（热能工程专业论文）混合动力车辆电池性能及其管理系统研究.pdf

摘要 节能 环保与安全是世界汽车工业发展的3 大主题 混合动力电动汽车由于 兼具内燃机车辆和电动车辆的优点 成为清洁汽车产业化的重要方向 水平铅布 电池是一种新型的阀控铅酸蓄电池 由于其具有使用安全和免维护性能 在电动 汽车领域的应用前景引人关注 本文研究了水平铅布电池的性能 和作为电动车 辆电源的输入输出特性 分析了电池管理系统的功能 对电池管理系统中的研究 重点一电池的状态进行了综合估计方法的实践和利用卡尔曼滤波方法的试验和 验证 设计和开发了电池管理系统 实现了电池参数检测 电池状态估计 均衡 充电及异常报警等功能 并在混合动力摩托车上进行了运行试验 进行了水平铅布蓄电池的应用研究 通过台架试验 研究了水平铅布蓄电池 的充放电特性 确定了电池容量与使用条件的数量关系 分析和测试了串联电池 组在充放电过程中的性能差异 设计开发了电池组均衡充电试验装置并进行了试 验验证 在此基础上进行了电池的模型研究 确定了电池的容量和电压特性模型 并从电压限制的角度对一定荷电状态电池最大允许充放电功率进行了预测 为管 理系统控制电池的充放电过程提供了依据 建立了电池的等效电路模型 通过试 验进行了参数辨识 为电池荷电状态模型的建立提供了基础 进行了电池组荷电状态预测技术研究 提出了在混合动力电动汽车上将电量 累计 电压测量作为混合动力电动汽车荷电状态和健康状态的估计方法 具体实 践中考虑了温度对容量的影响 实施了在线监测电池内阻的方法 作为电池健康 状态的检测手段 及时发现性能退化 避免产生大量电池失效 进行了卡尔曼滤波技术电池荷电状态估计的应用研究 根据电池等效电路模 型 建立了电池系统的状态方程和测量方程 对实车运行时的的电池参数进行采 集 编制了滤波算法程序对数据进行处理 实验结果表明 该方法可以实现对动 态条件下电池组荷电状态的估计 可作为电量累计方法的校验 减少由于电池状 态演变引起的误差累计 设计和开发了电池管理系统 实现了电池参数采集 电池状态估计 异常现 象报警和数据输出和显示等功能 完成了电池管理系统的硬件部分设计 包括电 流传感器 a d 采集器的选择和标定 分电压测量电路的设计和制作 各部分硬 件的连接和调试 进行了电池管理系统软件部分设计 包括采用多线程技术实现 系统实时性设计 系统界面设计 状态估计算法和数据处理等 设计了车载电池 组均衡充电模块 并进行了试验验证 在混合动力摩托车上的运行试验表明了所 开发电池管理系统的适用性 关键词 混合动力电动车辆 水平铅布电池 电池管理系统 荷电状态 均衡 充电 u a b s t r a c t e n e r g y s a v i n g e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o na n ds a f e t ya r et h et h r e em a i na g e n d a so fa u t o m o b i l e i n d u s t r yo ft h ec u r r e n tw o r l d w i t ht h ea d v a n t a g e so fb o t hi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ep o w e r e d v e h i c l e sa n de l e c t r i cv e h i c l e s h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s 1 m r s h a v eb e c o m et h ec o m m e r c i a l f o c u so fc l e a n e rv e h i c l e si nr e c e n ty e a r s b e c a u s et h eh o r i z o n t a ll c a d a c i db a t t e r y an e wk i n do f v a l v er e g n l a t e dl e a da c i db a t t e r y h a st h ee a s ym a i n t e n a n c ea n dg o o ds a f e t yc h a r a c t e r i s t i c s i th a s a t t r a c t i n ga p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di np o w e rs o u r c e sf i e l d s i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ea u t h o rh a s i n v e s t i g a t e dt h ee l e c t r i cp e r f o r m a n c ea n dt h ei n p u t o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fh o r i z o n t a ll