（车辆工程专业论文）基于模型的蓄电池管理系统的研究.pdf

t 冈o n g 胁i iu n i v 大e i 玎q 学i t y 同济大学硕士学位论文 摘要 为了满足燃料电池汽车的安全性、动力性、经济性，需要从整车的层面上提出对辅 助动力源系统的要求，辅助动力源系统包括辅助动力源及其管理系统。本文的研究内容 就是基于“超越二号”燃料电池汽车动力系统阐述了如何设计辅助动力源以及如何开发 其管理系统。 本文第一章简要论述了开发燃料电池汽车的必然性、以及燃料电池汽车的发展状 况。第二章阐述了采用辅助动力源的必要性及几种辅助动力原的性能比较。第三章论述 了燃料电池汽车动力系统对蓄电池的设计要求。第四章给出了锂离子蓄电池模型建立的 依据以及得到模型中参数的一种方法；在第五章具体说明了超越二号中动力锂离子蓄电 池管理系统的实现。第六章给出了对动力蓄电池及其管理系统的总结与对未来的展望。 关键词：燃料电池汽车锂离子电池参数辨识蓄电池管理系统 同济大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt oe n s u r et h es e c u r i t y , p o w e ra n de c o n o m i cc h a r a c t e r i s t i c so ff u e lc e l lv e h i c l e s ( f c v ) ，w es h o u l dd e s i g nt h ep o w e ra s s i s ts o u r c es y s t e mo np o w e rt r a i nl e v e l p o w e ra s s i s t s o u r c es y s t e mi n c l u d eap o w e ra s s i s ts o u r c ea n di t sm a n a g e m e n ts y s t e m i nt h i st h e s i sw e w i l ld i s c u s sh o wt od e s i g nap o w e ra s s i s ts o u r c ea n di t sm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nt h e f u e lc e l l 、，e 城c l es t a r t - 2 i nc h a p t e ro n ew ew i l ld i s c u s sw h yw es h o u l dd e v e l o pf u e lc e l lv e h i c l e sa n dt h es t a t u s o ff c v d e v e l o p m e n ta l lo v e rt h ew o r l d i nc h a p t e rt w ow ew i l ld i s c u s st h en e c e s s a r yo fu s i n g p o w e ra s s i s ts o u r c ei nt h ep o w e rt r a i no f f u e lc e l lv e h i c l e a n dt h ep e r f o r m a n c e so f v e r a l p o w e r a s s i s ts o u r c e sw i l lb ed i s c u s s e d i nc h a p t e rt h r e ew ew i l lg i v et h er e a s o n so nw h i c h t y p eo f t h ep o w e ra s s i s ts o u r c es h o u l db ea d o p t e d t h em e t h o dt oe s t a b l i s hal i i o nb a t t e r y m o d e la n dam e t h o dt og e tt h ev a l u e so fc o m p o n e n t si nt h el i - i o nb a t t e r ym o d e li sg i v e ni n c h a p t e rf o u r i nc h a p t e rf i v et h er e a l i z a t i o no fal i i o nb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mw a sg i v e n a tl a s ti nc h a p t e rs i xw eg o tt h ec o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o no ft h ep o w e rb a t t e r ya n di t s k e y w o r d s ：f u