（车辆工程专业论文）燃料电池轿车辅助动力源设计研究.pdf

摘要 摘要 近二十多年来，全球能源短缺与环境污染已成为人类可持续发展要解决的 核心问题，这两个问题都与汽车工业息息相关，使得汽车工程师们把目光投回 到电动汽车上。在各类电动车中，又以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。然而，由于当前燃料电池发动机发展水平 有限，故需要在汽车上为其配备一套辅助动力源，组成“电一电混合系统， 以满足整车动力性能要求，并在汽车制动回馈时吸收部分动能。比较各类储能 装置，锂离子动力电池以其高比功率、无记忆效应及循环寿命较长等特点，被 视为最具发展潜力的最适合混合动力系统的辅助动力源。 本文主要研究了车用辅助动力源的设计。通过大量对电池的实践建立了锂 离子电池的静态模型，并在此基础上结合超越燃料电池汽车开发实例，总结出 一套从整车动力性能角度出发的电池设计选型流程。与动力锂离子电池组配套 的电池管理系统则必须实时地向车辆管理系统传递关于电池的信息，包括电池 所处的荷电状态、当前电池的充放电能力及电池的老化情况等。动态电池模型 就为设计这样的电池管理系统提供了支持。本文以f r e e d o m c a r 电池测试手册 n 1 中的电池电路模型为基础，结合对电池试验数据的分析，改进了原电池电路模 型，并总结了辨识电路模型中各个参数的方法，新模型的仿真结果更好地贴合 了实际试验数据。实际的锂离子电池具有非线性的特点，本文在提出电池动态 模型后，又初步分析了用线性电路模型来描述非线性实际电池的可行性，得出 在中度荷电状态及小电流作用下，实际电池能较好地被电池模型替代的结论， 并利用该结论改进了电池管理系统估算电池荷电状态的方法。最后，对本文中 存在的不足及今后的工作方向作了简要的讨论。 关键词：混合动力型燃料电池轿车，锂离子动力电池，电池静态模型，电池动 态电路模型 a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt oa r c h i v et h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fh u m a nb e i n g , a u t o m o b i l e e n g i n e e r sp u tt h e i rf o c u so ne l e c t r i cv e h i c l ea g a i n i na uk i n d so fe l e c t r i cv e h i c l e s ， f u e lc e l lv e h i c l ei sr e g a r d e da st h ec l e a n e s to n e b e c a u s eo ft h el i m i t e dp e r f o r m a n c e p ft h ef u e lc e l l ，i tn e e d sa l la u x i l i a r ye n e r g yr e s o u r c eo n b o a r dt h a th e l p si tw h e nt h e v e h i c l ei s s t a r t i n go ra c c e l e r a t i n g w h a t sm o r e ，t h ea u x i l i a r yo n ec a nt a k et h e m o v e m e n te n e r g yb a c kw h e nt h ev e h i c l ei sb r a k i n g a m o n ga l la u x i l i a r ye n e r g y r e s o u r c ec a n d i d a t e s ，l i i o np o w e r b a t t e r yi st h em o s tp r o m i s i n g o n e t h r o u g hb a t t e r ye x p e r i m e n t s ，as t a t i cb a t t e r ym o d e li sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h es t a t i cm o d e la n di n t e g r a t e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es t a r t h y b r i d f u e l e e uv e h i c l e ，ab a t t e r yd e s i g np r o c e s si ss u m m a r i z e d ab a t t e r ym a n a g e m e n t s y s t e mi si n c l u d e di nt h eb a t t e r yp a c k