（电力电子与电力传动专业论文）电动汽车的研究与仿真分析——电气部分专题.pdf

东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o na n a l y s i so ne l e c t r i c v e h i c l e a b s t r a c t w i t ht h ep r o b l e mo fe n v i r o n m e n ta n de n e r g yb e c o m i n gm o r es e r i o u si n c r e a s i n g l y , e l e c t r i cv e h i c l e sa t ew e l c o m e db yp e o p l eb e c a u s eo fz e r ol e t t i n ga n dl o wn o i s e c o u n t r i e sa l l r e g a r de l e c t r i cv e h i c l e sa sd i r e c t i o no fd e v e l o p m e n ti nv e h i c l ei n d u s t r y e n e r g ya n dd r i v i n g s y s t e ma r eo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fe l e c t r i cv e h i c l e s e f f e c t i v eu s eo fe n e r g ya n d e f f e c t i v ec o n t r o lt od r i v i n gs y s t e mb e c o m ei m p o r t a n tt a r g e tt op u r s u i tf o re l e c t r i cv e h i c l e s t h ee l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cv e h i c l ea r er e s e a r c h e da n da n a l y z e di nt h i sp a p e r ， i n c l u d i n ge n e r g ys o u r c e ，d r i v i n gm o t o ra n de l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m t h r o u g ha n a l y s i so f p r i n c i p l e s ，s t r u c t u r e sa n de l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c so fs o l a rc e l la n dp b a c i db a r e r y t h e m a t h e m a t i c sm o d e l sa r es e tu p t h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fc o n t r o lm o d e so fd r i v e s y s t e m w ef o c u s e do nv e c t o rc o n t r o lm o d et oc o n t r o lm o t o r 1 1 1 em o d e l so fm o t o ri nd e f e r e n t r e f e r e n c ef r a m e sa r ed e d u c e di nd e t a i l a n db a s e do nv e c t o rc o n t r o lt h e o r y , lm a k eu s eo f m a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r et os e tu ps i m u l a t i o nm o d e li nw h i c ht w oc l o s e dl o o p sa r ee m p l o y e d o n ei ss p e e dl o o p ，t h eo t h e ri sc u r r e n tl o o p t h e r e b yd y n a m i cr e s p o n s e ，p o w e rc h a r a c t e r i s t i c s o fe l e c t r i cv e h i c l ea n ds p e e dr e s p o n s ei ne c e ( e c o n o m i cc o m m i s s i o nf o re u r o p e ) c y c l e d r i v i n gm o d ea r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y a n dt og e tb e t t e rc o n t r o le f f e c t ，f u z z yc o n t r o