e lc e l lv e h i c l e s ( f c v ) ，l i i o nb a t t e r y , p a r a m e t e r se s t i m a t e ，b a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e m 2 学 云 胁 丹 t 同o n c 胳讲u n r v 大e r s r 詈r y 同济大学硕士学位论文 图表目录 图2 - i燃料电池、蓄电池混合驱动电动轿车超越二号动力系统结构方案9 图2 - 9 ：燃料电池汽车动力系统结构形式示意图1 1 图2 - 3 汽车系统集成开发基本关系1 2 表2 - i 几种蓄电池的性能比较1 7 表2 - 2p n g v 能量存储系统执行目标1 8 图2 - 4 几种辅助动力源的能量密度功率密度性能比较1 9 图3 - 1 辅助动力设计模式2 2 图3 - 9 燃料电池汽车动力系统拓扑结构2 3 图3 3p n g v 推荐的脉冲功率特性测试图2 4 图3 - 4 可用能量与荷电状态的关系：2 5 图3 - 5 锂离子电池恒流充放电特性曲线2 6 图3 - 6 电池的脉冲电流响应曲线2 7 图3 - 7 动力总成简图2 9 图3 - 8 几个电压范围之间的关系3 0 图4 - 1 建立数学模型的一般方法3 8 图4 - 2 实际电池的电流响应曲线3 9 图4 - 3 动力锂离子电池电路模型4 0 图4 4 动力锂离子模型的到的脉冲电流激励响应曲线4 1 图4 - 5 具有两个容抗弧的阻抗谱所对应的两个等效电路4 2 图4 - 6 锂离子动力电池参数辨识模型4 7 图4 7 锂离子电池组在s i m u l i n k 中的模型5 0 表4 1 在干扰作用下参数估计结果5 0 图5 1 一次量与二次量之间的关系图5 3 图5 2 蓄电池管理系统中单体电池电压测量整体结构图5 6 图5 - 3 蓄电池管理系统拓扑结构5 6 图5 4 蓄电池管理系统电源控制5 8 图5 5 蓄电池管理系统电源管理示意图局部放大5 9 t 冈o n c 侨d li j n i v 云e r s i 号t y 同济大学硕士学位论文 图5 - 6 电阻均衡方式示意图6 0 图5 - 7 电容均衡方式( 1 ) 示意图6 0 图5 - 8 电容均衡方式( 2 ) 示意图6 0 图5 - 9 电感均衡方式( 1 ) 示意图6 1 图5 - 1 0 电感均衡方式( 2 ) 示意图6 1 图5 - 1 1 电感均衡方式( 3 ) 示意图6 1 表5 - 1 几种均衡方式的比较6 2 图5 - 1 2 均衡电路原理示意图8 6 6 3 图5 - 1 3 单体电池电压测量基本电路原理图6 5 图5 一1 4 单体电池电压测量改进电路原理图6 6 图5 - 1 5 新型高精度单体电池电压测量电路6 8 图5 - 1 6 为验证方案的可行性所设计的电路板6 9 图5 1 7l e c u 与蓄电池接口功能测试示意图7 3 图5 1 8l e c u 与c e c u 之间总线通信协议测试示意图7 3 图5 - 1 9c e c u 与v m s 之间总线通信协议测试示意图7 4 图5 - 2 0 整个系统联合测试示意图7 5 声明尸明 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，撰写成博士硕士学位论文薯趱盈疽酗逃匿燃摊 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或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：匆广楠 御年多月7e l t 冈o n g 脐j iu n i v 六e 船i 学t y 同济大学硕士学位论文 日吾 研究背景 近二十多年来，可持续发展的概念深入人心，而能源和环境是可持续发展的核心问 题，这两个问题都与汽车工业息息相关，由于石化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，根据电动汽车电力推动力的 不同，大致可以分成纯电动汽车( e v ) 、混合动力电动汽车( h e v ) 和燃料电池汽车 ( f c v ) ，在以上电动汽车方案中，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。在此背景下，我国也积极开展了 燃料电池汽车的研究与开发工作，在国家“8 6 3 计划的“十五规划中，特别设立了 燃料电池电动汽车的科研攻关重大专项。 燃料电池电动汽车与传统汽车相比，其主要的、本质的区别在于它们的动力系统的 不同。其主要的性能优点也就在于动力系统的高效、节能、环保。因而，可以说燃料电 池汽车的研制重点主要在于其动力系统的研究与开发。 燃料电池是燃料电池汽车的主要能量来源，但是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来提供燃料电池汽车运行时所需的高频功率以 及吸收制动时的回馈能。 