管理系统，在硬件方案中提出并实现了高放低充的电池均衡和单电池浮地采 样方法、电池组电压高精度采样方法。软件方案中则实现了基于模型的快速原型、 代码的自动生成以及硬件在回路( h l l ) 测试，从而最终形成了用于混合动力汽车 的高功率锂离子电池其管理系统开发的一整套解决方案。 t f = ) o n g 湃j iu n i v 六e r s 学i t y 同济大学博上学位论文 第一章f c v 中辅助动力源及其管理系统的现状及发展 1 1 本课题来源和背景 化石能源的短缺和燃油汽车无法最终解决的环境污染问题对汽车工业提出 了前所未有的挑战。而近二十年中电机及其控制技术、蓄电池技术，特别是燃料 电池技术的突破性进展使得汽车工业重新将目光投回到电动汽车上，从动力系统 方案上来区分，电动汽车主要有纯电动、混合动力和燃料电池三种类型【2 钔。 从能量转换角度考察，燃料电池汽车的动力系统与传统内燃机汽车的动力系 统有本质的差别，传统汽车的动力系统以内燃机( i c e ) 为核心，内燃机既是进 行燃料能量转化的装置，同时也是汽车行驶的原动驱动机构。由内燃机本身的特 性所决定，内燃机上输出的动力，需经过离合器和变速箱机构后再传递到驱动轮， 才能满足汽车行驶的性能要求，为了得到较好的动力性、经济性和操纵方便性， 往往需要配备复杂的变速机构及相应的控制系统。 燃料电池汽车是指以燃料电池系统为主要能量提供装置的电动汽车，在大多 数燃料电池汽车方案中，燃料电池与二次电池或超级电容一起构成了“电电混 合的燃料电池汽车能源系统。从能量转化角度看，其原理可简述为：由燃料电 池系统将化学能转化为电能，再由电机将电能转化为机械能驱动车辆行驶，当车 辆制动或下坡时，电机重新将机械能转化为电能存储在二次电池或超级电容中。 从上述燃料电池汽车能量转化的过程可知，燃料电池汽车涉及三种能量：化 学能、电能、机械能，三种能量间进行了两次转化，因此，燃料电池汽车的动力 系统的核心将围绕这两次能量转化展开。 一个能量转化的核心是燃料电池发动机构成的能量供给系统，燃料电池发动 机替代传统汽车上的内燃机的部分功能完成了将燃料的化学能转化为电能的过 程，该能量转化过程在燃料电池中是不可逆的： 另一能量转化的核心是由电机完成的机电能量转换，这也是所有电动汽车的 共同特征。电机是电动汽车行驶的原动机，根据电机机电能量可逆的特点可知， 在特定的工况下，电机可以将汽车的动能逆变为电能，这是电动汽车的重要特点 1 4 熙瞧点s 鬈 同济大学博士学位论文 之一。由于电机的机械特性非常适合驱动汽车，因此电动汽车上一般不再有变速 箱等机构，在集中驱动的汽车中，只有与电机集成在一起的单级固定变比的机械 减速箱，而轮边驱动的电机甚至抛开了减速箱。此外，由于电机的可控性远优于 内燃机，电机可以非常容易地启动和停止，因此电动汽车中也不再需要离合器和 怠速控制。这使得电动汽车动力系统的结构简化，同时更易实现转矩和速度的精 确控制。 与纯电动汽车和混合动力汽车相比，燃料电池汽车具有优越的性能和远大的 前景。众所周知，纯电动汽车的续驶里程大多比较短，而且纯电动汽车的充电时 间非常长，电池的寿命也不够长，难以和目前的内燃机汽车相媲美。而以较小功 率内燃机和电机混合的混合动力汽车具有明显降低燃油消耗和减少污染排放的 优点，现阶段来看是一种很有实用性和推广性的解决方案，但因为不能彻底解决 石油资源的短缺、汽车的尾气污染以及内燃机固有的低效性等问题，所以能它只 能是一种过渡方案。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。