《能源汽车》PPT课件.ppt

新能源汽车 边敦Q 465495023Email 465495023 QQ com 1 新能源汽车概述 1 1什么是新能源汽车 采用非常规的车用燃料作为动力来源或使用常规的车用燃料 采用新型车载动力装置 1 2新能源汽车性能对比 1 3新能源汽车未来的发展方向 广义电动汽车 1 3 1混合动力汽车 HEV 插电式混合动力汽车将成为主流技术路线 全混合 强混合 轻混合 微混合 电控汽车5 100传统内燃机汽车1 100 并联式混合动力汽车20 100电功率 混联式混合动力50 100电功率 串联式混合动力100 100 电控发动机 混合动力发动机 插电式混合动力 电功率占输出功率比 时间 自动启停BSG 混合动力发动机ISG 混合动力传动系统DMH 插电式混合PHEV 插电式混合动力汽车将成主流技术路线 在传统内燃机汽车基础上耦合增加一套由驱动电机和动力蓄电池组成的辅助动力系统 1 3 2纯电动汽车 EV 通过小型化实现商业化 小排量燃油轿车 増程式小型电动轿车 小型化纯电动轿车 轻型电动车 微型电动车 小型化纯电动轿车 锂电池 轮毂电机 电动化底盘 家用电源充电 核心技术方向 1 3 3燃料电池汽车 FCV 新能源汽车终极奋斗的目标 燃料电池电动汽车是指动力系统主要由燃料电池发动机 燃料箱 氢瓶 电机 动力蓄电池等组成 采用燃料电池发电作为主要能量源 通过电机驱动车辆前进 燃料电池汽车具有效率高 节能环保 以氢气为能源 排放物为水 运行平稳噪声小 等优点燃料电池已经发明很久 最初主要应用于航天和军事领域 后来 随着世界能源危机爆发及环境污染日益加剧 以质子交换模式为代表的燃料电池技术受到世界各国及大型汽车公司的普遍重视 纷纷投入巨资研发各类燃料电池电动汽车 2 国际新能源汽车产业化进程 2 1欧美新能源汽车产业化进程 2 1 1美国以生物质替代燃料为突破口 美国政府不断加大对生物燃料技术的研发和基础设施建设的投入 乙醇和生物燃料产能不断扩大2006年占美国一次能源消耗总量的4 左右 预计未来十年内 美国乙醇 生物柴油等代用燃料将实现15 的汽油替代美国的生物质替代燃料技术已经十分成熟 替代效果明显 2 1 1美国 续 混合动力销售量逐年增加 从2005的1 2 上升至2009年的2 8 2009年全美汽车市场混合动力汽车销售总销量为290 280辆 国际能源机构 IEA 预测 到2012年 混合动力汽车的销售量会达到220万辆 2 1 1美国 续 插电式増程电动汽车将成为未来主流技术路线 美国版的插电式电动汽车 通用公司雪佛兰Volt它实际上是一款插入式增程型电动车驱动系统的动力全部来源于动力电池 当行驶里程在64公里以内时 电力驱动系统可完全只依靠一个车载的16千瓦时锂离子电池所储备的电力来驱动 实现 零油耗 零排放 当电池的电力耗尽时 电力驱动系统可以通过一个车载的发电机发电来为车辆提供动力 实现继续行驶数百公里 因此 它实际上并不是混合动力 而是混合充电 2 1 1美国 续 产业政策将助推美国新能源汽车产业赶超日本 2 1 2欧洲以柴油机技术独步世界 燃料电池技术全球领先 与美国不同 欧洲将发展清洁型柴油汽车作为现阶段新能源汽车的发展的重点 主要因为欧洲汽车厂商在柴油发动机上具备强大的技术优势 因此欧洲在清洁柴油乘用车方面发展最为迅速 1991年柴油汽车的市场份额不足20 2003年柴油汽车市场份额超过40 到2009年柴油汽车市场份额迅速增加到60 据统计 欧洲100 的重型车 90 的轻型车均已采用柴油机 90 以上的出租车均采用柴油机 德国等国的出租车基本上都是柴油轿车 欧洲柴油轿车已占轿车年产量的32 奥地利 法国 比利时 西班牙 意大利等国高达50 以上 其中法国和比利时为67 奥地利则超过了70 2 1 2欧洲 续 通过排放标准引导新能源汽车发展 2 1 3欧美主要汽车厂家的新能源技术战略 2 2日本新能源汽车产业化进程 2 2 1日本混合动力占据主导地位 混合动力汽车在2009年增长迅猛 销量超过45万辆 比去年增长四倍 2009年日本乘用车销量前十车型中 混合动力汽车占两席 分布位居第一位与第五位 