合理设计辅助动力源及其管理系统是保证整车安全、可靠、经济运行的必要条件。 也是燃料电池汽车中关键技术之一。因此世界很多国家都在积极的开展这方面的研究并 取得了许多成果，但到目前为止还没有一套成熟的设计辅助动力源以及辅助动力源管理 系统的方法。 研究内容 本文基于“超越二号”燃料电池汽车，首先分析了它的动力系统得出了采用辅助动 力源的必要性并指出其中的关键技术所在。然后对几种可选的辅助动力源的性能做了比 较得出“超越二号 燃料电池汽车采用锂离子蓄电池作为辅助动力源的理由。接着从整 个动力系统能量调度层面上对锂离子蓄电池的设计提出要求，给出了自己的一套设计锂 离子蓄电池的方法并结合“超越二号 给出了一个设计实例。这是本论文所研究的内容 第1 页共9 l 页 t 冈o n g 胁j iu n i v 大e r s i 号t y 同济大学硕士学位论文 之一。 然而仅仅对辅助动力源本身合理设计是不够的，还需要一套管理系统来对其进行管 理以保证辅助动力源以及整车安全、可靠、经济的运行。所以本论文的另一研究内容就 是实现其管理系统( 包括硬件电路和软件算法) 。 在管理系统实现这个问题上，本论文的思路是基于锂离子蓄电池的模型来实现其管 理系统，具体做法是首先分析满足整车能量调度所需要的蓄电池运行状态量以及这些量 与蓄电池基本量之问的关系，并由此得到为蓄电池建立模型的必要性。随后给出了模型 建立以及得到模型当中元件值的方法。这样就为管理系统中的软件算法奠定了基础。 在管理系统硬件实现方面，首先说明了管理系统的整体结构，然后对其中的关键技 术进行了一一论述，最后阐述了用硬件在环( h 几) 方法对管理系统e c u 测试的情况。 在本文的最后一章，总结了该论文取得的成果并指出了锂离子蓄电池管理系统以后 的研究方向。 第2 页共9 l 页 t 冈o n g 腾j iu n i v 矢e r s i 号t y 同济大学硕士学位论文 第一章燃料电池汽车的发展历史及现状 1 1 开发新能源汽车的必然性 人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。就一次能源而言，人 类在能源的利用史上有过三次大的转换：第一次是煤炭取代木材等成为主要能源；第二 次是石油取代煤炭而居主导地位；第三次是目前正在出现的向多能源结构的过渡，这一 转换现在还没有完成。 电能是由一次能源转换而得到的二次能源。电能和其它任何能源相比，具有许多 优点，电能在能源合理开发、运输、分配和消费中具有特殊的作用，电能可以直接与其 他形式的能互相转换，我们可以将机械能、热能、化学能、光能和声能转换成电能，又 可以将电能轻易地转换为其他能。 在工业革命时代，人们一方面在机械、设备和装置如何代替人力和畜力等方面进 行探索研究，另一方面又在这些机械、设备和装置采用何种能源、这些能源如何获得进 行探索研究。 在汽车发明的初期，这种不用马拉的“马车”是采用内燃机利用燃烧石油制品将 化学能转换为机械能取得动力源，还是采用蓄电池将化学能转换为电能取得动力源，当 时人们并未厚此薄彼，而是从这两个角度同步进行研究、试验的。 1 8 5 9 年一1 8 6 0 年法国人g 勃兰特发明了蓄电池，1 8 7 3 年英国人r 达维森就制成了 世界上第一辆电动汽车。1 8 9 2 年美国在芝加哥展出本国第一辆电动汽车，以后美国的 内燃机汽车和电动汽车一直是同步增长的。1 9 0 0 年，美国有汽车8 0 0 0 辆，其中电动汽 车有3 0 0 0 余辆；1 9 1 5 年，美国的电动汽车产量达到5 0 0 0 多辆，超过了当年的内燃机 汽车的产量。1 9 2 0 年以后，由于人们对汽车的需求越来越大，对其要求也越来越高， 蓄电池汽车由于蓄电池的能量密度低、重量大、充电时间长、一次充电行驶里程短、使 用寿命低和成本高，因而逐渐被内燃机汽车所超越，所取代。 之后8 0 年，以石油制品为燃料的内燃机汽车以压倒优势在全世界得到空前发展， 创造了一个辉煌的汽车时代，汽车改变了世界的面貌，对人类的生活方式产生巨大影响。 然而正是这些内燃机汽车的大量普及和使用，造成了对环境的极大破坏，生成酸雨的氮 氧化物，引发全球变暖所造成环境破坏的c 0 2 主要来自燃料燃烧排放气体，据估计， 第3 页共9 l 页 t i = ) o n e _ 胁4 1u n i v 六e r s i 学t y 同济大学硕士学位论文 约2 0 的c 0 2 气体来自内燃机汽车的尾气排放，有调查统计表明，城市生活中5 0 的 空气污染问题来自内燃机汽车。 如果燃料石油制品的内燃机汽车按以往的速度发展下去，5 0 年之后，世界汽车数 量将从今天的7 亿辆左右剧增到1 6 亿辆以上。恐怕到不了那个时候，世界的石油资源 就要耗尽，更加严重的空气污染会使人类文明化为乌有。 人类的知识和经验是逐步提高的，我们的前人在8 0 年前无法预料内燃机汽车给环 境带来的麻烦，我们当然不能责怪他们当初的选择。 二十世纪六十年代之后，人们逐渐认识到石油制品燃烧排放对世界环境的严重影 响，现实迫使人们回过头来再把注意力放到新能源汽车的开发上来。