c a d a c i d b a t t e r i e sa st h ep o w e rs o u r c oo fh e v s a n a l y z e dt h ef u n c t i o no fb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m e s t i m a t e dt h es t a t eo f c h a r g eb yc o m p r e h e n s i v ee s t i m a t i n gm e t h o d sa n da p p l y i n gk a l m a nf i l t e r i n g t e c h n i q u e d e v e l o p e dt h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m w h i c hh a st h ef u n c t i o no fm o n i t o r i n gt h e b a t t e r yc o n d i t i o na n dp a r a m e t e r sa n de s t i m a t i n gt h es t a t eo fc h a r g ea n dc h a r g i n ge q u a l i z a t i o na n d g i v i n ga l a r mi nc a s eo fa b n o r m a lc o n d i t i o n s e x p e r i m e n t sh a v eb e e nt a k e nf o rv e d f i c a t i o no na h y b d de l e c t r i cm o t o r c y c l e r e s e a r c ho nt h ea p p l i c a b i l i t yo fh o r i z o n t a l1 e a d a c i db a t t e r i e sa st h ep o w e rs o u r c eo fh e v s h a sb e e nd o n e n k e yc h a r g ea n dd i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e dt h o u l g ht h eb e n c ht e s t s e s p e c i a l l yt h el a r g ec t u t e r l ta c c e p t a n c e t h ee f f i c i e n c yo fc h a r g i n ga n dt h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h e b a t t e r yc a p a c i t y 啊1 ed i f f e r e n c e sb e t w e e nb a t t e r i e si ns e r i e sb a t t e r yh a v eb e e nt e s t e d a n dt h e e q u a l i z a t i o nc i r c u i th a sb e e nd e v e l o p e df o rc h a r g i n ga n dt h er e s u l tw a ss a r i s f y i n g o nt h eb a s i so f b e n c ht e s t s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh o r i z o n t a ll e a d a c i db a t t e r yh a sb e e nd e v e l o p e ds ot h a tt h e c a p a c i t ya n dv o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c sc a nb ep r e d i c t e d f o l l o w e db yt h em a x i m u mp o w e ro ft h e c h a r g ea n dd i s c h a r g ea c c e p t a n c e n md e v e l o p e dc i r c u i tm o d e lb a t t e r yw i l lb et h ef o u n d a t i o no f s t a t eo f c h a r g ee s t i m a t i o n c o m p r e h e n s i v es t a t eo f c h a r g e s e e e s t i m a t i n gm e t h o d sh a v eb e e na p p l i e di nh e v s t h e s e m e t h o d si n c l u d e v