其能源获取从短期看， 含氢的化学燃料、小有机分子和无机材料都可作为燃料，从长期和更大范围来看， 氢能构成了人类所需能量从太阳能到电能，从电能到氢能，再从氢能到电能这样 一个循环。该循环将地球上能源供给的来源直接依托于太阳，以氢作为中间能量 载体，将不会面临像石油、煤炭、天然气等不可再生能源的枯竭问题。另一方面， 当以纯氢为燃料时，它能达到真正意义的“零排放( 单就燃料电池电动汽车本 身的运行过程而言时) ；当以车载甲醇燃料重整器制氢时，其尾气排放也完全可 以达到美国加州制定的超低排放标准。 对于中国而言，电动汽车技术尤其具有重大意义，一方面，中国的石油储量 并不丰富，随着工业的迅猛发展，近年来石油进口量已经接近其总消耗量的二分 之一，而且这个比例还在逐年提高，已经成为仅次于美国的第二大石油进口国。 中国的c 0 2 的排放也仅次于美国，居世界第二位，环境污染问题已经成为制约 中国发展的瓶颈。另一方面，作为国民经济的支柱产业，中国的汽车工业水平与 国外相差甚远，想迎头赶上并不容易，相对而言，电动汽车，尤其是燃料电池汽 车的发展在国际上也才刚刚起步，对中国而言，实属难得的机遇，如何利用技术 创新带来的后发优势，是中国汽车工业需要认真考虑的问题。 熙脆杰s 鬟 同济大学博仁学位论文 1 2 f c v 中辅助动力源的选择 由于目前车用燃料电池发动机仍存在比功率低，启动速度慢等缺点，而且 需要回收电机回馈制动的能量，因此目前在燃料电池汽车动力系统中，大多采用 蓄电池或超级电容等辅助动力源与燃料电池发动机配合的“电电混合 的动力 系统方案，其中辅助动力源和燃料电池的配合使用上，存在诸多的技术方案。在 蓄电池的选用上，目前主流是镍氢电池和锂离子电池。就电池性能而言，锂离子 电池具有比能量高、自放电小、循环寿命长、无记忆效应和对环境污染小等特点， 锂离子动力电池的迅速发展引起了世界各国的极大兴趣，日本、美国、加拿大、 法国、德国等都已在电动车用锂离子电池的开发方面取得了很大进展。 1 2 1 车用电池的现状 在电池1 0 0 多年的发展历史中，涌现了多种多样的电池种类，这其中适合于 车用的并不多，主要有以下几种： 铅酸电池 铅酸蓄电池已有100 多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动电源。它也 是成熟的电动汽车蓄电池，具有可靠性好、原材料易得、价格便宜等突出优点； 比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求，因此铅酸电池电动汽车广泛应用 于叉车、场地车、观光车等。 铅酸电池虽然是目前最常见的一种车用蓄电池，但它有三大缺点；一是比能 量低，导致在车上使用时所占的质量和体积太大，且一次充电行续驶里程较短； 二是使用寿命短，导致使用成本提高；三是重金属铅和硫酸等对环境污染比较严 重。因此铅酸电池电动汽车的应用受到了很大的制约【强删。 镍镉电池 镍镉电池是一种碱性电池，广泛用于各种电子设备，目前它应用的广泛程 度仅次于铅酸蓄电池，其比能量可达5 5 w h k g ，比功率超过1 9 0 w k g ，可快 速充电，循环使用寿命较长，是铅酸蓄电池的两倍多，可达到2 0 0 0 多次，但价 格为铅酸蓄电池的4 5 倍。对于镍镉电池必须作到安全使用和回收，否则其重 1 6 熙臆点s 鬈 同济大学博上学位论文 金属镉会对环境造成严重污染。由于环保型高性能电池的出现，镍镉电池在电动 汽车上的使用已受到了很大的制约【3 3 ，3 4 1 。 镍氢蓄电池 镍氢蓄电池的出现是电池行业的一次技术上的重大突破，2 0 世纪6 0 年代末， 荷兰p h i l i p s 试验室和美国的b r o o k h a v e n 试验室先后发现i _ a n i 5 和m 9 2 n i 等合金 可逆吸放氢的性能。