特别是近十年来， 人们从各个角度研究开发电动汽车，取得了很大进展。 新能源汽车可分为：纯电池汽车、燃料电池电动车、混合电动车。 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。也可简称为 燃料电池汽车。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。 就燃料电池汽车的整车结构而言，主要在动力系统结构上与传统内燃机汽车有着本 质差别，而其它部分与传统内燃机汽车基本相同。传统汽车的动力系统以燃油发动机为 核心，燃油发动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。 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。为了得到优良的性能，往往需要配备复杂的自动变速箱及相应的调控系 统。燃料电池汽车的动力系统包含两个核心部分：一是以燃料电池发动机为核心构成的 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成为了完成燃料能 量转化的装置；另一核心部分是电动机，这也是所有电动汽车的共同特征。电机是电动 汽车行驶的原动机构。在电动汽车上往往也称为驱动电机。同时，电动机还具有回馈制 动功能，这是电动汽车的重要特点之一。同其它类型的电动汽车一样，燃料电池汽车上 一般不再需要离合器及变速箱机构，只有电动机集成的单级固定变比的减速机构。行驶 时依靠电动机本身优良的调整性能就完全可满足汽车行驶要求。这使得电动汽车动力系 统的结构简化，同时更易实现精确控制。 与单纯使用蓄电池为能源的纯电池电动汽车或是同时带有蓄电池及小功率内燃机 第4 页共9 l 页 t 冈o n c _ 胯d lu n i v 砍e r s i 詈t y 同济大学硕士学位论文 的混合动力汽车相比，燃料电池电动汽车在性能及排放的综合评价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很短，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，虽然现阶段来看是一种最具实用性和推 广性的降低汽车排放的解决方案，但因为不能彻底解决汽车尾气污染以及内燃机固有的 低效性问题，所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。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( 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为燃料时，其尾气排放也完全可 以达到美国加利福尼来州制定的超低排放标准。 鉴于上述原因，燃料电池电动车被认为是最有发展前景的新能源汽车。 1 2 国内外燃料电池汽车研究情况n 1 燃料电池以其高效、零污染的特点在世界范围内引起了汽车行业的广泛关注。美国、 欧洲和日本的著名汽车公司纷纷投入巨资进行燃料电池汽车的研发，各国政府也在法规 和政策方面给予极大的支持。近期联合国开发计划署( un dp ) 出资在全球5 个国家 6 个城市进行燃料电池公共汽车的示范运行。 美国 戴姆勒一克莱斯勒公司的甲醇改质型燃料电池汽车“ne c ar 5 于2 0 0 2 年5 月 2 0 日从旧金山出发，成功横穿了北美大陆，在历经1 6 天之后的6 月4 日抵达华盛顿特 区。这是燃料电池汽车首次成功横穿北美大陆，行驶距离为5 2 5 0 公里，最高时速1 4 5 公里。通用公司继au t or lomy 燃料电池概念车在底特律车展上亮相之后，又 推出hy wire 全新概念车，它由德国通用动力设计工作室所提供的燃料电池，可 让hy wire 拥有1 6 0 公里小时的安全极速。 日前，美国通用公司宣布液氢燃料电池汽车“氢动三号”已在日本获得公路行驶许 可。与此同时，“氢动三号”的液氢贮藏系统也得到了认可，这样该车就成为首款在日 本得到公路行驶许可的液氢燃料电池汽车。通用公司将使用“氢动三号 首先参加日本 第5 页共9 l 页 冈i o n g 胁j iu n i v 大e r s i 学t y 同济大学硕士学位论文 经济产业省的氢燃料电池验证项目。另外，美国联邦快递公司从2 0 0 3 年6 月开始在东 京都市区使用“氢动三号”作为邮件的运送车辆。 福特汽车公司采用最新的混合动力电动汽车技术与先进的新式燃料电池打造了一 款全新的高效率、零排放福特“焦点 ( focus ) 轿车，这是公司有史以来最先进 的环保型汽车，也是业内第一批“混合动力燃料电池车 ，它将混合动力技术改善行驶 里程与动力性的优点与燃料电池的综合效益结合了起来。2 0 0 3 年5 月2 0 日，美国联邦 快递公司( ups ) 和美国环保局以及戴姆勒一克莱斯勒在密歇根州联合宣布合作项目： 联邦快递公司将用燃料电池车进行包裹投递。 