o l t a g em e a s u r e m e n t s c o u l o m b h o u rm e a s u r e m e n t s a n dr e s i s t a n c e m e a s u r e m e n t s m e a s u r i n go p e nc i r c u i tv o l t a g ef o ri n i t m ls o c a c c u m u l a t i n gc o u l o m bi nc h a r g e a n dd i s c h a r g es t a g e s c o n s i d e r i n gt e m p e r a t u r ee f f e c to nc a p a c i t y m o n i t o r i n gr e s i s t a n c ef o rs t a t eo f h e a l t hd e t e r m i n a t i o n i nc a s eo f i n v a l i d a t i o ni nl a r g en u m b e ro f b a t t e f i e s s t u d yo fa p p l i c a t i o no fk a l m a nf i l t e ri ne s t i m a t i n gs o ch a sb e e nd o n e o nt h eb a s i so ft h e e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fb a t t e r i e s t h es t a t ee q u a t i o na n dm e a s u r i n ge q u a t i o nw e f ef o u n d e d a l l a l g o r i t h mw a si m p l e m e n t e dt op r o c e s st h ed a t ao fr e a ld r i v i n gs c h e d u l e sf o re s t i m a t i n gt h es o c i t sv e r i f i e dt h r o u g he x p e r i m e n t st h a tt h ea l g o r i t h mc a l le s t i m a t es o co fb a t t e r i e su n d e rd y n a m i c c u r r e n tc o n d a i o n s a n dc 觚b et h ev e r i f i c a t i o no f c o u l o m ba c c u m u l a t i o nf o rd e v i a t i o nd e c r e m e n l ab a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d t h em a i nf u n c t i o nc o m p r i s e sm o n i t o r i n g b a t t e r yp a r a m e t e r s e s t i m a t i n gt h es o c a b n o r m a la l a r ma n dd a t ao u t p u t t h eh a r dw a r ed e s i g n i n c l u d e s c h o i c ea n dc a l i b r a t i o no fc u r r e n ts e n s o r sa n da dc o l l e c t o r d e s i g na n dm a k i n go f m o d u l a rv o l t a g em e a s u r i n gc i r c u i t c o n n e c t i o na n dt e s to fa l lp a r t s t h em a n a g e m e n ts o f t w a r e d e s i g ni n c l u d e s r e a l t i m er e a l i z a t i o nb ym u i t i t h r e a dt e c h n i q u e i n t e r f a c er e a l i z a t i o n a l g o r i t h m p r o g r a m m i n ga n dd a t ao u t p u t b e s i d e s t h ec h a r g i n ge q u a l i z a t i o nc i r c u i th a sb e e nd e v e l o p e df o r o n b o a r db a t t e r i e s t h er e l i a b i l i t yo f b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mh