a g et ot e l lt h ev e h i c l et h es t a t u so ft h eb a t t e r y t os u p p o r tt h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，ad y n a m i cb a t t e r yc i r c u i tm o d e li s d e v e l o p e db a s e do nt h ec i r c u i tm o d e li nf r e e d o m c a rb a t t e r yt e s tm a n u a l i ti sa l s o s u m m a r i z e dh o wt oe s t i m a t et h ep a r a m e t e r si nt h i sn e wc i r c u i tm o d e lb ya n a l y z i n g t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s t h er e a lb a t t e r yi san o n l i n e a rs y s t e m ，b u tt h ec i r c u i tm o d e li s al i n e a ro n e i tc o m e st ot h ec o n c l u s i o nt h a tw h e nt h eb a t t e r yi si nam o d e r a t es t a t eo f c h a r g ea n do p e r a t e dw i t hl o wc u r r e n tt h ec i r c u i tm o d e lc a nd e s c r i b et h en o n l i n e a r b a t t e r yw j t hr e l a t i v e l yh i g l la c c u r a c y b a s e do nt h i sc o n c l u s i o nt h ew a yt h a tt h e b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e me s t i m a t e st h es t a t eo fc h a r g eo ft h ew h o l eb a t t e r yg r o u pi s i m p r o v e d i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i t i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：h y b r i df u e l - c e l lv e h i c l e ，l i - i o np o w e rb a t t e r y , s t a t i cb a t t e r ym o d e l ， d y n a m i cb a t t e r yc i r c u i tm o d e l h 符合与术语说明 符号与术语说明 符号或术语解释 1p n g v 电池测试手册 p n g v - p a r t n e r s h i pf o ran e wg e n e r a t i o no f v e h i c l e s ，该电池测试手册是由p n g v 电化 学存储研究小组开发的，手册内定义了车用 动力电池的性能要求、相应的测试流程及对 应的数据处理方法。 2f r e e d o m c a r 电池测试手册 是p n g v 电池测试手册的后续版本，侧重描 述了用于p o w e r - a s s i s t 模式下的车用电池 应有的性能，并对p n g v 电池测试手册中的 一些内容做了修改。 3s o c s t a t eo fc h a r g e电池的荷电状态，指电池内剩余的容量与 额定容量的比值，用百分比表示。 4 d o d d e p t ho fd i s c h a r g e电池的放电深度，指电池被放走的容量与 额定容量的比值，用百分比表示。 s o c + d o d = 1 5 o c v - o p e n - c i r c u i tv o l m g e电池的开路电压，指电池在卸载后经过静置， 电池内部达到平衡状态，其端电压达到稳定 值，此时的端电压即为开路电压。 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：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。 躲翻印 加。