今年年初，美国总统布什发表在一年一度的国情咨文时，就环保和能源独立性 方面提出在美国国内发掘更多的能源，提交“清洁天空法案，计划在未来1 5 年内将 发电站造成的空气污染降低7 0 。他还提议拨款1 2 亿美元作为研究资金，使美国在制 造清洁、氢燃料的汽车方面领先全世界。在参观了燃料电池的最新进展之后，布什更加 充满信心；“如果过去你对无休止的能源战感到厌倦，让我们在2 l 世纪发展氢燃料电 池吧。如果我们有效地开发氢能源，我们到2 0 4 0 年能每天减少1 1 0 0 万桶石油。 这个 数字正是现在美国每天的石油进口量。 受汽车制造商和布什政府立法的压力，2 0 0 3 年4 月2 5 日，加州大气资源委员会( c arb ) 以8 比3 通过对2 0 0 1 年版零污染汽车( zev ) 法规的修改，促使工业界生 产清洁汽车，满足环境要求。新法规调整了无尾气排放和中等废气污染的电动车的比例， 进一步促进混合动力包括燃料电池汽车的发展。 欧洲 2 0 0 3 年，欧洲已在8 个国家1 0 个城市开创世界最大规模的燃料电池巴士示范，3 0 辆最新一代大客车上路示范运营。欧洲清洁城市运输项目( cu te ) 涉及欧洲7 个国 家9 个城市，将在阿姆斯特丹、巴塞罗那、汉堡、斯图加特、伦敦、卢森堡、马德里、 斯德哥尔摩、波尔图进行，欧盟给予cu te 计划1 8 5 0 万欧元财政补助。生态城市运 输系统项目( ec ts ) 仅涉及冰岛一国，在冰岛首都雷克雅未克进行。这项大规模的 示范活动，每个城市都将有三辆燃料电池巴士参与，同时每个巴士总站都将建一个加氢 站，氢也将以不同方法生产，有的还将在加氢站现场设立制氢装置。2 0 0 3 年4 月2 4 日， 第6 页共9 l 页 t i = ) o n c _ 胁d lu n i v 呋l p 船i 嗲 r y 同济大学硕士学位论文 英荷壳牌石油公司在冰岛首都雷克雅未克建成首座加氢站。全世界的人们都将有机会， 通过示范活动，提高对燃料电池巴士和有关氢基础设施的认识，也将积累使用经验，并 获得各种数据，以便进一步分析、比较。 日本 日本自2 0 0 3 年起对燃料电池汽车实施免税制度以鼓励其发展。丰田公司在2 0 0 2 年底宣布在日、美销售燃料电池车，和日产合作开发混合动力电动车。丰田一日野fc h v 一2 公共汽车是首辆获得日本土地、基础设施和交通部批准的公路燃料电池混合动 力公共汽车。新车将氢储存在顶部封好的氢储藏箱内，而且有两个高性能丰田燃料电池 堆，每堆燃料电池有9 0kw 的输出功率，比以前只有一个燃料电池堆的汽车性能规格 增加1 倍。公路计划试验由日本政府和其他实体协助展开。通过这些试验，丰田和日野 希望验证他们共同研发的燃料电池的性能，从代步公共汽车运行的角度收集不同的性能 资料，来加强燃料电池混合汽车朝商业化方向发展。 由此可见，世界发达国家正积极地发展燃料电池汽车技术，并已经取得惊人的成果。 洁净燃料汽车的开发将为解决世界能源危机和环保问题提供有效的途径，燃料电池汽车 将是未来汽车的发展趋势。 中国 在国际燃料电池汽车蓬勃发展的大环境下，中国也积极开展了燃料电池电动汽车的 研制。由上汽集团与通用公司合资成立的泛亚汽车技术中心，在2 0 0 2 年推出了名为“凤 凰燃料电池汽车。“凤凰”以上海通用别克g l 8 为原型，配置了3 5 千瓦的燃料电池与 蓄电池辅助能源，以压缩氢气为燃料。最高时速1 1 3 公里，0 到1 0 0 公里加速时间只需 1 3 5 秒。在国家8 6 3 “十五 计划中，投入巨资设立了包括燃料电池轿车项目在内的电 动汽车科研专项，燃料电池轿车的研究、开发工作由包括同济大学在内的国内多家高校 及研究机构共同承担。研制工作现已经取得了阶段性成果，第一辆样车“超越一号已 于2 0 0 2 年1 2 月完成并通过国家科技部验收。第二辆样车“超越二号”台架车也在2 0 0 4 年1 月份组装完毕并进行了转鼓测试，性能良好。 第7 页共9 l 页 i 丹o n c 胁, j l 一大i 号t 同济大学硕士学位论文 1 3 小结 由上面介绍的情况不难看出，当前世界上各著名汽车公司已经推出了基本达到商 业化标准要求的燃料电池汽车产品，而且，各大公司大都对外宣称将在2 0 0 4 至2 0 0 5 年间推出真正投入商业运作的燃料电池汽车产品。完全可以相信，在未来几年里，燃料 电池汽车的发展将迈过概念车或者样车的研制阶段，进入到一个以商业化产品研制及推 广为主的全新的大发展时期。 第8 页共9 l 页 啦嚣 同济大学碗t 学位论文 第二章采用辅助动力源的必要性及几种辅助 动力源的性能比较 2 1 燃料电池汽车动力系统结构”1 目前国际上燃料电池汽车动力系统的方案有很多种，这里只给出我国拥有自主知 识产权的燃料电池轿车超越二号的动力系统结构，图2 1 所示为我国所研制开发的 燃料电池蓄f 叶自混合驰动轿车的动力系统结构方案。 圈2 - i 燃料电池，蓄电池混合驱动电动轿车超越二号动力系统结构方案 燃料电池发动机( 以下简称f c e ) 和电动机无疑是燃料电池汽车动力系统必不可少 的核心部件。f c e 是系统土要的能源供应装置，它发出的电能经过d c i k 变换器后，提 供给电机以驱动车辆行驶，也用于蓄电池电量不足时，对蓄电池进行充电。