li s i n t r o d u c e dt oo p t i m i z et h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e m r e s e a r c ho ne s t a b l i s h m e n to ff u z z yc o n t r o l s y s t e mi sd o n e ，i nw h i c hs p e e da n da c c e l e r a t i o na r el o o k e du p o nt h ei n p u t s i na d d i t i o n ，t h e s i m u l a t i o nm o d e lo fp b a c i db a t t e r ya l s oi sg i v e ni nt h es i m u l a t i o np a r to ft h i sp a p e rs ot h a t t h ew h o l es y s t e ms i m u l a t i o nc a nb ep r e p a r e de n o u g hf o rp r o j e c to ff u t u r e a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ha n dd i s c u s s i o no ne l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c s ，i to f f e r sr e f e r e n c e v a l u ea n dg u i d a n c es i g n i f i c a n c ef o rt h ew h o l el a y o u ta n df e a s i b i l i t yp r o j e c to fe l e c u i cs y s t e m o f e l e c t r i cv e h i c l e k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；v e c t o rc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；m a t l a b s i m u l i n k l l i 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 。1 研究背景 人口、资源、环境是当今世界发展的三大主题，而汽车工业的蓬勃发展却给这些问 题的解决带来压力。目前世界汽车年产量达5 0 0 0 万辆，汽车保有量近7 亿辆，汽车成 了石油资源的主要消耗者和大气环境的主要污染源i l 】；汽车对人类社会在经济、文化等 诸方面的影响勿庸置疑，而且对今后人类社会的发展也具有深远影响。因此，汽车能源 利用效率、有害物排放、车用新能源的开发和利用等问题，近年来受到了各国政府、专 家和公众的关注。人们投入大量的资金和人力研究更清洁的汽车，寻找更加洁净、可持 续利用的替代能源。 电动汽车成为最近这些年来世界各大汽车厂竞相开发的项目，清洁环保汽车成为人 们追求的目标。中国政府在“九五”计划期间展开了电动汽车开发和产业化的研究，在 “十五”期间将投入近1 0 亿元来进行技术攻关，已经开始实施列入国家8 6 3 计划的电 动汽车重大专项。 太阳能因其属于清洁能源，绿色环保，取之不尽，用之不竭，因此，对太阳能的直 接利用，代表了人类发展的新水平，有利于人类社会的可持续发展。由此太阳能电动车 被人类称之为“未来汽车”1 2 。所以，本课题在以电动汽车作为研究对象前提下，也将 太阳能的利用纳入日程，为以后太阳能在电动汽车领域的实际应用作初步的理论准备。 1 2 电动汽车的基本结构和关键技术 电动汽车系统可分为三个子系统【弱，即主能源子系统，电力驱动子系统和辅助控制 子系统，如图1 1 所示。主能源子系统由主电源、能量管理系统和充电系统构成；电力 驱动予系统主要由电控单元、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动轮组成；辅助 控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。根据制动踏板和加速踏板 输入的信号，电子控制器发出响应的控制指令来控制功率转换器功率装置的通断，一次 来调节电动机和电源之间的功率流。当电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收， 此时功率流反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量回收，能量管理 系统和充电器一同控制充电并监测电源的使用情况。辅助动力供给系统供给电动汽车辅 助系统不同等级的电压并提供必要的动力，它主要给动力转向、空调、制动及其它辅助 一1 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 装置提供动力。除制动和加速踏板提供输入信号外，转向盘也是一个重要的输入信号 动力转向系统根据转向盘的角位置来决定汽车灵活地转向。 