进一步研究发现，此类储氢金属材料在吸放氢过程中伴有热 效应、机械效应、电化学效应、磁性变化、催化作用等，从而使这类合金逐渐发 展成一类新的功能材料。将l a n i 5 型储氢合金作为二次电池负极材料的研究始于 1 9 7 3 年。1 9 8 4 年研究解决了l a n i 5 合金在充放电过程中容量衰减迅速的问题， 从而实现了利用储氢合金作为负极材料制造n i m h 电池的可能。随后，我国及 美、日均竞相研究开发储氢合金材料和n i m h 电池。美国在1 9 8 7 年建成试生产 线，日本的公司也相继在1 9 8 9 年前后进行了试生产。我国在国家“8 6 3 ”计划的支 持下，几家单位联合攻关，利用国产的原材料和自己开发的工业体系，已研制出 n i m h 动力电池，并已进入产业化进程。 镍氢蓄电池和镍镉蓄电池一样，也属于碱性电池，其特性和镍镉蓄电池相似， 但与至今尚在广泛使用的镍镉蓄电池相比，镍氢蓄电池具有以下显著优点：( 1 ) 能量密度高，同尺度电池，容量是镍镉蓄电池的1 5 - - 2 倍；( 2 ) 无镉污染，所 以镍氢蓄电池又被称为绿色电池；( 3 ) 可大电流快速充放电。( 4 ) 电池的工作电 压也为1 2 v ，与n i c a 电池有互换性。 由于以上特点，n i m h 电池首先在小型便携电子器件中获得了广泛应用， 已占有较大的市场份额。并在电动工具、电动车辆和混合动力车上也正在逐步得 到应用。日本丰田的混合动力车p r i u s 中采用的就是n i m h 电池，该车已开始批 量生产并上市f 4 7 】。 锂离子电池 锂离子电池是电池行业继镍氢电池之后的又一次技术上的重大突破，锂是 金属中最轻的的元素，且标准电极电位为3 0 4 5 v ，是金属元素中电位最负的一 个元素。 最先提出锂电池研究计划的目的是发展高比能量的锂蓄电池。然而当时选 择的高电位正极活性物质，诸如c u f 2 、n i f 2 和a g c l 等无机物在有机电解液中 熙熊态熏 同济大学博十学位论文 发生溶解，无法构成有长储存寿命和长循环寿命的实用化电池体系。1 9 7 0 年前 后，随着对嵌入化合物的研究，发现锂离子可在t i s 2 和m o s 2 等嵌入化合物的 晶格中嵌入或脱嵌。利用这一原理制备了l f f t i s 2 蓄电池，加拿大推出了圆柱形 l i m o s 2 蓄电池。该电池曾于1 9 8 8 年前后投入了规模生产及应用。但由于锂在 充放电过程中形成树枝状沉积，导致电池内部短路，可能引起安全事故i 弭蹶5 9 1 。 1 9 9 0 年，索尼公司采用可以使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替金属锂、采 用可以脱嵌和可逆嵌入锂离子的高电位氧化钴锂以及能与正负极相容的 l i p f 6 e c + d e c 电解质后，终于研制出新一代实用化的新型锂离子蓄电池。由于 锂离子在正、负极中有相对固定的空间和位置，因此电池充放电反应的可逆性很 好。从而保证了电池的长循环寿命和工作的安全性( 无树枝状锂形成，避免了内 部短路) 。 锂离子电池的充放电反应可表示为： 正极反应l i c 0 0 2 - - 椭f i - i - - c 0 0 2 + e 负极反应 l f + + p + c 6 , , - t 轴k - l i c 6 电池反应l i c 0 0 2 + c 6 * - t 椭c - - c 0 0 2 + 觚 上述反应是以氧化钴锂作为锂离子电池正极而言的，除此之外还有氧化锰锂 作为锂离子蓄电池的正极。