a sb e e nv e r i f i e dt h r o u g hd r i v i n g e x p e r i m e n t so nah y b r i dm o t o r c y c l e k e y w o r d s h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s h o r i z o n t a ll e a d a c i db a t t e r i e s b a t t e r ym a n a g e m e n t s y s t e m s t a t eo f c h a r g e c h a r g i n ge q u a l i z a t i o n i i i 独创性声明 本入声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做酊任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名 5 生萎辇 日期 垒 至 丕三 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部 分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 签名 3 量壶奎 导师签名 日期 型二互堑 第1 章绪论 1 1 混合动力电动汽车发展概况 汽车工业的发展在推动全球工业进步和经济发展的同时 也带来很多社会问 题 首先 汽车的大量使用使国民经济对石油能源的依赖进一步加强 据有关机 构统计 美国每天消耗的石油有2 3 用于交通运输 其中一半用于轿车 轻型货 车和厢式货车上 中国汽车工业处于快速发展的阶段 汽车的产量和保有量大步 攀升 2 0 0 2 年我国有3 1 的石油依赖进口 2 0 0 4 年我国石油进口依存度达到4 5 1 预计到2 0 0 7 年我国需要进口石油的比例将达到5 0 其次 汽车的排放污 染和噪声造成的环境污染和温室效应 已经严重地威胁了人类的生存健康 环境 监测数据表明 汽车尾气排放是我国城市大气污染的主要来源之一 北京市机动 车尾气排放对大气污染物中c o h c n o 的分担率分别为6 3 4 7 3 5 和4 6 非采暖期这一分担率更高 分别为8 0 3 7 9 1 和5 4 8 上海市更为严重 分别为8 6 9 6 和5 6 广州 天津 重庆等许多大中型城市也有类似情况 目前世界上空气污染最严重的1 0 个城市中有7 个在中国 按照中国国家环境保 护中心的预测 2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占空气污染源的6 4 为了控制汽车 工业对环境的污染 保障国家能源安全和经济可持续发展 政府在给公众提供方 便快捷交通工具的同时 要使车辆尽可能少得消耗燃油能源 最大限度降低污染 程度 节能 环保与安全成为世界汽车工业发展的主题 纯电动汽车 混合动力 电动汽车和燃料电池汽车的研究发展成为世界汽车工业的重要方向 纯电动汽车以其无排放污染 行驶噪声低 能量利用效率高而受到再次关注 世界各国政府 全球各主要汽车公司都在积极进行纯电动汽车的研究和开发工 作 其中美国通用 g m 的e v l 福特 f o r d 的t h n k 和日本日产 n i s s a n 的h y p e r m i n i 丰田 t o y o t a 的r a v 4 代表了当今纯电动汽车的发展水平 其 主要技术参数 l 列于表1 1 纯电动汽车以车载电池为能源载体 能实现真正零 排放 续驶里程可满足城市中短途运输要求 由于相关的充电设施建设成本高 充电时间较长 电池寿命较短 量产规模较小 导致纯电动汽车购买和使用成本 较高 与商品化要求尚有距离 表1 1 主要电动汽车性能比较 截至2 0 0 1 年2 月 f i g 1 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o na m o n gt h em a i ne l e c t r i cv e h m e s 制造商g mg mf o r d n i s s a n t o y o t a p e u g e o t 车辆型号 e v le v lt h n k h y p e r m i n i r a v 41 0 6 电机型式三相异步三相异步三相异步永磁同步永磁同步直流他励 电池类型阀控铅酸 镍氢镍镉锂离子镍氢镍镉 电池能量 1 6 22 6 41 1 51 52 71 2 k w h 最大行驶 9 51 3 08 5 1 1 52 0 01 5 0 里程 k m 充电时间 665 84l o7 8 h 混合动力电动汽车可以解决纯电动汽车充电因素等的制约 将内燃机和电 动机统一布置在车辆动力系统中 其中内燃机可以是柴油机也可以是汽油机 但 共同的特点是排量小 重量轻 速度高 排放好 电动力系统中包括高效强化的 电动机 发电机和蓄电池 通过合理的控制策略 可使内燃机在能量利用效率最 高 排放污染最小的工况工作 混合动力电动汽车除发动机 电动机 蓄电池等各种单元技术外 重要的技 