制动 于系统 荒l 荔h 熟h 加i 塞o l控制器r _ 转化器厂 电胡机 踏板 7 一币- 一一 能妻fh 能量源 能源 子系统 能量 单元 辅助 动力源 l 温度控制 单元 。壁眵 机械传动 装置 动力转向 单元 辅助 子系统 转向盘 能棉 图l ，1 电动汽车的基本结构 f i g 1 1b a s i cs t r u c t u r eo f e l e c t r i c a lv e h i c l e s 图1 1 中，双线表示机械连接，粗箭头表示电气连接，细线表示控制信号连接，箭 头表示电功率和控制信号流动的方向。 电动汽车的关键技术主要涉及汽车技术、电气技术、电子技术、信息技术和化学技 术等。电动汽车的车身设计、能源系统、电力驱动、能量管理系统是电动汽车技术成功 的关键。 1 车身设计 目前电动汽车主要依特定目的而设计，允许灵活调整和整合各子系统。在设计当中 须对影响整车性能( 如续驶里程、爬坡能力、加速能力以及最高车速) 参数进行改进， 如减轻整车质量、降低风阻系数和减小滚动阻力等。汽车质量直接影响整车性能，特别 是续驶里程和爬坡能力，可采用铝和合成材料制作车身和底盘来减轻汽车自身重量。若 采用流线型的车头和车尾，隐藏式和平坦的车身底部可减小空气阻力；采用滚动阻力系 数小的轮胎可以有效地减小汽车滚动阻力，有效地提高了电动汽车的续驶里程。 2 能源系统 电动汽车一次充电的续驶里程和价格成本是电动汽车推广的主要障碍，而造成这一 障碍的主要因素就是电动汽车的能源系统，它是电动汽车实现市场化的关键。对于能源 系统主要有以下要求： 高比能量和能量密度； 高比功率和功率密度； 一2 一 东北大学硕士学位抡文 第一章绪论 快充和深放电能力，自放电率小、充电效率高； 寿命长，安全佳好且成本低廉； 免维修，对环境无危害，可回收性好。 目前还没有一种能源可以同时满足以上要求，可选择一种能源满足其中的要求，也 可以选择多种能源构成混合动力系统，提供足够高的比能量和比功率。 3 电力驱动系统 电力驱动系统的关键是电气系统，主要由电动机、功率变换器和电子控制器等组成。 对电动机驱动系统要求满足一下几点： 恒功率输出和高功率密度； 汽车起步和爬坡时要求低速一高转矩输出，巡航时要求高速一低转矩输出； 快速的转矩响应特性和较大的转速范围； 转矩转速特性的较宽范围内具有较高的效率； 再生制动时的能量回收效率高； 坚固可靠，成本低廉。 4 能量管理系统 能量管理系统采集从各个子系统输入的传感器信息，包括车内外气温、充放电时电 源电流和电压、电动机电流和电压以及速度和加速度等等。通过能量管理系统，可以优 化系统的能源分配，预测电源的剩余能景、续驶里程，智能控制再生能量，合理调节车 内温度及照明以及进行系统自检和诊断等。能量管理系统和汽车导航系统相结台，将实 现更完美的智能交通。 在本文的研究中，主要将电动汽车能源系统及电力驱动系统的主体部分作为研究对 象进行考察，其总体结构框图如下图所示。 加速信号 减速信号 图1 2 太阳能电动汽车电气部分主体框图 f i g 1 2b l o c kd i a g r a mo f p r i n c i p a le l e c t r i cp a r tf o rs o l a re l e c t r i cv e h i c l e 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本课题研究的内容及意义 本课题针对电动汽车的关键技术进行分层次的探讨与研究。主要包括以下几个方 面的内容： ( 1 ) 介绍太阳能电池的基本原理、单体特性，为太阳能电池建立数学模型，并且 根据负载确定如何连接太阳能电池及其容量。 ( 2 )研究铅酸蓄电池的原理、性能参数以及充放电特性来确定充电方案以充分利 用太阳能电池的转换能量，根据m a s s i m oc e r a o l o 提出的蓄电池动态模型理 论，建立了蓄电池的仿真模型，为以后整个系统的仿真研究作了充分准备。 ( 3 ) 根据电动汽车用驱动策略的特点及优劣，确定了矢量控制方案，并从理论推 导出发，对矢量控制系统作了细致分析，并采用速度和电流双闭环的控制方 式建立仿真模型，进行动力性能分析。 ( 4 ) 为改进控制策略，引入模糊控制策略，针对电动汽车对模糊控制系统进行详 细分析和研究，建立模糊控制系统。 由于太阳能电动汽车课题的研究属于起步阶段，对研究对象的总体把握是十分重要 而且极其必要的，因此本课题涉及的内容比较多，对实际工作的广泛展开起到了很好的 认识和指导作用。 一4 东北大学硕士学位论文 第二章太阳能电池的基本原理 第二章太阳能电池的基本原理 2 1 太阳能电池的基本原理 太阳能电池是将太阳的辐射能转换为电能的光电转换器件，是太阳能利用的重要途 径，其基本结构相当于一个二极管 4 1 ，如图21 所示，原理则以光生伏特效应为基础。 太阳光既是一种波，也是一种粒子，也就是具有所谓的波粒二相性。当太阳光照射 到半导体表面时，一部分被表面反射，另一部分被半导体吸收或透过。被吸收的光一部 分转变为热能，另一部分则以光子形式与半导体内原子的价电子碰撞产生电子孔穴 对。这样，光能就以产生电子一空穴对的形式转变为电能。如果半导体内存在p n 结， 则在p 型和n 型交接而两边形成势垒电场，在势垒区内建电场的作用下，将电子驱向n 区，空穴驱向p 区，从而使得n 区有过剩的电子，p 区有过剩的空穴，在p - - n 结附近 形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵消一部分势垒电场外，还 使p 型层带正电，n 型层带负电，在n 区与p 区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。 