混动车丰田Prius销量高居榜首 售出20 8万辆 另一款混动车本田Insight排第五位 售出9 3万辆 2 2 2日本新能源汽车产业政策起步早 优惠大 高额补贴促进ToyotaPrius销售井喷 ToyotaPrius 自政策实施以来一举成为日本本土单一车型销售冠军 日本补贴力度惊人 举例而言 以车重1 5吨 零售价200万日元客车计算 购车时即须缴纳5 67万日元重量税及10万日元取得税 将近车价7 2009年6月 日本推出新车购置及旧车换新补贴 其中特别加强对于对于电动补贴金额 在此政策下 民众如将13年以上旧车报废 换购第三代ToyotaPrius 分别可获得9 47万日元的取得税 5 67万日元重量税以及25万日元以旧换新补贴 总计高达40万日元 300 2 2 3日系主要汽车厂家新能源技术战略 3 我国新能源汽车产业现状及发展战略 3 1我国新能源汽车产业现状 公共交通领域先行私人领域跟上 各地公交系统小规模试用新能源汽车 3 2技术我国汽车能源动力系统发展战略导向 过渡战略 转型战略 双重战略 互动 并行 优化现有车用能源动力系统 发展节能汽车 开发新一代车用能源动力系统 发展新能源动力汽车 可持续发展的车用能源动力系统 3 2技术 续 布局 三纵三横 3 2技术 续 第一阶段 国家 十五 电动汽车专项 三纵三横 整车牵头 燃料电池汽车 混合动力汽车 纯电动汽车 政策 法规 标准和基础设施研究 燃料电池整车技术整车标定与匹配燃料电池发动机 混合动力整车技术整车标定与匹配发动机和传动机机电耦合技术 纯电动整车技术整车标定与匹配 多能源动力总成控制系统 电机驱动系统及控制单元 动力电池组和电池组管理系统 DC DC变换器 ISA ISG技术 电动汽车关键零部件工业 3 2技术 续 第二阶段 国家节能与新能源汽车重大项目 第二阶段 动力平台为核心 3 2技术 续 第三阶段 国家节能与新能源汽车重大项目 第三阶段 动力模块为重点 3 3从政策导向看我国新能汽车产业战略方向 我国新能源汽车发展战略 重点突破动力电池 电机等关键零部件 以纯电动汽车为主要发展战略 同时多条技术路线并存 快速启停系统BSG将成为乘用车标准配置 实施 一步走 战略 而非此前人们预测的 两步走 我国新能源汽车发展战略 4动力电池 储能系统的特性 比能量 Wh kg 能量密度 Wh L 比功率 W kg 功率密度 W L 循环寿命快速充电性能 蓄电池储能 铅酸蓄电池 一 铅酸蓄电池的发展 铅酸蓄电池是1859年卡斯通和普朗特 Gaston Plante 发明的 他们用两片铅片作电极 中间隔以橡皮卷成的细螺旋作隔板 浸在10 的硫酸 H2SO4 溶液 密度1 06g cm3 中 构成一个铅酸蓄电池 由于它的主要原料是铅和酸 因而称为铅酸蓄电池或简称为铅蓄电池 1906年 普朗特向法国科学院提交了一个由9个单体电池构成的铅酸蓄电池 这是世界上第一个铅蓄电池 普朗特电池 但普朗特电池存在着电极活性物质利用率低 化成时间相当长 电池放电容量不大等问题 所以没有获得工业上的应用 1910年开始 铅酸蓄电池生产得到充分发展 1957年原西德阳光公司制成胶体密封铅酸蓄电池并投入市场 标志着实用的密封铅酸蓄电池的诞生 原因 一是汽车数量的快速增长 带动了用于启动 照明和点火的蓄电池的发展 其次是电话业采用铅酸蓄电池作为备用电源 并要求安全可靠又能使用多年 使得蓄电池开始广泛用于汽车 铁道 通信等工业 1971年美国Gates公司生产出玻璃纤维隔板的吸液式电池 这就是阀控式密封铅酸蓄电池 VRLA电池 VRLA电池商业化应用30年来 尽管出现过一些问题 如漏液 早期容量损失 寿命短等 曾一度引起人们的怀疑 但经过多年的努力 其设计技术有了很大的发展 并沿用至今 二 VRLA电池的结构和原理 一 结构 负极板 隔板 正极板 壳体采用耐酸 耐热和耐震的硬橡胶或聚丙稀塑料制成整体式结构 壳体内分成 个互不相通的单格 每个单格内装有极板组和电解液组成一个单格的蓄电池 壳体的底部有凸起的筋 用来支撑极板组 并使极板上脱落下来的活性物质落入凹槽中 防止极板短路 壳体 三 蓄电池的常用术语 1 蓄电池容量 完全充电后放电到规定的终止电压时所能给出的电量 