术是各系统的电子控制技术和整车动力系统优化与控制技术 匹配好的系统能达 到节省燃料5 0 排放下降8 0 此外 制动能量回收技术 应能回收制动能 量的3 0 美国政府和三大汽车公司通过著名的p n g 计划 要使汽车在低污染 的条件下能量消耗缩减至每百公里油耗3 厶三年论证的结论是混合动力电动汽 车嘲 燃料电池汽车将燃料电池作为能量转换装置 利用氢气和氧气化合反应释放 的电能驱动电机工作 其燃烧产物为水或二氧化碳 采用燃料改质制氢 因而 是零污染车辆 由于可采用含氢燃料改质产生氢气 因而其续驶里程可与传统内 燃机车辆相比 美国能源部设立的f r e e d o m c a r f r e e d o mc o o p e r a t i v ea u t o m o t i v e r e s e a r c h 计划 将联邦政府投资的5 0 以上用于支持研究开发燃料电池汽车和 氢能源设施建设 3 作为一种颇具潜力的 能替代石油燃料的技术措施 燃料电 池汽车目前的困难涉及氢燃料的生产 储存和输送等基础设施 以及燃料电池的 成本和安全性等 其他的制约因素还有单格电压仅为o 7 v 至少需要3 5 0 个单 体才能达到合理电压 这就需要均匀供给每个单体氢气并带走所产生的水 此外 它的使用还受到环境温度的限制 由于燃料电池功率密度较低 需要额外辅助电 2 池 燃料电池汽车与纯电动汽车和混合动力电动汽车的性能比较如表1 2 1 4 表1 2 不同能源结构汽车性能比较 f i g 1 2c o m p a r i s o na m o n gv e h i c l e sw i t hd i f f e r e n tp o w e rs t r u c t u r e 比较项目 混合动力电动汽车纯电动汽车燃料电池汽车 续驶里程 长短 由 成本 由 高很高 尾气排放 超低 零 零 发展程度成熟 成熟不成熟 1 1 1 国外发展概况 目前已上市的混合动力汽车包括日本丰田公司的p r i u s 本田公司的h s i g h t 和日产公司的t i n o 其中丰嘲公吲的p r i u s 是世界上第一辆人批量生产的混合动 力汽车 1 9 9 7 起 p r i m 开始在日本销售 2 0 0 0 年起 在北美 欧洲和世界各地 销售 2 0 0 5 年1 1 月3 0 日丰田公司正式宣布混合动力汽车累计销量已经超过了 5 0 万辆 p r i m 采用四缸发动机 4 5 0 0 f r a i n 4 3 k w 和永磁同步电动机 1 0 4 啦 5 6 0 0 r m i n 3 3 k w 共同驱动 是发动机主动型混合动力汽车 需要功 率分配装置 即行星齿轮装置 将一部分能量传到车轮 另一部分传给发电机 发电机发出的能量可用于增加电动机的输出功率 或者用于给3 8 个镍氢动力电 池充电 p r i u s 的最高车速为1 6 0 k m h 0 9 6 k m h 的加速时间为1 2 7 s 市区和 公路的复合工况的燃油经济性为2 0 k m l 其燃油经济性和排放性能比传统的燃 油汽车提高了许多 开本本阳公司开发的i n s i g h t 于2 0 0 0 年1 0 月 市 是发动 机主动型混合动力系统 由一个三缸发动机 5 0 k w 5 7 0 0 r m i n 和一个永磁同 步电动机 1 0 k w 3 0 0 0 r r a i n 共同驱动 电动机由1 4 4 v 的镍氢电池组驱动 电池组可以利用正常行驶情况下的富裕功率和再生制动能量充电 i n s i g h t 是燃油 效率最高的混合动力汽车 燃油经济性为2 6 3 0 k m l 而且它能够满足加州超 低排放标准 这两辆汽车的主要参数列于表1 3 其共同的特点是在使用时都无 需充电 续驶里程与传统内燃机车辆相同 消费者无需改变驾驶习惯 1 9 9 3 年 美国克林顿政府推出了新一代汽车伙伴计划 p n g v 要求联邦政 府部门从1 9 9 3 1 9 9 5 年度大量购买包括e v h e v 的替代燃油车 p n g v 制订了 1 0 年开发计划 目标是8 0 mp g 约3 l l o o k m 的低油耗汽车 在此期间 各大汽 车公司均推出了混合动力概念汽车 2 0 0 2 年1 月9 同 美国能源部宣布成立一 北京工业大学工学博上学位论文 个新的汽车研究项目 自由车 f r e e d o m c a r 项目的长期目标是实现高效 价廉 无污染的先进高效燃料电池技术 用氢燃料作动力 不产生任何污染 该 项目重点是发展氢燃料电池电动汽车 也继续对电动汽车进行专项研究 同时 各大汽车公司为了满足日益严格的排放和油耗限制性法规 也在不断进行混合动 力电动汽车样车的研制和试验 如g m 公司的p r e c e p t f o r d 的e s c a p e 和p 2 0 0 0 及戴姆勒一克莱斯勒公司的d o d g ed u r a n g ot t r 混合动力电动汽车 除汽车工业发达国家外 其他国家也非常重视电动汽车的开发 并取得相应 成效 法国 加拿大 奥地利 瑞典 和韩国等国都投资研制电动汽车和混合动 力电动汽车 以解决能源和城市环境问题 5 一 表1 3 两款混合动力电动汽车参数 f i g 1 3p a r a m e t e r so