若分别在p 型层和n 型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成 的一个个电池元件，把它孵串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。这样， 就实现了太阳能转变为光能的光电能量转换。 & ( n ) p 图2 1 太阳电池的结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo fs 0 1 日l re e l s 2 2 太阳能电池单体的特性 太阳能电池单体的伏安特性如图2 2 所示i ”。其中，几个特性参数的定义如下 短路电流( i s c )特定日照强度和温度下的最大输出电流； 丌路电压( v o c ) 一特定口照强度和温度下的最大输出电压； 开路电压( v o c ) 一特定h 照强度和温度下的最大输出电压； - - 5 ， 东北大学硕士学位论文 第二章太阳能电池的基本原理 第二章太阳能电池的基本原理 2 1 太阳能电池的基本原理 太阳能电池是将太阳的辐射能转换为电能的光电转换器件，是太阳能利用的重要途 径，其基本结构相当于一个二极管【4 】，如图2 1 所示，原理则以光生伏特效应为基础。 太阳光既是一种波，也是一种粒子，也就是具有所谓的波粒二相性。当太阳光照射 到半导体表面时，一部分被表面反射，另一部分被半导体吸收或透过。被吸收的光一部 分转变为热能，另一部分则以光子形式与半导体内原子的价电子碰撞产生电子一孔穴 对。这样，光能就以产生电子一空穴对的形式转变为电能。如果半导体内存在p n 结， 则在p 型和n 型交接面两边形成势垒电场，在势垒区内建电场的作用下，将电子驱向n 区，空穴驱向p 区，从而使得n 区有过剩的电子，p 区有过剩的空穴，在p n 结附近 形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵消一部分势垒电场外，还 使p 型层带正电，n 型层带负电，在n 区与p 区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。 若分别在p 型层和n 型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成 的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。这样， 就实现了太阳能转变为光能的光电能量转换。 & l p 圈2 1 太阳电池的结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo fs o l a r c e l l s 2 2 太阳能电池单体的特性 太阳能电池单体的伏安特性如图2 _ 2 所示1 5 1 。其中，几个特性参数的定义如下： 短路电流( s c ) 一特定日照强度和温度下的最大输出电流； 开路电压( v o c ) 一特定日照强度和温度下的最大输出电压； 一5 一 东北大学硕士学位论文 第二章太阳能电池的基本原理 最大功率点电流( i m ) 一特定同照强度和温度下相应于最大功率点的电流； 最大功率点电压( i m ) 一特定日照强度和温度下相应于最大功率点的电压； 最大功率点功率( p m ) 一特定日照强度和温度下阵列可能输出的最大功率， p m = i mxv m 。 p ( w ) p m i 、5 0 f ，f l 。 4 0 ”一 3 0 pf i _ t 。 2 0 i 二 1 d 0 0 51 01 5v m2 0v o c2 5u ( v ) 图2 2 太阳电池的特性曲线 f i g 2 2c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f s o l a rc e l l 由于受光照和电池结温的影响，其特性曲线随光强和温度而变化，其特性如图2 3 所示。 短路电流 0 +开路电压蚧电压u + 图2 3 太阳能电池伏安特性随光强和温度的变化 f i g ，2 3c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f s o l a rc e l lc h a n g i n gw i t hi n t e n s i t ya n dt e m p e r a t u r e 从图2 r 3 中可以看到无论是温度还是光强发生变化，都会引起开路电压、短路电流 以及最大功率点发生改变，对于某种特定的太阳能电池，在低温高光强下可以得到较高 的电能输出。并且由此可以了解到太阳能电池是一种极不稳定的电源，要想达到效率最 东北大学硕士学位论文 第二章太阳能电池的基本原理 优，就得采取最大功率点跟踪( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ，即m p p t ) 技术，这也 是目前太阳能电池应用当中研究的重要课题之一。 