符号 C 2 放电率 以某电流放电到规定的终止电压时所经历的时间 标识 20h 10h 5h 3h 1h 0 5h C20 100A h 放电电流为5A 启动型 以20h率标定 表示C20 20h放电率 例 C 120A h 固定型 以10h率标定 表示C10 3 终止电压 电池放电时电压下降到不宜再放电时 至少能再反复充电使用 的最低工作电压 一般的终止电压为1 80V 单体 5 循环寿命 蓄电池经历一次充电和放电 称为一次循环 一个周期 在一定放电条件下 电池使用至某一容量规定值之前 电池所能承受的循环次数 称为循环寿命 4 放电深度 DOD 指蓄电池放出的容量占该电池额定容量的比值 17 25 浅循环 30 50 中等循环 60 80 深循环 6 电池内阻 欧姆内阻 主要由电极材料 隔膜 电解液 接线柱 等构成 也与电池尺寸 结构及装配有关 极化内阻 电池放电或充电过程中两电极进行化学反 应时极化产生的内阻 内阻严重影响电池工作性能 因而愈小愈好 镍氢蓄电池 镍氢电池的电化学原理 镍氢电池采用与镍镉电池相同的Ni氧化物作为正极 储氢金属作为负极 碱液 主要为KOH 作为电解液 电池的主要结构组成 电池的主要组成部分为 正极片 负极片 隔膜纸 盖帽 外壳 绝缘层 车用动力电池系统技术进展 4 2不同电动汽车对能量和功率的要求 4 3锂电池材料构成 正极材料 40 正极 铝箔 负极 铜箔 负极材料 10 电解液10 15 1 锂电池正极材料是关键 正极材料目前以钴酸锂 锰酸锂 镍钴锰锂和磷酸铁锂为主 锂钴电池在根本結构上的不安定使其应用无法扩张 锂锰电池制备较复杂 容量在循环使用后下降 镍价格比较低廉 混合使用后还可提高环保性 磷酸铁锂寿命长 可以快速充放电 无记忆效应 安全环保 2 锂电池隔膜 隔膜两个关键技术 1 原材料品质 用于生产锂电池薄膜的PE PP产品等级高 目前全部进口 国产化需要炼油和石化企业的技术进步 2 制造工艺 国内企业技术条件较为落后 但有突破的可能 3 锂电池电解液 六氟磷酸锂 LiPF6 电解液 有机溶剂35 40 电解质盐50 60 添加剂10 15 乙烯碳酸酯 丙烯碳酸酯 碳酸二甲酯 LiPF6 LiClO4 LiAlCl4 过充电保护 阻燃添加剂 提高导电率 技术重点在于电解质盐 关注六氟磷酸锂 优点 1 在碳负极上 形成适当的SEI solidelectrolyteinterphase 固体电解质 膜 2 对正极集流体实现有效的钝化 以组织其溶解 3 有较宽广的电化学性能稳定 4 在各种非水溶剂中有适当的溶解度和较高的电导率 5 有相对较好的环境友好性 锂电池电解液概况 燃料电池 燃料電池 是由具滲透性的膜構成 在膜的一側供給氫 另一側供給氧 氫原子含有一個質子及一個電子 質子被氧 吸引 到膜的另一邊以形成水分子 電子仍留在原地 造成帶正電的質子及帶負電的電子各在膜的一側 經由外接電路形成電流 這個電化學現象的原理 陽極反應2H2 4OH 4H2O 4e 陰極反應4e O2 2H2O 4OH 總反應2H2 O2 2H2O 燃料電池種類 高速飞轮电池储能 飞轮电池是90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 燃料電池的困境 主要瓶頸是氫的來源 氧可取自空氣且儲存方便 但儲存純氫是困難且危險的 要利用這些原料 需完善的供應系統 若與目前廣佈之汽油管線 運輸系統 及加油站相比 則困難立現 5 新能源汽车的电机驱动系统 电动汽车应用对电机系统的要求EV HEVRequirementsforElectricMachines 结构紧凑 尺寸小CompactinSize重量轻LightinWeight可靠性高HighReliability效率高HighEfficiency低噪声 低震动Lowaudiblenoise LowVibration调速范围宽WideSpeedRange成本低LowCost 汽车电机与普通工业电机之比较 混合动力系统实现方案ExamplesofHEVSystems 永磁电机将成为新能源汽车驱动电机的首选 从目前情况来看 