厂年多月c 7 e l 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：翻玄9 丫 加订年弓月， e t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在j 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：际习学位论文作者签名：刁j l 专9 叩 砂f 年吝歌& b 硼年；其rb 第1 章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 能源与环境是人类社会赖以生存和发展的物质基础。传统不可再生能源的 短缺与全球环境不断地受到污染已成为全人类必须面对的问题，这两个问题又 与汽车行业密切相关，另一方面，汽车行业却又是很多国家的支柱产业，因此 研发新能源汽车是今后汽车发展的必然方向，汽车工程n l f 也重新将目光投回 到电动汽车上。在各类电动汽车方案中，燃料电池汽车( f c v - f u e lc e l lv e h i c l e ) 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。在此背景下，我 国也积极开展了燃料电池汽车的研发工作，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，本质区别在于动力系统，燃料电池发 动机不再使用传统的石化能源，并且工作产物是水，但目前燃料电池发动机仍 存在输出特性较软、启动响应较慢等缺点，因此在以燃料电池发动机为主动力 源的电动汽车动力系统设计上，大多采用增加一组动力蓄电池组作为辅助动力 源，提供燃料电池汽车运行时所需的即时高功率以及吸收制动回馈能量。 动力蓄电池技术也还不够成熟，由于车用动力电池与传统日用电池的使用 工况完全不同，如何结合辅助动力源在整车上的使用特点并富有针对性地向零 部件供应商提出合理的技术要求以及相应的考核方法也己成为迫在眉睫需要解 决的问题。对于已有1 0 0 多年历史的传统内燃机，人们已积累了相当的知识， 对电动汽车却并非如此，工程师们必须重新设计车辆的耐久性并制定新的检验 标准。 锂离子电池以其高比功率高比能量、无记忆效应和循环寿命较长等特点被 认为是作为辅助动力源的极佳选择。为确保整车可靠运行，就必须从整车角度 出发合理、安全地使用好蓄电池组，即需要开发相应的电池管理系统，若有一 个合适的电池模型，则将为电池管理系统提供莫大的支持。 第1 章引言 1 2 研究内容 本文以超越燃料电池轿车的开发为载体，对车用辅助动力源的设计进行了 研究，主要把设计分成两部分。第一部分是对动力电池的选型设计，本文在开 头分析了辅助动力源在新能源汽车中的重要作用。然后对几种可选的辅助动力 源进行比较，选择锂离子动力电池作为“超越车”的辅助动力源。在进行大量 电池试验后，分析了锂离子动力电池的容量、内阻与温度、电池所在的荷电状 态及循环寿命之间的关系，并以此建立了电池的静态模型，并从整个动力系统 能量分配角度，结合锂离子电池的特点，总结出一套车用电池的选型设计方法， 即把车上的动力蓄电池组看成整车动力系统一个重要零部件总成，把整车动力 性能要求和整车动力系统匹配要求转化成为对蓄电池组的要求。第二部分是对 电池管理系统设计的支持。蓄电池管理系统的主要任务监控蓄电池组，并向整 车动力管理系统提供反应蓄电池组状态的信息，若有一个能较好描述实际电池 的模型作为支持，那么蓄电池组管理系统向整车传递的这些信息就能有较高的 准确性。研究了现有的锂离子电池模型后，本文认为f r e e d o m c a r 电池测试手 册提供的电池电路模型可以简洁有效地描述锂离子电池的电特性响应，但描述 效果不够理想，经过对电池试验数据的分析，本文在原有电池模型基础上提出 一个改进的动态电池电路模型，获得很好的电特性仿真效果，同时总结了该电 池模型中各个参数的确定方法。由于电池具有非线性特性，故本文还初步分析 了用线性的电池电路模型来描述非线性电池的替代条件，发现锂离子动力电池 在中度荷电状态范围内并在小电流作用时，其电特性响应可以用线性的电池电 路模型来替代，最后本文利用该分析结果对现有的电池荷电状态估算方法进行 了改进，借助电池模型适时地估算电池在某些时刻上的开路电压，再通过查电 池荷电状态与开路电压的对应关系来计算这些时刻上电池的荷电状态，避免了 由于长期使用电流积分法估算荷电状态时，电流采样误差的积累而引起的荷电 状态估算误差。 2 第2 章辅助动力源与新能源汽车 第2 章辅助动力源与新能源汽车 2 1 国内外新能源汽车发展概况 汽车，作为一件商品，方便了人们的出行，加快了城市发展的步伐，缩短了 城市间城乡间的距离，而作为一个产业，又能带动其他相关行业，可以说牵动 了整个工业的发展。因此，无论从微观或宏观的角度，汽车都已成为人类生活 中不可缺少的部分，汽车行业本身也已成就了巨大的发展。近二十年来，可持 续发展逐渐深入人心，而全球范围的能源短缺与环境污染是可持续发展要解决 的核心问题，这两个问题又都与汽车工业息息相关，使得汽车工业再次面临严 峻挑战，汽车工程师们则把目光投到了新能源汽车上。 与传统汽车相比，新能源汽车完全或在一定程度上摒弃了传统内燃机作为汽 车的动力源。