2 3 太阳能电池单体的数学模型 在一定光强和温度下，一个处于工作状态的太阳能电池，其光电流不随工作状 态而变化，在直流模型种可以将其看作恒流源，光电流一部分经负载凰，在负载两侧建 立端电压y 反过来它又正向偏置于p n 结，致使产生与光电流方向相反的暗电流厶， 二极管电流厶与工作电压有关。另外，由于电池体电阻、表面电阻、电极电阻以及电极 与硅表面的间接接触，使电池不可避免地引入附加电阻，其总效果可用一个串联电阻 b 来表示；除此之外，由于电池边缘的漏电和制作金属化电极时在微裂纹、划痕等处形 成地金属桥漏电等，使一部分应通过负载的电流短路，其总体效果可以用一个并联电阻 尼 来等效。这样，就可以用一个近似的直流模型来模拟太阳能电池1 6 j i ”，如图2 4 所示。 光 l 叶r s h hvs l p h ) 图2 4 太阳能电池的直流模型 f i g 2 4d i r e c tc u v f e n tm o d e lo f s o l a rc e l l 由于r ，很小，匙 很大，且咫、r 曲又分别串联和并联在电路中，因此在理想模型中， 这两个电阻可以忽略不计。 太阳能电池单体光电流大小与单位面积的辐照度，即光强有关，光强越强，锄 值越大，二者基本成正比关系；另外锄还与电池温度有关，温度升高时，锄值略有上 升。由此可以写出太阳能电池的电流关系： i = 一l 一厶 ( 2 1 ) 其中，l 可表示为 l ： 9 吖r 一1 1 (22)a l o ( e 7 n k = 7 一1 1( 2 2 ) 式中厶反向饱和电流； 7 东北大学硕士学位论文 第二章太阳能电池的基本原理 口单位电荷； k 玻尔兹曼常数； 丁绝对温度； n 二极管理想因子。 综合( 2 1 ) 、( 2 2 ) 两式可以的到太阳能电池电流电压方程如下： j ：1 。一厶p q u r , + 砂幺r 一1 1 一i r s + v ( 2 3 ) j = 砷一厶 “打一1 卜= f 2 3 由于通常情况下，串联电阻r 。远小于二极管的导通电阻，因此，可以认为b l 。 2 4 太阳能电池的连接方式及容量的确定 如果将若干太阳能电池串接起来，那么输出电压即为各单体电压之和；如果将其并 接，则输出电流即为各单体电流之和【引。因此可以根据负载以及蓄电池的充放电要求来 确定串接和并接的电池单体数目。然而，如果将电池单体简单串并接在一起，当某片电 池损坏开路或者被阴影遮挡时，损失的将不是一片的功率，它将导致相关联的电池均失 去作用。因此，太阳能电池方阵多采用串并联互接方式，如图2 5 所示。这样，不管是 某片电池单体短路还是被阴影遮挡都不会使大片电池受到影响。而且，串联片数足够多 的话，如果有一片或若干片失去作用，对总体的电压输出不会产生明显的影响；倘若并 联的数目较少，那么可以在电池单体一侧并联一个旁路二极管，如果有某片电池开路， 则并联支路的电流可以通过旁路二极管绕过电池单体，这样对整体方阵的输出电流也不 会产生明显的影响。因此，大大提高了太阳能电池方阵的可靠性。 图2 5 太阳能屯池方阵联接示意图 f i g 2 5c o n n e c t i o no f s o l a rc e l l sa r r a y 下面将分析如何来确定太阳能电池的串并接数目。 因为要利用太阳能电池给蓄电池充电，因此太阳能电池单体的串联数目与蓄电池的 8 一 东北大学硕士学位论文 第二章太阳能电池的基本原理 浮充电压珥有直接关系，可以用如下方程来表示： u f = u s + + u ( 2 4 ) 式中u s 电池的浮充电压； 温度升高而引起的太阳能电池的电压降； u 因线路损耗引起的电压降。 如果能够保证太阳能电池工作在最大功率点附近，且知道该点处的输出0 9 n _ , n u ， 则可以确定所需串联电池的数目为： ：生：丝堡竺( 2 5 ) 6 虬u 由于方阵的并联数目与负载电流有关，而其输出电压已经由上式确定，因此并联电 池的数目也可以用能量或功率来表达： 兀q 幺 q 2 才 2 6 式中n q 影响太阳能电池输出的各项因素的修正系数的乘积； q 。电池每小时所消耗的平均能量； q 太阳能电池每小时每支路的能量输出； 可按下式计算： n q = q q 吼d ，以 ( 2 7 ) 式中仉太阳光辐射量修正系数； 口f _ 温度修正系数； n 。蓄电池充电效率修正系数； 日厂一电路损失修正系数； 厂一反射损失修正系数； d 。纬度修正系数； 仉雪修正系数； 啾一盖片透明度降低修正系数。 9 东北大学硕士学位论文 第二章太阳能电池的基本原理 2 5 本章小结 本章首先介绍了太阳能电池发电的基本原理以及太阳能电池单体的伏安特性曲线， 接着根据其原理和特性建立了太阳能电池单体的数学模型，确定一定光强条件下，输出 电流和输出电压之间的伏安关系。最后在本章的2 4 小节介绍了如何根据负载来确定太 阳能电池的容量以及连接方式。另外，文中也已经说明，光照强度和电池温度对太阳能 电池的输出特性有很大影响，因此在太阳能电池的有效利用过程中，这是一个值得重视 的关键因素，对大功率点的跟踪技术也是太阳能电池应用当中的一个重要课题。 l o 东北大学硕士学位论文第三章电动汽车的储能电池 第三章电动汽车的储能电池 储能电池是电动汽车动力系统的中枢环节，它既是太阳能电池电能的存储单元，又 是驱动电动机的动力来源，因此是电动汽车的核心技术之一。 作为电动汽车的储能电池，必须满足下面的基本要求： ( 1 ) 体积小、重量轻、储存能量密度高，使电动汽车的一次充电续驶里程尽可能 长； ( 2 ) 能量输出密度高，使电动汽车的加速性能和爬坡性能足够好； ( 3 ) 能够快速启动和运行，可靠性高； ( 4 ) 循环次数高，使用寿命长。 