f t w oh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s 制型号 布热机种类热机热机电机 电油耗销售 造置排量最大最大池l 1 0 0 k m价格 商型 m l 功率功率种 式 类 主 p d u s 并 a t k i n s o n1 5 0 04 3 k w3 3 k w镍 3 4 518 0 0 0 田 联循环汽油氢 机 本 i n s i g h t 并稀燃 9 9 55 0 k wl o k w镍3 4 1 8 0 0 0 田 联 v t e c 氢 1 1 2 国内发展概况 由于汽车工业发达国家混合动力汽车产业化的开发经验 国内于2 0 0 1 年开 始将混合动力电动汽车作为 十五 发展计划的重要内容 科技部在 十五 国 家8 6 3 计划中特别设立电动汽车重大专项 投入2 4 亿元人民币 动员全国有关 专业的技术力量协助攻关 电动汽车专项建立了 三纵三横 总的研发布局 以 燃料电池汽车 混合动力电动汽车 纯电动汽车为 三纵 多能源动力总成控 制 驱动电机 动力蓄电池为 三横 2 00 1 年10 月 国家投入8 8 亿元的 电动汽车专项基金正式启动 内容分5 部分 燃料电池汽车技术 混合动力电 动汽车技术 纯电动汽车技术 电动汽车共性技术研究 以及推动电动汽车发展 的运行机制 相关政策 技术标准与法规的研究 按照汽车产品开发规律 全面 构筑我国电动汽车自主开发的技术平台 盯 4 目前 一汽 二汽 长安和奇瑞等国内生产厂家都在进行混合动力汽车的研 究和开发 总的看来 国内的混合动力汽车开发处于起步阶段 要实现产业化 还需要做大量的工作 1 2 铅酸蓄电池技术的发展 1 2 1混合动力电动汽车电池的种类 电动汽车的关键技术之一是蓄电池技术 目前及未来有可能应用在电动汽车 上电池种类很多 除了铅酸电池 镍基电池 锂电池电池等传统意义上的化学电 池 还包括燃料电池 超级电容器和飞轮等 9 埔 表1 4 列出了主要的化学电 池性能参数 表1 4 主要电化学电池性能参数 t i b l e1 4p a r a m e t e r so f t h em a i nc h e m i c a ib a t t e r i e s 种类最大比能最大比功 8 0 d o d 工作温度 8 0 放电量产成本 量 w h k g 率 w c g 最快充电循环次数 p e r 时间 m i n k w h 普通铅酸3 5 1 5 0n o d a t a 常温 1 0 0 06 0 先进铅酸 4 52 5 0 n od a t a 常温 15 0 02 0 0 阔控铅酸 5 01 5 0 1 5常温7 0 0 斗一1 5 0 金属箔铅 3 09 0 01 5常温5 0 0 n od a t a 酸 镍铁 5 01 0 0n od a t a常温2 0 0 01 5 0 2 0 0 镍锌7 0 1 5 0n o 姚 常温 3 0 01 5 0 2 0 0 镍镉5 0 2 0 01 5 常温 2 0 0 03 0 0 镍金属氢7 02 0 03 5常温2 0 0 0 2 5 0 化物 钠一硫 1 1 01 5 0n o d a t a3 5 0 1 0 0 0 1 5 0 钠一镍氯 1 0 01 5 0n o d a t a3 0 07 0 0 2 5 0 化物 锂一铁硫 1 5 03 0 0n o d a 诅4 5 01 0 0 02 0 0 化物 固态锂聚 2 0 0 3 5 0 n o d a t a 8 0 一1 2 0 1 0 0 015 0 合物 锂离子 1 2 0 1 5 01 2 0 1 5 0 6 0 常温 1 0 0 0 1 5 0 铝一空气2 2 03 0n o d a t a常温n od a t an o d a t a 锌一空气 2 0 0s 0 1 4 0n oc l a m常温2 0 01 0 0 北京工业大学工学博士学位论文 1 铅酸电池 铅酸蓄电池已有1 4 0 多年历史 广泛用作内燃机汽车起动机电源 电信各用 电源和u p s 等 它也是成熟实用的电动汽车蓄电池 目前约有8 0 9 0 的采 用率 铅酸电池的正极是二氧化铅 pb0 2 负极板是海绵状纯铅 p b 电解液是稀硫酸溶液 h 2 s 0 4 单元电压为2 1 v 化学反应方程式为 pb0 2 pb 2 h 2 8 0 4 2 pbs0 4 2 i 1 2 0 铅酸电池可靠性好 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 2 镍镉电池 镍镉电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池 镍镉电池的正极板为氢氧化镍 n i 0 h 3 负极板为镉 cd 电解液是氢氧化钾或氢氧化钠溶液 单元 电压为1 2 v 化学反应方程式是 2 ni o h 3 2 k o h cd 2 ni 0 h 2 2 k o h c d o h 2 镍镉电池的比能量可达5 0 w h k g 比功率超过2 0 0 w k g 可快速充电 1 5 分钟恢复5 0 容量 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 