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 cv 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 cv e h i c l e ) 和 燃料电池汽车( f c v f u e ic e l lv e h i c l e ) 。迫于能源与环境的要求以及竞争的压 力，世界各国政府以及汽车公司在新能源汽车的研究与开发上也从未放慢过脚 步，不断地推出各自的最新成果，为新能源汽车的最终推广使用逐步打开市场。 梅赛德斯一奔驰的a 级“f c e l l ”采用p e m 氢燃料电池，依靠氢和氧化学 反应释放能量。整个燃料电池系统位于长轴距版梅赛德斯一奔驰a 级轿车的夹 层地板装置中，应用6 5 千瓦异步电动机加以驱动，这使其最大输出功率可达到 7 2 千瓦，最高时速可至1 4 0 公里，远远领先其它同类产品。2 0 0 4 年，梅赛德斯 一奔驰a 级氢燃料电池轿车f c e l l 将在近似批量生产条件下生产6 0 辆，并在欧 洲、日本、新加坡和美国在政府主办的国际合作框架内进行日常运行试验。 2 0 0 5 款福特e s c a p e 混合动力s u v 是业界第二款完全混合动力s u v ，比传 统装用v 6 发动机的e s c a p e 在燃料经济性上提高了5 0 。这款前驱式e s c a p e 3 第2 章辅助动力源与新能源汽车 得到美国环保署的认证，在市内行驶时燃油经济性达到百公里6 6 升的水平。 加速性能与v 6 类似，同时还保持了e s c a p e 基本型的载货能力。全混合动力汽 车根据行驶条件既能够用汽油发动机行驶，也能够采用电动机驱动，在频繁起 停的行驶条件下具有最高的燃烧效率。 作为环保和可持续发展概念忠实拥护者之一的日产汽车推出了x t r a 燃料 电池车。x t r a n 燃料电池车作为一款高压氢动力电池汽车，配备轻便锂电池组。 它的高能引擎能够产生最大8 5 千瓦动力，最高时速可达1 4 5 公里，行驶范围超 过3 5 0 公里。日产在原x t r a i l 的基础上不断改进，开发出装有n e o f c 系统的2 0 0 3 款车型，并已于2 0 0 3 年1 2 月进入商业化示范运营。 通用“氢动三号的出现，使得他们在氢燃料电池车计划上向着投产的目标 进一步靠近。这辆在欧宝赛飞利基础上开发成功的五座车的驱动系统结构已经 非常紧凑，可作为整个模块进行生产线组装生产。通用汽车公司负责研发和策 划业务的副总裁波立达认为：“这意味着从原则上说，氢动三号? 已可以在现 有的生产线上组装。这是向实现成熟燃料电池车规模化生产进程中所取得的一 项重大进展。一“氢动三号燃料电池驱动系统的工作原理是：由2 0 0 片相互串 联在一起的燃料电池片组成的电池堆产生电力，通过6 8 升的氢气储存罐向燃料 电池组提供氢气。电池堆所产生的电能输入电动机后，通过功率为6 0 千瓦8 2 马力三相异步电机驱动车辆行驶，并几乎不产生任何噪音。其0 至1 0 0 公里d , 时的加速时间约为1 6 秒，最大时速达到1 6 0 公里。目前，通用汽车公司和联邦 快递公司联合进行的一项为期一年的燃料电池车商用试验已于日前完成。作为 通用公司加入“日本氢气和燃料电池展示项目 的首款车，“氢动三号 在东京 都市区联邦快递的投递线路上进行了一年的邮件日常递送，成为首款在日本获 得绿色商用牌照的燃料电池车，也是首辆得到公路行驶许可的液氢燃料电池汽 车。而在2 0 0 5 新年伊始全球历史最悠久的国际车展底特律北美国际汽车展 上，通用汽车推出了其最新一代的燃料电池车s e q u e l ，它是全球第一辆能连续 长距离行驶且性能出色的燃料电池车，一次加氢可连续行驶3 0 0 英里，是通用 4 第2 章辅助劬力源与新能源汽车 汽车实现燃料电池车商业化生产目标的道路上的重要步，具有里程碑的意义。 十f h 的先驱( p r i u s ) 足_ # 田汽乍于1 0 9 7 年牛产的世界t 第款量产混合动 力轿车，革命性地降低了车辆燃耗和尾气排放，至今在全球范围内已累计销售 超过2 3 万辆。作为一款混合动力车，它兼具了环保性( 尾气排放量达日本超低 排放标h l ，仅为普通汽油车的半) 弓超强动力性( 15 l 能达到20 l 汽油车的 水准) 且实现世界最高水准的燃油经济性( 28 l 1 0 0 k m ) 。而丰 r i 与我国一汽 已经达成一致2 0 0 5 年将在我国进行量产。p r u i s 轿车如图2l 所示。 图2 lp m u s 轿车 由上海同济大学等多家单位合作研发的“超越”燃料电池轿车如图22 所示， 其中“超越2 号”借用了桑塔纳3 0 0 0 型轿车车身，但它的心脏却截然不同使 用的是燃料电池系统，其发动机功率可达3 6 千瓦，最高时速可达1 1 53 公里， 最大续驶里程可达1 9 7 公里。燃料电池的研发单位也自主，f 发了燃料电池“8 6 3 号”城市大巴以及燃料电池电动游览车，这些车辆代表了中田在燃料电池电动 汽车研发上的最高成就。