目前，储能电池的种类很多，主要有铅酸蓄电池v r l a 、镍基电池( 如n i c d 、n i m h 等) 、钠p 电池( 如n a s 、n a - n i c l 2 等) 、金属空气电池( 如z r g a i r 、a l a i r 等) 以及锂 离子电池( 如l i l o n 、l i p l o y m e r 等) 、质子交换膜燃料电池( 如p a f c 、a f c 、s p f c 等) 等等，另外还有一些高能量储能元件，如超容量电容、飞轮电池等。 铅酸蓄电池( l a ) 已经经过一个多世纪的发展，技术可靠，生产工艺成熟，成本 低，单体电池电压高，适合电动汽车使用的良好的大电流特性，具有良好的高温和低温 特性，高能量效率以及多种多样的型号和尺寸。因此，在本文的研究试验中仍然选择铅 酸蓄电池作为太阳能电动汽车的储能电池。 铅酸蓄电池可分为两大类，即注水式铅酸蓄电池f l a b ( f l o o d e dl e a d a c i db a t t e r y ) 和阀控铅酸蓄电池v r l a b ( v a l v er e g u l a t e d l e a d e d a c i d b a t t e r y ) 。前者廉价，但需要经常 维护，补充电解液( 加水或加酸) ：后者通过安全控制阀自动调节密封电池体内充电或 工作异常产生的多余气体，免维护，更符合电动汽车的要求。 目前电动汽车使用的动力铅酸电池一般采用阀控式铅酸蓄电池。因为这种电池较普 通铅酸电池更为方便，在比能量、比功率等方面有一定提高。其比功率基本能满足电动 汽车加速和爬坡的要求，循环使用寿命一般4 0 0 次以上。但比能量仍然较低，一般为 3 5 w h k g 左右，致使电动汽车的一次充电续驶里程很难超过1 6 0 k i n 。另外铅酸蓄电池在 正常工作时开路电压电池荷电状态( v o c s o c ) 特性较平缓，斜率也很小，这对逆变器 及控制系统有利，但对电池模型参数辨识和电池能量管理系统的设计造成困难，很难根 据v o c 来较精确地给出电池剩余电量的预计。 一】1 一 东北大学硕士学位论文 第三章电动汽车的储能电池 3 1 铅酸蓄电池的基本原理及其性能参数 3 1 1 铅酸蓄电池的基本原理 铅酸蓄电池采用二氧化铅作为正电极，海绵状铅作为负电极，稀硫酸作为电解液， 其化学反应方程式表示为【9 l ： p 6 + p 6 0 | + 2 h 2 s 0 4 2 p b s 0 4 + 2 皿0 ( 3 1 ) 其反应正负极都生成p b s 0 4 ，这就是j h g l a d s t o n e 和a t r i b e 的双硫酸盐化理论。 放电时，负极板上给出知，铅粉与硫酸反应生成硫酸铅；正极板二氧化铅得到拓，也 生成硫酸铅，形成回路电流，电解液硫酸的浓度逐渐减小。充电时，负极板由充电电路 得到知，正极板给出知，形成回路电流，硫酸浓度逐渐上升。 3 1 2 性能参数 在研究铅酸蓄电池之前，首先介绍几个评价其性能好坏的常用参数。 ( 1 ) 蓄电池的容量：在一定放电条件下蓄电池所能放出的电量，用安培小时( a h ) 表示，有理论容量、额定容量和实际容量之分。 理论容量 额定容量 实际容量： 根据活性物质的质量按照法拉第定律计算得到的最大理论值，用c 。 表示。为比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位质量或单 位体积电池所能给出的理论电量，常以a h k g 或a h l 表示。 设计和制造蓄电池时，按国家或有关部门颁布的标准，保证蓄电池在 一定的放电条件下，应该放出的最低限度的电量，也称公称容量，用 c n 表示。一般按3 小时率或5 小时率计算。 在一定放电条件下，蓄电池实际放出的电量，数值上等于放电电流在 放电期间上的积分，用c 女表示。实际容量的值小于理论容量的值。影 响实际容量的因素除本身的结构和制造工艺外，还有放电方式，主要 包括放电电流的大小、放电终止电压和电解液温度等。 ( 2 ) 蓄电池的能量：在一定的放电条件下蓄电池对外做功所输出的电能，用瓦时表示 ( w h ) ，分理论能量、实际能量和额定能量。 理论能量：可用理论容量c 。和电动势e o 的乘积来表示： = c 理& ( 3 2 ) 实际能量：在一定放电条件下的实际容量c * 与平均工作电压v + 的乘积： 一1 2 东北大学硕士学位论文第三章电动汽车的储能电池 嘿= c 实啤 ( 3 f 3 ) 通常在比较不同蓄电池性能时，常用比能量和比功率来比较。 比能量：蓄电池的单位质量或单位体积所能输出的电能，分别用w h k g 或w h l 来表示。通常蓄电池的比能量受放电率影响。 比功率：蓄电池单位质量或单位体积输出的功率，分别用w k g 或w l 来表示。 比功率与蓄电池的放电深度有密切关系，所以表示蓄电池的比功率时还 应指出蓄电池的放电深度。 比能量和比功率是蓄电池性能的综合指标，具有高比能量和比功率的蓄电池具有较 高的性能。 ( 3 ) 循环寿命：电源失效前允许的深放电次数。 循环寿命是基于能量存储原理评价电动汽车电源使用寿命的重要参数，本文将在后 续内容中加以介绍。 ( 4 ) 续驶里程： 电动汽车一次充电后在某一速度下的续驶里程等于电池能量与电动汽车在该速度 下的能耗率之比。