图2 1 示结 构形式中采用的是一个中央驱动电机的方案。此时，电机输出的力矩经传动机构传递 到驱动轮上后驱动汽车行驶。相对于这种形式，还可以采用轮边电机直接驱动车辆行驶。 这种方案中一般会在前轮及后轮四个轮子( 对于轿车) 上都设置电机从而实现全轮驱动。 轮边电机全轮驱动方案虽然就功能性及控制技术上有着许多优点，但现阶段这种方案还 不如单电机方案成熟，实现技术上还有很多问题和难点，系统的工作可靠性也有待提高， 加上成本因素，所以一般动力系统中都没采用这种方案。而单中央电机方案因其发展的 成熟性以及与传动汽车的近似性而成为普遍认可的标准方案。 就变速箱而言虽然配置变速箱后有助于提高电动汽车的经济性和多工况适应性 第9 页拱9 1 页 罴舯墓 蠢黜 鹜睁蕊 黑魅萋 同济大学硕士学位论文 但从成本及结构复杂性方面考虑，包括燃料电池电动汽车在内的电动汽车上一般都没有 独立的变速箱，只设置有和电机一体化的单一固定变比的减速机构。而就现阶段来看， 这种方案的各项性能指标已完全能满足要求。所以燃料电池汽车的动力系统几乎都是采 用这样的方案。 2 2 燃料电池汽车动力系统采用辅助动力源的必要性 质子交换膜燃料电池不同于常规的化学电源，它是以氢气和空气( 或氧气) 为燃料， 通过氢氧化学反应，将化学能转换成电能的发电装置。它可以被看作是需要外部燃料供 应，但不涉及燃烧的静止发电装置。燃料电池在使用上具有以下的特点： 1 ) 在保证燃料供应的情况下，它可以提供持续不断的低电压、大电流的直流电功 率输出。但不象常规化学电源( 如蓄电池) 那样可以被充电存储电能。 2 ) 燃料电池在启动发电前，需要一定容量的空压机为其提供一定压力和流量的空 气( 燃料) 。最初需由其它辅助电源为空压机电机供电，当燃料电池启动并正常发电后， 才由它自己维持对空压机电机供电。 3 ) 燃料电池从启动到能输出较大电功率约需数秒的时间，这使它作为汽车动力源 时产生这样的问题：如果汽车需在燃料电池启动期间起步行驶，而燃料电池尚不能为驱 动电机供电，这时就需由辅助电源暂时替代燃料电池向驱动电机供电。由于汽车起步加 速时，在数秒内车速不可能很高，因此实际上由辅助电源提供的电功率一般比较小。 4 ) 对于电动汽车，由于驱动电机可以方便的被控制转变为再生发电制动运行，所 以电动汽车都具有汽车减速或制动时动能回收功能，即汽车制动减速时，借助驱动电机 处于再生发电状态产生制动力。与此同时，汽车所具有的动能被驱动电机转换成电能回 馈到动力系统中具有电能储蓄能力的电源装置中去。在一般的电动车中这部分电能被反 充到动力蓄电池中，这样汽车制动时可以通过动能的回收，提高能源利用率，增加行驶 里程。在以燃料电池为动力源的汽车中，由于燃料电池无电能储蓄能力，为了利用这部 分回收的电能，在动力系统中必须设置可储蓄电能的辅助动力电源装置。 基于上述技术原因，目前通行( 包括国际和国内) 的燃料电池汽车动力系统技术方 案，除采用质子交换膜燃料电池作为主要动力源外，均设有动力蓄电池作为辅助动力源， 以解决采用燃料电池作为主动力源在使用上带来的问题： 1 提供f c e 启动所需能量； 第l o 页共9 l 页 t 冈o n 6 胯1 1u n i v 六e r s i 学t y 同济大学硕士学位论文 2 汽车冷起动时，在f c e 开始稳定工作前，提供汽车起动行驶所需电能； 3 汽车加速或爬陡坡时，如f c e 提供功率不足以满足行驶需要，提供一部分辅助功率； 4 回馈制动时，吸纳电机发动的电能； 5 稳定系统主电路( 为驱动电机供电的电路) 电压，自动补偿燃料电池( 经d c d c ) 输出电流和电机电流间动态差值 2 3 燃料电池汽车动力系统中的关键技术 燃料电池蓄电池混合电动汽车的核心是混合动力系统的研究与开发。其动力系统结 构形式示意图如下： 臣i 高囤 ，主能源子系统：ql 运行控制系统l l 1l d c d c i 、： 原动机子系统 一- 、 广 ? l 电机 电 动 机 驱动轮 f 霄司 转 刊釜 _ 动 机 ；箱； 构 l 驱动轮 、i 图2 - 2 ：燃料电池汽车动力系统结构形式示意图 由图2 2 可知，燃料电池混合电动汽车的动力系统是一个非常复杂的系统，设计到 机械、电子、电力和控制等多个学科，包括多个子系统，有燃料电池发动机子系统、动 力蓄电池子系统、电机与控制子系统、d c d c 变换器以及传动系统等。而且，在燃料 电池汽车的设计开发过程中，由同济大学负责整车系统的集成与匹配，其中燃料电池、 动力蓄电池和电机等子系统则分包给多个协作单位进行攻关设计。因此，在动力系统的 设计开发过程中，存在如图2 3 所示的复杂的三角关系，即在系统集成开发的过程中， 不仅设计动力系统与整车的功能关系与物理关系，而且涉及到整车设计集成单位、动力 系统集成单位与多家子系统设计开发单位之间的协作关系，和联合开发工作。燃料电池 蓄电池混合电动汽车动力系统设计的关键内容包括： 第1 l 页共9 1 页 t 冈o n o 胯t iu n i v 呋e r s i 学t y 同济大学硕士学位论文 动力系统集成技术： 车载多能源能量管理技术o m 主要子系统的关键技术： 一整车试验方法和评价体系。 