其中，“超越3 号”燃料电池轿车将在2 0 0 5 年底组成 小型车队进彳示范运营。 第2 章辅助动力源与新能源汽车 图2 , 2 超越混合动力型燃辩电池轿车 22 辅助动力源在新能源汽车中的作用 新能源汽车与传统汽车的巨大区别就在于驱动汽车的动力源被改变了，因此 新能源汽车的发展水平，很大程度地由可作车用替代能源的燃料电池和动力蓄 电池的发展状况所决定“1 。燃料电池是一种具有完全划时代意义的新技术。简单 说燃料电池车的原理就是利用氢和氧催化聚合时产生的电来驱动电机，从而 驱动汽车，而氢和氧的低温催化排放的只是纯水。燃料电池能量转化效率很高， 而且低噪音生成物是水，不污染环境。由于氢元素可从多种物质中提取，并 可再生，所以是目前所能看到的最有可能产业化的终极替代能源方案。但车用 燃料电池也具有其自身的些工作特点。首先，燃料电池在启动时，需要一定 容量的空压机为其提供一定压力与流量的空气( 实际是利用空气中的氧气) ，在 燃料电池完全启动前就需要由其他辅助电源为空压机电机供电，当燃料电池启 动开始正常发电后，才由其自身为空压机电机供电：其次燃料电池发动机输出 第2 章辅助动力源与新能源汽车 特性比较软，对于功率需求的响应也比较慢，于是在车上会带出的问题是，当 汽车突然有较大功率需求时，如上坡或加速超车工况，燃料电池因响应较慢不 能及时向电机提供功率而影响整车的动力性能；再次，燃料电池不像常规蓄电 池那样可以被充电来存储电能，但燃料电池车上的驱动电机本身可以方便地被 控制从而做到电能与机械能的互逆，故为了能在汽车制动时回收汽车动能，就 需要用辅助电源装置来接纳这部分能量，从而提高能源利用率，增加行驶里程 改善经济性。 从传统汽车发动机发展到全新的氢动力驱动，不仅要在研发上投入巨大力 量，而且在汽车运行的连带基础设施建设上也会形成一个巨大的投入，出于经 济上与技术上的考虑，并结合燃料电池的上述工作特点，许多汽车公司都选择 了研发混合动力汽车。通过上面的分析，也可以看到，辅助动力源在燃料电池 车上起到的主要作用如同一个蓄水库，在整车动力需求高时协助主动力源驱动 汽车，在汽车制动时回收汽车的动能，此外还帮助燃料电池启动，完全辅助主 动力源燃料电池的工作。随着电池技术的不断发展，蓄电池因其功率特性、 重量体积、安全性能以及使用寿命等都有了不小程度的提高，已成为了作为辅 助动力源的良好选择。结合传统发动机和蓄电池共同驱动汽车的“机电一混合 动力汽车已经走上了市场，其动力系统对蓄电池的要求也与燃料电池电动汽车 类似，蓄电池除了与内燃机联合工作提高整车加速性能外，还在各个内燃机工 作效率低尾气排放大的工况下将其取而代之，单独工作驱动汽车，同样它也能 做制动回馈。目前这类混合动力汽车以丰田的p r i u s 和福特的e s c a p eh y b r i d 为 代表。 2 3 几种车用辅助动力源的比较 根据辅助动力源与主动力源的配置不同，混合动力电动汽车上的蓄电池有 辅助动力模式和双动力模式两种不同的工作方法口1 。辅助动力模式( p o w e r a s s i s t ) 下，多采用能量较小的蓄电池，更偏向于对电池提出功率方面的要求， 7 第2 章辅助动力源与新能源汽车 希望电池可以做到反应迅速，在较短时间内可以提供或者吸收较大能量。双动 力模式( d u a lm o d e ) 下，采用的蓄电池能量相对较大，基本和主动力源平均承 担汽车前进需要的动力，蓄电池投入使用的工况也较长，总体上讲对蓄电池的 要求也更高。本文是以“超越 燃料电池电动汽车项目为背景，研究燃料电池 与蓄电池这种“电电”混合形式下的蓄电池的设计选型与工作特点，其工作模 式属于辅助动力模式。 应用于辅助动力模式下的动力蓄电池，其常用工况已与普通电池不同，具 体说，要在整车有较大功率需求时，可以对其进行大电流的放电，待燃料电池 响应跟上后放电电流就大幅降低，大电流放电的持续时间不长；在整车进行制 动回馈时，又可以在短时间内接受较大电流的充电，即电池要具有瞬间大电流 充放电的能力，虽然充放电电流很大，但由于持续时间都较短，因此电池的充 电或放电深度都不大，电池的荷电状态( s o c s t a t eo fc h a r g e ) 的波动范围也 不大。 结合目前电池技术的发展水平，存在有几种不同类型的蓄电池，都可以作 为车用辅助动力源使用，下面就这些蓄电池进行一下简要的比较。 铅酸电池( v r l a - v a l v e - r e g u l a t e dl e a d - a c i d ) 铅酸电池成本低廉，性能良好，现已拥有广泛的制造、维护和回收利用设 施，是电动汽车动力源中较为常用的一种，它的化学反应方程式为： 正极：舶0 j + 3 h + + h s 0 2 + 2 e = p b s 0 4 + 2 h 2 0 ， 负极：p 易+ h s o ；一2 e p b s o 。+ h + 典型的v r l a 电池比能量为3 0 4 0 w h k g ，比功率为1 5 0 - 2 0 0 w k g ，特殊 类型的v r l a 电池可以做到3 6 k w k g 叫的比功率。