能耗率与行驶阻力成正比，因此在坡度为零，匀速行驶条件下，电动 汽车的续驶里程公式可表示为： j ：孥( 3 4 ) j = ：。一 l j ， t g + 击l k a v 2 式中g 6 _ 一蓄电池质量( k g ) ； 肛一取决于有用电池能量密度及车辆传动效率的系数； 岛旋转阻力系数，取0 1 o 2 n k g ； e 一车辆总质量( k g ) ； 珏一空气阻力系数； 一电动汽车迎风面积( m 2 ) ； p 一车速( k m h ) 。 由此可知，提高电动汽车的续驶里程的有效途径是增加电池能量和减轻车重。 东北大学硕士学位论文第三章电动汽车的储能电池 3 2 铅酸蓄电池的电特性 3 2 1 放电特性 铅酸蓄电池的放电特性如图3 1 所示 1 0 1 。 电池 时间m 图3 1 铅酸电池放电特性 f i g 3 1d i s c h a r g e dc u r v eo f p b - a c i db a t t e r y 从图3 1 可以看到，蓄电池的端电压随着放电时间和放电率的增加而下降；特别是 放电末期，电压急剧下降。这是因为放电过程中，活性物质表面硫酸浓度降低，引起电 池电动势降低；当放电端电压达到一定值时，如果继续放电，获得的容量将很小，而且 还会影响蓄电池的使用寿命，所以放电时必须在某一适当的电压截止放电，该截止电压 也就是放电终止电压。 而且，放电率不同，终止电压也不同。大电流放电时规定的终止电压较小，小电流 放电时，规定的终止电压较大。由于大电流放电时，即使放电至相当低的电压，因为生 成硫酸铅的量较少，所以对极板不会损坏，但用小电流长时间放电时，硫酸铅明显增加， 活性物质膨胀产生的应力，会造成极板弯曲或活性物质脱落，从而影响续电池的使用寿 命。因此，小电流放电时终止电压的值也不能取得过大。 蓄电池的放电电流通常用放电率来表示： 1 = k c ( 3 5 ) 式中卜一蓄电池的放电电流( a ) ； 一与蓄电池额定容量对应的标定放电时间； c 一蓄电池的额定容量( a h ) ； 卜放电率。 1 4 东北大学硕士学位论文第三章电动汽车的储能电池 由于随着蓄电池的放电率的提高，蓄电池的可利用能量和容量降低，所以在表示蓄 电池的可利用能量或容量的同时应标出电池的放电率。 放电速率简称放电率，常用时率和倍率表示。 时率是以放电时间表示的放电速率。即以某电流放电至规定终止电压所经历的时 间。例如某蓄电池额定容量是2 0 小时率为6 0 a h ，即以c 2 0 为6 0 a h 表示，则电池应以 6 0 2 0 = 3 a 的电流放电，连续达2 0 h 者即为合格。 倍率是电池放电电流的数值为额定容量数值的倍数。如放电电流表示为o 1 c 2 0 ，对 于一个6 0 a h ( c 如) 的电池，即以0 1x 6 0 = 6 a 的电流放电；3 c 2 0 意指1 8 0 a 的电流放 电。c 的下脚标表示放电时率。 3 2 2 充电特性 3 2 2 1 理论基础 6 0 年代末期，美国科学家j a m a s 提出了以最低析气率为前提的蓄电池可接受充 电电流曲线，如图3 2 所示。按照该曲线，使蓄电池以一定的电流值进行充电。该电流 值仅供蓄电池接受而不会有气体( 氢气和氧气) 析出。如果在蓄电池整个充电过程中充 电电流等于蓄电池的可接受电流，那么充电电流中不仅没有产生气体的电流量，而且充 电持续的时间也可以减少到最小。 图3 2 蓄电池可接受充电屯流曲线 f i g 3 2a c c e p t a b l ec h a r g e dc u r v eo f p b a c i db a t t e r y 在充电过程中任何时间，上的电流可表示为： 1 = 厶e ”。 ( 3 6 ) 式中，旷一f ；0 时的最大初始电流值； 旷一衰减常数，被定义为蓄电池充电电流接受比。 东北大学硕士学位论文 第三章电动汽车的储能电池 在该指数函数以上的任何电流，均不能提高充电率，而只会增加出气量；反之，在 指数函数曲线以下的任何电流只会增加充电时间。 根据( 3 6 ) 式，如果蓄电池始终按照上图曲线进行充电，那么，在任何时间，存 储于蓄电池内的电容量： c = f t d t = 胁“击= 鲁( ，彳 限，) 后面的关系式说明，充电结束时的充入量也是原来蓄电池放出的电荷量，即： c = i o a ( 3 8 ) 所以， a = 厶c ( 3 9 ) 因此，电流接受比a 是充电初始电流如与待充入电容量c 之比。如果取口= 1 ，蓄电 池的放电深度为1 0 0 ，对于任一给定的已放出的容量，电流接受比越高，则初始电流 就越大、充电速度也越快。完全按照蓄电池可接受充电电流进行充电，由( 3 7 ) 可知， 经过5 小时充电，蓄电池就能达到9 9 以上的容量。比常规充电时间缩短很多。显而易 见，如果充电电流始终沿着上图曲线变化，那么电流接受比将维持不变，充电将始终处 于其实际接受的充电电流与本身固有的特征相匹配的最佳状态。 后来，马斯又提出了快速充电的3 个基本定律，支配并影响着蓄电池在充电时出现 的全过程。 第一定律 对于任何给定的放电电流，蓄电池电流接受比a 与放电容量c 的平方根成反比，即 a ：置芒( 3 1 0 ) 由于蓄电池已放出的电荷量也就是待充入的电荷量，根据( 3 8 ) 式，第定律也可写成： i o = c a = c x k 虿= 置否 ( 3 1 1 ) 上式表明，蓄电池可接受的初始充电电流厶与蓄电池的容量有关，容量越大，蓄电池可 接受的初始充电电流越大。 