有较强的耐深度放电能力 并且在低温 大电流放电时 容量无明显下降 但价格为铅酸蓄电池的4 5 倍 它的初期购置成本虽高 但由于其在比能量和 使用寿命方面的优势 因此其长期的实际使用成本并不高 p e u g e o t c i t r o e n l 0 6 是镍镉电池的最大用户 自1 9 9 5 年1 0 月开始生产以来 已售出几千辆 但重金 属镉可造成环境污染 而回收工作又是复杂的系统工程 人们由此转向其他电池 3 镍氢电池 将镍镉电池中的负极镉变成由储氢合金构成的负极 就组成镍氢电池 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 不过镍 氢蓄电池不含镉 铜 不存在重金属污染问题 其比能量和循环寿命均较铅酸电 池大2 倍以上 适用于要求一次充电行驶距离长的场合 1 9 9 7 年在美国的奥兰 多举行的第14 届国际电动车展览会上 约有十几家电池制造厂商的镍氢电池产 品展出 使用此种电池的电动车或样品模型也同时展出 日本松下公司制造的电 动车装用e v 9 5 型镍氢电池 一次充电续驶里程在200k m 以上 目前生产电 6 第1 章绪论 动汽车镍氢蓄电池的公司主要是g m o v o n i e 公司 它现有8 0 a h 和1 3 0 a t h 两种 单元电池 并由此构成3 0 k w h 和5 0 k w h 两种规格的电池 其比能量达7 5 s o w h k g 比功率达1 6 0 2 3 0 w k g 8 0 d o d 循环使用寿命超过6 0 0 次 这 种蓄电池曾装在几种电动汽车上试用 其中一类车一次充电可行驶3 4 5 k m 有一 辆车一年中行驶了8 万多公里 由于价格较高 目前尚未大批量生产 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 其他生产商包括v a r t a s a f t 和m a t s u s h i t a 丰田的p r i u s 和本田的l i g h t 均采用镍氢电池 4 钠硫电池 钠硫电池的正极是3 5 0 c 熔融钠 负极为熔融硫 工作温度3 0 0 5 0 0 c 钠硫电池的设计必须保证高度坚固和高度安全 这种电池的容量大 重量轻 但 使用寿命短 且正 负极板物质必须是高温熔融状态 3 0 0 5 0 0 为此必须 有特殊的加热装置 否则无法工作 美国福特汽车公司的m f f t i v a r l 电动汽车使用 钠硫蓄电池 它己被美国先进电池联合体 u s 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 装车试验时最好的一 辆车无故障地行驶了2 3 0 0 k m 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 5 锂离子电池 锂电池因电极的不同 可有多种型式 常见的有锂离子电他 高温锂熔盐电 池 锂聚合物电池和锂聚合物固体电解质电池等 锂离子电池的电极不用金属锂 而是以离子状态嵌入其它物质中 它的负极是炭素 石墨 正极是含锂的过渡 金属氧化物 电解质是锂盐的有机溶剂 充电时正极中的锂离子脱离晶格 经过 电解质嵌入到负极石墨间 放电时过程相反 在充放电过程中锂离子往返于正负 极之间 由于不含金属锂 从而解决了通常二次锂电池的难题 锂离子电池1 9 9 2 年由日本s o n y 公司率先投放市场 现已被广泛用于移动电话 摄像机和笔记本 电脑上 1 9 9 5 年1 0 月在日本东京汽车展览会上 日产汽车公司展出的电动汽车 e r m l l 就用上了锂离子电池 7 北京 t 业大学工学博士学位论文 我国中科院物理所 电子部天津1 8 所 北京有色金属研究院都开展了锂离 子电池的研究 长春应化所 武汉大学等单位也开展了相关材料的研究 锂电池 充电一次可使电动车行驶3 0 0 k m 以上 具有高比能量和高比功率以及寿命长的 优点 目前 美 日 德 法等国研制的锂电池 单位重量储能已达到1 2 0 w h 一批样品已装车试验 日本s o n y 公司生产出3 5 k w h 的锂离子电池 其比能量达 到1 2 0 w h k g 设计循环寿命可达3 5 0 0 次 已装在日产汽车公司的a l t r a4 座电动轿车上 19 9 8 年投入小批量商业化生产 进一步发展是锂聚合物固体电 解质电池 长远来看 锂离子电池可能是电池之选 其最大的应用障碍是充电系 统的复杂性和安全问题 6 锌空气电池 锌空气电池的负极板由金属网集电器活性层等组成 是一层薄空气电极 正 极是锌 通常是锌合金 电解液为氢氧化钾水溶液 其单元电压为1 o 1 2 v 放电时负极板上的反应为 0 2 2 h 2 0 4e 一4 0h 正极板上的氧化过程为 zn 2 0h 一zn0 h 2o 2 e 总的反应过程 2 z1 3 0 2 2 zno 这种电池放电电压稳定 污染少 但工作中要消耗一定能量 用于消除空气 中的二氧化碳 滤清 通风等 还要限制放电电流 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己达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 