随着s o c 的变化，铅酸电池 的功率输出也保持比较稳定。铅酸电池的循环使用寿命可以适应在混合动力汽 车上的使用，安全性也没有问题，由于有很高的回收率( 9 5 以上) ，所以它对 环境也没很大的负面影响，但比功率和比能量较低f 镍镉电池( n i c d n i c k e lc a d m i u m ) 8 第2 章辅助动力源与新能源汽车 镍镉电池在很多方面的表现与铅酸电池接近。通常的镍镉电池比能量为 4 0 一5 0w h k g ，比功率为1 5 0 5 0 0w k g 。举例来讲，s a f t 的适用于公共汽车 的镍镉电池，在s o c ：1 0 0 的情况下，比功率在5 0 0w k g ，当s o c = 5 0 时， 比功率为3 5 0w k g 一，比能量则在3 5w h k g 。1 左右。这表明，镍镉电池有足够的 功率性能和中等的能量水平，在实际使用中，能够满足混合动力公共汽车蓄电 池的使用要求。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 0 5 - 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，目前在欧洲已经有相关的规定，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 lh 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。我 国及美、日均竞相研究开发了储氢合金材料和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 一 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“a a 型n i m h 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 m h 电池试生产基地，有力 地推动了我国储氢材料和n i m h 电池的研制及其产业化进程。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，目前最好的供小型设备使用的密封镍氢电池可以达到约8 0 - - 9 0 w h k g 。1 的比能 量。在对其进行了提高比功率的开发之后，虽然牺牲了部分能量特性，但比能 量仍旧可以维持在6 0 - 7 0 w h k g 。镍氢电池在低温下尚能保持性能，但随着温度 的升高，其循环寿命和再放电能力会受到很大影响。镍氢电池自放电率很高， 并且在自放电过甚，或者在温度逐渐升高的环境中放置时，会出现永久性的容 9 第2 章辅助动力源与新能源汽车 量损失，而这两种情况又是混合动力汽车常出现的工况，因此实际使用时必须 配备有散热管理系统。镍氢电池成本较高，不过较高的成本可以通过大批量生 产和制造技术经验的不断丰富得到逐步降低，其在p r i u s 混合动力汽车上的应用 即是一个不错的证明。我国高功率镍氢电池的比功率已达到8 0 0w k g ，镍氢电 池是一种比较典型的高功率车用电池。 锂离子电池( l i i o n ) 州5 1 锂是金属中最轻的元素，且标准电极电位为一3 0 4 5 v ，是金属元素中电位 最负的一个元素，长期以来一直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的应用， 近年来，由于锂离子电池在小型便携设备使用的非常广泛，故与其相关的各种 技术也得到飞快发展，这使得人们开始考虑锂离子电池是否也可以使用在混合 动力汽车上。 实际上，最先提出锂电池研究计划的目的是为了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 有机电解液中发生溶解，无法构成有长存储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 ，和m o s ，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n 邢，蓄电池，加 拿大推出了圆柱形工f 坳谬，蓄电池。后者曾于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，由于在使用者的对讲机中电池突然发生短路引 起电池过热，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，是导致电池 内部发生短路的原因。 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钴锂及正负极能相容的 工沪r 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。 1 0 第2 章辅助动力源与新能源汽车 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： 垄皇 正极反应：l i c 0 0 2 一谳一一c 0 0 2 + l i + + e 苎! ! 