作为整车单位，研究的关键内容在于动力系统集成技术、车载多能源能量管理技术 和整车试验方法和评价体系的研究。但是，主要子系统的关键技术的研究必须满足动力 系统的要求，也必须满足整车设计的要求。因此，动力系统设计的所有关键技术都是整 车设计单位需要掌握的关键技术。 图2 - 3 汽车系统集成开发基本关系 本文所要论述的主要内容为燃料电池蓄电池混合电动汽车中的动力蓄电池的设计 需求，以及蓄电池( 蓄电池是辅助动力源中的一种) 管理系统的开发。 2 4 几种辅助动力源的性能比较4 1 6 1 7 1 8 1 9 1 目前，辅助动力源不理想是制约燃料电池汽车发展的关键因素之一。燃料电池汽车 用辅助动力源的主要性能指标是比能量、比功率和使用寿命等。要使燃料电池汽车能与 内燃机汽车相竞争，开发出比能量高、比功率大、使用寿命长、成本低的辅助动力源是 其中的关键因素之一。下面就目前存在的一些辅助动力源的特点进行一下比较。 铅酸蓄电池 第1 2 页共9 l 页 同r o n g 胁j i j 一吹i 詈 i y 同济大学硕士学位论文 铅酸电池是电动汽车动力源中较为常用的一种，其化学反应方程式为： 正极：尸6 0 2 + 3 h + + h s 0 4 一+ 2 e = p b s 0 4 + 2 h 2 0 负极：p 6 + h s 0 4 一一2 e = p b s 0 4 + h + 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动力源。它也是成熟的 电动汽车蓄电池。它可靠性好、原材料易得、价格便宜；比功率也基本上能满足电动汽 车的动力性要求。但它有两大缺点；一是比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充 电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。 镍镉电池 目前，镍镉电池的应用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。它的初期购置成本虽高，但由于其在能 量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。使用中要注意做好回收 工作，以免重金属镉造成环境污染。 钠硫蓄电池 钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车蓄电池，美国福特汽车公司的m n i v a n 电 动汽车就是使用钠硫蓄电池的。它已被美国先进电池联合体( u s m a b c ) 列为中期发展的电 动汽车蓄电池，德国a b b 公司生产的b 2 4 0 k 型钠硫蓄电池，其质量为1 7 5 k g ，蓄电量 1 9 2 k w h ；比能量达1 0 9 w h k g ，循环使用寿命1 2 0 0 次。钠硫蓄电池主要存在高温 腐蚀严重，电池寿命较短，性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。 锌空气电池 锌空气电池的潜在比能量在2 0 0 w h k g 左右。美国d e m i 公司为电动汽车开发的 锌空气电池的比能量已达1 6 0 w h k g 左右，但它目前尚存在寿命短、比功率小、不能 输出大电流及难以充电等缺点。美国的c r x 电动汽车装的就是锌空气电池，该车为弥补 它的不足，还装有镍镉蓄电池以帮助汽车起运和加速c r x 车的锌空气电池组质量为 第1 3 页共9 l 页 t 冈o n c _ _ 脐诳u n i v 大e r s 学i t y 同济大学硕士学位论文 3 4 0 k g ，充足电后可存储4 5 k w h 的能量，同时装备c r x 的重达1 5 9 k g 的镍锡蓄电池充 足电后有4 k w h 能量。充电1 2 分钟可使c r x 电动汽车行驶6 5 k m ，充电一小时则可行 驶1 6 0 k i n 。 飞轮电池 飞轮电池是9 0 年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法 实现储能。众所周知。当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能。飞轮电池正 是以其动能转换成电能的。高技术型的飞轮用于储存电能，就很像标准电池。飞轮电池 中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高 速旋转，即用电给飞轮电池“充电”增加了飞轮的转速从而增大其功能；放电时，电机 则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能( 动能) 到电能的转换。 当飞轮电池公出电的时，飞轮转速逐渐下降，飞轮电池的飞轮是在真空环境下运转的， 转速极高( 高达2 0 0 0 0 0 r m i n ) ，使用的轴承为非接触式磁轴承。