第二定律 对于任何给定的放电量，蓄电池充电电流接受l p a 与放电电流的对数成正比，即： a = k x l g 蚂 ( 3 1 2 ) 式中k ，卜常数； ，卜放电电流。 一1 6 一 东北大学硕士学位论文 第三章电动汽车的储能电池 由于l o = c a ，所以第二定律也可表示为： l o = k c l g k x l ( 3 1 3 ) 由上式可知，蓄电池接受充电电流的能力与蓄电池的放电电流有关。放电电流越大， 蓄电池可接受充电电流的能力也越强。 第三定律 蓄电池以不同的放电率放电后，可按受的充电电流是各个放电率的可接受充电电流 之和，即： is = j i + 1 2 + i ( 3 1 4 ) 因此可得： 铲 ( 3 1 5 ) 式中卜总的可接受充电电流； g 蓄电池放出的全部电量； 总的充电电流接受比。 3 2 2 2 充电方法 图3 2 所示的蓄电池可接受的充电电流皓线是一条理想曲线。直接运用这条曲线充 电是有一定困难的。下面介绍一下几种常见的传统充电方法，主要有恒流充电、恒压充 电、恒压限流充电、先恒流后恒压充电等。 ( 1 ) 恒流充电 在蓄电池进行试验和使用过程中，大部分用恒流方法充电。在充电过程中随着电池 电压的变化要调整电流使之恒定，根据充电速率的大小，可分为： 浮充充电：有称涓流充电，一般充电速率在c 5 0 一下。 标准充电：一般充电速率在o ，1 c 左右，充电时间大约在1 4 h 左右。 快速充电：一般充电速率在0 3 c 左右，充电时间大约在3 h 左右。 这种维持恒电流的方法，从直流发电机和硅整流装置中都能得到实现。其操作简单、 方便，易于做到，这种方法特别适合由多数电池串联的电池组，落后电池的容量易于恢 复，最好用于小电流长时间的充电模式。 恒流充电方式的不足是，开始充电阶段电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充 电电压偏高，整个充电时间长，特别在充电后期，析出气体多，对极板冲击大，能耗高， 充电率不超过6 5 。 一1 7 东北走学硕士学位论文第三章电动汽车的储能电池 为避免充电后期电流过大，可采用分段恒流充电对其进行改进，在后期将充电电流 减小。具体充电电流的大小、充电时间以及何时转换为小电流，应当参照蓄电池维护使 用说明，以免损坏电池。 在国外，除非蓄电池需要长时间小电流进行活化充电之外，已经很少使用。这种充 电方法，充电时间均在1 5 h 以上。 ( 2 ) 恒压充电 恒压充电就是指以一恒定电压对蓄电池进行充电。因此充电初期由于蓄电池电压较 低，充电电流相当大，但随着蓄电池电压的渐渐升高，电流逐渐减小。在充电末期只有 很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。相对恒流充电，由于该方法充电 电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达8 0 ， 如充电电压选择得当，可在8 h 内完成充电。 其缺点是： 在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电装置的安 全，蓄电池也可能因过流而受到损伤； 若充电电压选择过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适宜串联数量多的 电池组充电； 蓄电池端电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电很难完成。 恒电压充电一般应用在电池组电压较低的场合。光伏小系统中常常采用这种充电方 法，因为蓄电池组依靠太阳能电池阵列来充电，而太阳能电池的功率不足以使蓄电池产 生很大的电流，所以在这样的系统中蓄电池组串联不多。 ( 3 ) 恒压限流充电 为弥补恒压充电的缺点，广泛采用恒压限流的方法。恒压限流充电是在充电电源 和蓄电池之间串联一个限流电阻，当电流较大时，其上的电压降也大，从而减小了充电 电压；当电流较小时，限流电阻上的电压降也很小，充电装置输出的电压降损失就小， 这样就自动调整了充电电流，使之限定在某个范围内，从而使得充电初期的电流得到了 控制。 从效率的利用上来讲，这种方法不适合光伏系统，因为串联的电阻消耗了有限的电 能。但是如果采用非能耗限流方式，还是有其优越性的。 ( 4 ) 先恒流后恒压充电 也称标准恒电流定电压充电方法。这种充电方法是恒流充电和恒压充电的简单结 一l r 东北大学硕士学位论文第三章电动汽车的储能电池 合，采用前期恒流充电和后期恒压充电的方式，一方面避免了恒压充电初期充电电流过 大，另一方面又避免了恒流充电后期因过充电使蓄电池产生析气的现象。 当蓄电池容量达到当时环境条件下的额定容量时，很多充电装置允许对蓄电池继续 以小电流充电，以弥补蓄电池的自放电，这种以小电流充电的方式也称为浮充。这一阶 段是对恒流定压方法的有效补充，此时充电电压将比恒压阶段低。 如果用太阳能电池作为充电电源，考虑到能源有限、成本投资有限及充电电源特殊 等特点，充电控制有其特殊性。对于太阳能发电系统来讲，追求高效能源利用率是研究 者的目标；而采用优化的充电控制策略对蓄电池进行充电控制，将能有效地剥用蓄电池 的可用容量，并且延长蓄电池的使用寿命。 3 2 3 极化和自放电现象 ( 1 ) 极化现象 铅酸蓄电池的内叫1 1 1 包括欧姆电阻和极化