负极反应： “+ + p + c 6 丽_ i c 6 垒皇 电池反应：l i c 0 0 2 + c 6 丽一c d d 2 + l i c 6 上述反应是以氧化钻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l l o 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，电池过充是该材料的最终反应 产物为稳定的a m n 0 2 ，不会有安全问题出现，因此，电池制造商也渴望可以 推广氧化锰锂正极材料。 使用氧化锰锂为正极材料的锂离子电池化学反应方程式为： 苎! 正极反应：l i m n 0 2 丽一肋l 吼+ l i + + e 苎皇 负极反应： n + + e + c 6 丽_ 工f c 6 垄垒 电池反应：l i m n o z + c 6 丽一胁0 2 + l i c 6 通常锂离子电池的比能量为1 2 5 w h k g ，如果为满足特定需要，比能量还可 以升高到1 5 0 - 1 8 0 w h k g 一。可以看到，锂离子电池的比能量很出色，在设计电池 投入实际使用时，对电池比能量的要求没有这样高，于是可以牺牲电池部分的 比能量，把电池的比功率性能提高。比如，供s o n y n i s s a n 纯电动汽车使用的 电池规格为1 0 0 w h k g ，当投入到混合动力汽车的使用时，比能量的要求降至 6 2 w h k g ，这时电池在s o c = 5 0 时的功率可以达到1 0 0 0 1 2 0 0 w k g 。 第2 章辅助动力源与新能源汽车 锂离子电池虽然有非常出色的功率能量性能，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，否则其循环寿 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，同时，较高的内阻还导致在大电流放电时电池的端电压 大幅下降，从而超出混合动力汽车要求的工作电压范围。与镍氢电池类似，锂 离子电池自放电率虽不高，但在放电过甚，或充满状况下在温度逐渐升高的环 境中长时间放置时，会出现永久性的容量损失。锂离子电池发热情况一般，长 时间大电流放电时，发热较严重，设计混合动力控制策略时应避免出现这样的 工况。 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。 过充或者过放当然对电池有害，并且对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，同时，使用 锂离子电池组时，各个单体电池之间的电压值也要均衡好，这对于电池管理系 统来说是不容易做到的，尤其在电池使用过一段时间后，即把各个电池的寿命 也联系到电池性能上时。显然，这些都会增加锂离子电池的使用成本。 表2 1 各类蓄电池主要性能比较 比能量比功率适用类型其它描述 ( w h k g 1 )( w k g 1 ) v r l a 铅3 0 4 0 1 5 0 2 0 0 辅助动力 低温性能差，现有的生产维护设 酸电池模式 备完善，回收利用率高 镍镉电池4 0 5 01 5 0 5 0 0辅助动力现有的生产维护设备完善，高温 模式性能差，要有散热系统，回收困 难且费用高，镉对人体有害 镍金属氢6 0 7 05 0 0 1 0 0 0双动力模高温时电压特性软，自放电率高， 化物电池式要有散热系统，制造成本较高 锂离子电6 0 1 0 ( ) 0 1 2 0 0两者皆可高温时周期寿命下降，低湿放电 池 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，锂离子电池是最有前途的动力蓄电池，它的功率与能 量性能尤其突出，特别是比功率特性，很适合混合动力汽车辅助动力模式的工 1 2 第2 章辅助动力源与新能源汽车 作情况。今后，随着锂离子电池的开发制造水平的不断规范和提高，锂离子单 体电池之间不均衡的矛盾能得到逐步的缓解，而人们对锂离子电池认识的日益 加深也将进一步完善电池管理系统的功能。因此，目前“超越 燃料电池电动 汽车上配备的辅助动力源即是高功率的锂离子动力电池，也是本文所研究的辅 助动力源类型。各类蓄电池主要性能比较如表2 1 。 第3 章锂离子动力电池的静态模型 第3 章锂离子动力电池的静态模型 3 1 锂离子动力电池的静态模型 对蓄电池进行建模的主要目的可以归结为两点，一是从整车角度出发，把 蓄电池看成为燃料电池汽车的一个重要零部件总成，利用模型进行蓄电池的设 计选型，二是从蓄电池自身出发，紧密地结合电池模型与蓄电池管理系统软硬 件，把蓄电池自身描述清楚，方便电池管理系统对其自身的管理，为电池管理 系统的设计提供支持。相对而言，前者是静态的全局的，后者为动态的局部的。 站在整车角度，锂离子电池组是辅助动力源，并且工作在辅助动力模式下， 所以电池的功率特性与整车的动力性密切相关。