据称，飞轮电池比能量 可达1 5 0 w h k g ，比功率达5 0 0 0 一1 0 0 0 0 w k g ，使用寿命长达2 5 年，可供电动汽车行驶 5 0 0 万公里。美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮池成功地把一辆克莱斯勒l h s 轿车 改成电动轿车，一次充电可行驶6 0 0 k m ，0 到9 6 k m h 加速度时间为6 5 秒。 镍氢蓄电池 2 0 世纪6 0 年代末，荷兰p h ili 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l a n i s 和m g ：n i 等合金可逆吸放氢的性能。进一步研究发现，这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 。型储氢和金作为二次电池负极材料的研究始自1 9 7 3 年。1 9 8 4 年研究解决了l a n i 。和金在充放电过程中容量衰减迅速的问题，从而实现了利 用储氢和金作为负极材料制造n i 心电池的可能。随后，我国及美、日均竞相研究开发 储氢合金材料和n i 姗电池。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技术，研制出我国第一代“从 型n i 删电池，并于 1 9 9 2 年在广东省中山市建立了国家高技术新型储能材料工程开发中心和n i 肼电池中 第1 4 页共9 l 页 t 冈o n g 胁j j 一云 学f y 同济大学硕士学位论文 试生产基地，有力地推动了我国储氢材料和n i 删电池的研制及其产业化进程。 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 d 电 池有互换性。 由于以上特点，n i 删电池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。随着研究工作的深入和技术的不断发展，n i 姗电池在电动工具、电动车辆 和混合动力车上也正在逐步得到应用获得新的发展动力。日本丰田的混合动力车p r i u s 中采用的就是n i 电池。该车已经上市，并已开始批量生产。 目前生产电动汽车镍氢蓄电池的公司主要是0 v o n i e 公司，它现有8 0 a h 和1 3 0 a h 两种单元电池，并由此构成3 0 l ( r h 和5 0 k w h 两种规格的电池。其比能量达7 5 8 0 w h k g ，比功率达1 6 0 - - 2 3 0 w k g ，循环使用寿命超过6 0 0 次。估计随着镍氢蓄电池 技术的发展，其比能量可超过8 0 w h k g ，循环使用寿命可超过2 0 0 0 次，远景价格可 降至1 5 0 美元k w h 。通用汽车公司已把它作为今后几年电动汽车优先考虑蓄电池。 锂离子电池 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，长期以来受到化学电源科学工作者的极大关注。自7 0 年代以来，以金属锂 为负极的各种高比能量锂原电池分别问世，并得以广泛应用。 实际上，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 i 等无机物在有机电解液中发生 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，美国制备了l y 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。后 一种电池曾于1 9 8 8 年前后投入了规模生产及应用。但这种电池应用为时不长，由于在 使用着的对讲机中电池突发短路引起过热，烧伤了用户的面颊，致使公司收回所有售出 的电池，停止了这种电池的生产。技术分析表明，锂在充放电过程中形成树枝状沉积， 第1 5 页共9 l 页 t 冈o n c 胯_ x l l 一呋学r r v 同济大学硕士学位论文 导致电池内部短路，是引起事故的原因。 1 9 9 0 年，日本索尼公司宣称，采用可以使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替金属锂 和采用可以脱嵌和可逆嵌入锂离子的高电位氧化钻锂正负极能相容的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 负极反应 电池反应 l i c o o z 毒c d d ：埘+ + e 广+ p + c 6 ；= 妻詈主三f c s l i c o o ：+ c 6 碡c d d ：+ l i c s 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 l f f 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一m n 0 2 ，不会有安全问 题出