采用氧化锰锂作为正极活性物质的锂离子电池，在同 尺寸条件下的容量低于采用氧化钴锂作为正极活性物质的锂离子电池。这是因为 氧化锰锂的比容量仅为1 1 0 m a h g ，低于氧化钴锂的比容量( 1 4 0 m a h g ) 。由于 氧化锰锂材料的成本低于氧化钴锂，同时，电池过充时该材料的最终反应产物为 稳定的入m n 0 2 ，不会有安全问题出现，因此，电池制造商都渴望推广氧化锰锂 正极材料。目前“超越二号 燃料电池汽车中使用的就是由氧化锰锂作为正极材 料的锂离子蓄电池。 与目前广泛使用的铅酸电池和镍氢电池相比，锂离子电池具有以下优点： 1 ) 工作电压高达单节3 6 - - 4 2 v ，相当于3 节镍氢电池 2 ) 能量密度高，目前质量比能量可达1 4 0 w h k g ，体积比能量可达3 5 0 w h l ，是 镍氢电池的两倍 3 ) 能量效率高，锂离子电池可达9 9 以上，远高于镍氢电池5 5 6 5 的平均水平。 熙鲶盎鬈 同济大学博士学位论文 钔自放电率小，一般自放电率小于6 5 ) 循环使用寿命长，可循环充电5 0 0 次以上 们无任何记忆效应 7 ) 不含重金属及有毒物质，不污染环境，是真正的绿色电源 8 ) 可以大电流充放电。 从国外发展动力电池的情况来看，锂离子动力电池是首选，比如1 9 9 2 年日 本制订的“新阳光计划 ，便将锂离子电池作为动力电池的发展对象。经过十多 年的研发，雅马哈、松下等公司目前都已推出了锂离子电池电动自行车和电动摩 托车等民品；丰田公司还于2 0 0 3 年2 月份推出了4 2 v 锂离子电池电动汽车混合 动力系统，而且该公司还独资成立了锂离子动力电池生产厂。u s a b c 也制订了 各年度动力锂离子电池的发展目标，经过政府部门和民间组织多年的支持，美国 锂离子动力电池的研制进展也不容忽视。通用汽车原来的燃料电池车上一直不带 蓄电池，但为了提高效率在其新版的h y w i r e 上配备了s a i l 公司生产的锂离子蓄 电池。 各种常用电池的性能比较如表1 - 1 所示： 表1 1 常见车用蓄电池的性能比较 电池类型比能量能量密度比功率循环寿命 预计成本 飞i 坳邙y h i ，)叼酬蛐( c y c l e ) 。 u s s w h 1 1 卜 1 弘品翻3 m 一4 56 0 - 9 02 0 0 一姗4 0 0 - - 6 0 0 1 5 0 n i c d4 06 08 0 一1 0 01 5 0 _ 3 5 06 0 0 一1 2 3 0 0 n i z n 5 d 缶o1 2 0 一1 3 01 5 0 一3 3 0 0 1 0 0 一3 n i m h6 0 - 7 01 3 0 k 1 7 01 5 0 一3 3 2 0 m 0 5 0 z a 随2 3 02 6 91 0 5n a ?9 0 一1 2 0 舢1 1 5 02 8 0 0 2 5 0 - - 4 5 0 n a n i c l 28 61 4 91 5 01 0 2 = o 一3 5 0 l i - p o l y m m 1 5 52 2 03 1 56 0 0n a l i i o n9 0 一1 3 01 4 0 一2 0 02 5 0 4 5 0 8 0 0 1 2 0 0 2 0 0 u s a b c2 3 4 0 01 0 0 0( 1 0 0 注：n a ：没有数据；a ：c 3 放电率；b ：8 0 d o d ；c ：；矩械充电方式；d ：仅供参考 除了以上几种以电化学原理构成的电池外，还有如下两种以物理方式储能 的装置在电动汽车研究中受到了广泛重视。 超级电容( u c ) j 9 愚臆态鬟 同济大学博上学位论文 与普通电容相比，超级电