混合动力型燃料电池轿车动力 总成简图如图3 1 所示，f c e 是燃料电池发动机，电动机只能正常工作在一定 的电压范围内，而这一电压范围，或者说动力总成母线电压就是由动力蓄电池 组来维持的，这就要求电池组在提供大功率的同时，电池组的端电压的波动又 不能过大，也就是电池的内阻不能过大。 图3 1 混合动力型燃料电池轿车动力总成简图 图3 2r c 串联电池模型 1 4 第3 章锂离子动力电池的静态模型 在对蓄电池组进行设计选型时，可将电池组简化为如图3 2 所示的电容电阻 串联的电池静态模型。其中c 为电容，反应了电池的容量，电阻r 在物理意义 上代表了电池的欧姆内阻和极化内阻的总和，c 的容量大小及r 的阻值都与温 度，电池的荷电态及电流在电池上的作用时间等要素有关。 3 2 锂离子动力电池的容量模型 容量是描述电池性能时人们会最先想到的参量。锂离子电池具有非线性的 特点，该特点在容量上具体体现为电、池在同一标称容量与一定的截止电压下， 放电电流大小与放电时间不成反比关系。 3 2 1 容量与放电电流的关系 在室温环境下，用不同放电电流对满充的电池放电，规定相同的截止电压， 试验数据如表3 1 所示，绘制成图形如图3 3 所示，两条曲线分别表示不同电池， 对编号为1 号和1 4 号的两节单体电池分别进行了不同倍率的恒流放电，可见大 电流放电时能够放出的容量更少。图3 4 列举了不同大小电流进行放电的放电过 程，三条曲线自上而下分别表示了用1 c 、5 c 和1 0 c 大小电流对电池的放电过 程。 不l i l 稿矗曲毫出奠 图3 3 不同倍率电流放电容量曲线 第3 章锂离子动力电池的静态模型 表3 1 不同大小放电电流对应的放电容量单位：安时( a h ) 放电电流 1 53 04 56 07 59 01 0 51 2 01 3 5 1 5 0 ( 安培) 1 号电池 1 3 0 0 1 2 9 01 2 7 71 2 6 21 2 4 5 1 2 1 2 1 1 8 6 1 1 5 91 1 3 01 0 0 2 1 4 号电池 1 2 9 1 1 2 4 91 2 3 71 2 2 0 1 1 9 1 1 1 6 81 1 3 41 1 0 51 0 7 21 0 3 4 1 c 5 c1 0 c 放电电压与容量曲线 ；基。，l ； ；l 一对 掣乏| | “ ；( ；t s k ) i i l 、i i 、弋l 、 ：t l n ， ，1 、一 弋一 | ； 、 l 图3 4 不同放电倍率下的放电过程比较 p e u k e r te q u a t i o n 嘲总结了电池在相同截止电压下放电电流与放电时间的关 系，该方程表示为：j ”t c o n s t ，其中，为放电电流，t 为放电时间，把图3 3 进行的试验结果与该方程进行比较，利用最d , - - 乘法可求出式中的捍和c o n s t ， 计算结果如表3 2 、3 3 所示，表中的“计算放电时间 一栏数值，是确定下尼和 c o n s t 后利用该p e u k e r te q u a t i o n 计算所得的理论放电时间。 表3 2n o 1 电池p e u k e r t 方程验算结果表 电池编号：1 c o n s t = 5 8 7 e 0 0 4n = 1 0 6 9 6 放电电流( 安)实际放电时间( 秒)计算放电时间( 秒)绝对误差相对误差( ) 1 53 1 2 1 5 63 2 3 9 21 1 7 6 43 7 7 3 01 5 4 6 7 9 1 5 4 3 3 3 4 90 2 3 4 5 1 0 2 1 8 71 0 0 0 22 1 6 72 1 2 6 07 5 7 2 87 3 5 32 1 9 82 9 0 第3 章锂离子动力电池的静态模型 表3 2n o 1 电池p e u k e r t 方程验算结果表( 续表) 7 55 9 7 5 55 7 9 21 8 3 53 0 7 9 04 8 5 0 44 7 6 68 4 4 1 7 4 1 0 54 0 6 6 74 0 4 12 5 70 6 3 12 03 4 7 7 7 3 5 0 3- 2 5 30 7 3 1 3 53 0 2 23 0 8 96 72 2 1 1 5 02 6 4 6 52 7 61 1 3 54 2 9 表3 3n o 1 4 电池p e u k e r t 方程验算结果表 电池编号：1 4c o n s t - - - 6 1 1e 0 0 4n = 1 0 8 8 7 放电电流( 安)实际放电时间( 秒)计算放电时间( 秒)绝对误差相对误差( ) 1 5 3 0 9 2 23 2 0 31 1 0 83 5 8 3 01 4 9 7 81 5 0 6- 8 2 0 5 5 4 59 8 9 3 29 6 8 5 42 0 7 82 1 0 7 3 2 2 47 12 4 1 4 3 3 0 7 55 7 1 7 65 5 5 3 8 1 6 3 82 踮 9 04 6 6 94 5 5 3 91 1 5 12 4 7 1 0 5 3 8 9 1