m 以色列电燃料公司研制的锌空 气电池 单位重量储能2l5 w h 德国邮政部门已装了64 辆车进行长期使用试 验 一次充电行程己达到3 00 至4 00 公里 如果成功 预计大批量投产后其价 格可以降至7 0 美元 kw 比铅酸电池还便宜 7 燃料电池 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化 3 第1 章绪论 为电能的发电装置 所用燃料为氢 可直接用氢 也可用含氢物质高的烃类和酵 类化合物 如天然气 煤气 沼气 甲醇 石油等 氧气则来自空气 它和通常 的汽车一样只要有足够的燃料就能运行 燃料电池的能量转换效率可达6 0 加 上余热回收可达8 0 装在电动车上为驱动电源 传输到车轮的能量初步估算将 达4 0 是内燃机汽车能量转换和传输效率1 0 7 的3 倍多 现在应用于电动汽 车中的燃料电池是质子交换膜燃料电池 p e m f c 工作温度一般为6 0 c 100 以氟化的磺酸型固体聚合物为电解质 铂为催化剂 纯氢 或甲醇或汽油 等碳氢化合物经重整 为燃料 纯氧或空气为氧化荆 电池组的比功率7 00 w 瓜g 超过了美国能源部制定的电动车用电池标准 以纯氢为燃料的p e m f c 的反 应产物是水 没有污染物排放 是最理想的电动车动力电源 在1 9 9 3 年加拿大 温哥华科技展览会上 b a l l a r d 公司推出了世界上第一辆以p e m f c 电池为动力的 电动公共汽车 载客2 0 人 可行驶1 6 0 k m h 最高速度7 2 2 k m h 戴一克公司 也研制了以p e m f c 电池为动力的5 座未来型电动轿车n e c a r 时速每小时9 0 英里 并且可以在更换电池前续驶2 8 0 英里 质子交换膜燃料电池的原材料中 用作催化剂的铂是稀有金属 全世界年产量只有几十吨 如果全部用于燃料电池 也只够几百万辆汽车使用 因此研究低铂和无铂催化剂是燃料电池能否大规模推 广使用的关键 此外 如何获得纯氢 如何贮存氢气 是要解决的问题 8 超大容量电容器 电容器是蓄电器 只是电能释放很快 不能像一般蓄电池那样在较长时间内 放出电能 在电动汽车上就是利用它的特点 在车辆爬坡和加速时让它释放大的 电能 和蓄电池一块做功 相对也就延长了车辆的续驶里程和蓄电池寿命 这种 电容器在国外已做到达1 0 0 0 法拉特 只是工作电压太低 比能量也低为 1 4 w h k g 9 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 飞轮的转动惯量是和质量与速度的平方成正比的 因而把速度提高会比提高质量 效果更大 据此原理 在飞轮上装置电动 发电机 通电时飞轮在高速旋转 每 分钟l o 万转以上 下储存能量 停止供电以后 飞轮继续旋转 电动机成了发 9 北京工业大学工学博士学位论文 电机对外输出电能 为减少阻力 飞轮得装在真空盒内 气压保持在0 0 1 0 1 个 大气压 并用磁悬浮轴承支撵 据称 飞轮电池的比能量可达1 5 0 w h k g 比功 率为5 0 0 0 1 0 0 0 0 w k g 远远高出化学电池和内燃机的比功率 化学电池为 2 0 0 4 0 0 w k g 内燃机为6 0 0 8 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 美国飞轮系统公司己用最新研制的飞轮电池成功得把一辆克莱斯勒 u s 轿车改成电动轿车 一次充电可行驶6 0 0 k m 由0 到9 6 k m h 加速度时间 为6 5 秒 飞轮电池有下列技术问题需要解决 飞轮材料问题 磁悬浮轴承问题 飞轮在真空环境中旋转问题和动平衡问题 从目前电动汽车实际使用情况来看 铅酸电池 镍氢电池处于主流电池的地 位 有比较成熟的应用经验和较多的使用率 锂离子电池 燃料电池 超级电容 及飞轮电池的应用还处于试验和研究阶段 1 2 2 混合动力电动汽车对电池的性能要求 动力电池的主要性能指标包括比能量 比功率和使用寿命等 要使电动汽车 成为现实 其储能源必须满足以下四个条件 比能量高 比功率大 使用寿命长 和成本低廉 为了实现电动汽车在技术性能和经济性方面从根本上能与燃油汽车抗衡这 一目标 世界汽车工业发达国家围绕着电动汽车动力电池正展开广泛和深入的研 究 1 9 9 1 年 美国能源部 d o e 联合主要汽车制造商 美国电力研究院 e p m 和主要的电池制造商共同组成美国先进电池联合会 u s a b c 致力于设计 生 产制造适用的电动汽车及混合动力汽车用电池 并在分析了电动汽车的使用工况 后 对电池试验程式及中期长期性能指标做出规定 对电池提出第一阶段要求如 表1 5 所示噙1 表l 一5u s a b c 第一阶段先进电池技术目标 t a b l e1 5u s a b cp r i m a r yc r i t e r i af o ra d v a n c e db a t t e r yt e c h n o l o g y 性能指标中期目标长期目标 功率密度 w l 8 0 d o d i o s 2 5 06 0 0 比功率 放电 w k g 8 0 d o d 3 0 s 1 5 0 2 0 0