用钕铁硼制造的永磁电机 具有体积小 耐高温 磁力强 寿命长 省能耗 效率高 高可靠性 高转矩密度等特点 是最适合新能源汽车永磁同步电机的磁性材料 Motor Sensor PowerElectronicConverter DigitalControl 汽车电机系统的构成和工作原理AutoElectricDriveSystemDescription Battery 电机技术发展趋势 永磁 磁阻同步电机PM ReluctanceSynchronous PMRS Motor 永磁 磁阻同步电机的特点 PMRSMotorFeatures 弱磁容易 调速范围宽Capableoffieldweakening wideconstantpowerrange效率较高Highefficiency力矩密度较高Hightorquedensity结构复杂 优化设计较难Hardtodesign由于饱和非线性 控制复杂Controlcomplexity 动力总成趋势 电机与变速箱的优化组合OptimalCombinationofMotorandGears 电机尺寸取决于峰值力矩 而不是功率 以及电机的散热能力ThemotorsizeisdeterminedbytheTORQUE notthepower andthemotorcoolingsystemcapability 根据实际应用需要优化配置电机与变速箱 减速机 组合Systemoptimizationcanbeachievedthroughmotor gearcombination 丰田混合动力系统的改进Size WeightReductioninToyota sHEVsystem 通过采用减速齿轮 在电机尺寸基本不变的情况下 其功率增加了2 5倍 电力电子控制器发展趋势TrendinPowerElectronicsController 新控制器拓扑结构Newtopology逆变器 大功率DC DC高集成度HighlevelofintegrationISG控制器 牵引电机控制器 DC DCIntegrationofISGcontroller tractionmotorcontrollerandLowvoltageDC DC电力电子控制器与电池管理模块集成MotorcontrollerintegratedwithBatteryModule热管理集成设计Thermalmanagement新器件NewComponents高集成度 智能型汽车等级IGBT模块HighlyintegratedIGBTModulewithautograde薄膜电容Thinfilmcapacitors 丰田混合动力系统PCU的改进Size WeightReductioninToyota sPCUsystem 通过提高集成度 改进散热板设计 丰田大大减小了其电力电子控制器 PCU 的体积与重量Toyotaachievedsubstantialvolumeandweightreductionthroughhigherlevelofintegrationandthermalmanagementsystemenhancement 电动汽车用电机系统所面临的设计挑战 DesignChallengesforEV HEVMotorDriveSystems 整车重量和封装尺寸 Vehicleweightandpackagingsizeconstraint采用永磁 磁阻电机UseofPM ReluctanceSynchronousmotor可靠性和耐久寿命设计 Reliabilityanddurabilitydesign汽车应用的恶劣环境 Harshoperatingconditions高温及宽温差循环HighTemperatureandwiderangetemperaturecycling剧烈的震动SevereVibration需要充分理解最差工况以及电机 电力电子器件的能力限制Fullyunderstandtheworstcaseconditionandlimitationsofmotorandpowerelectronicscomponents电磁兼容设计 EMCDesign需要从零部件到整车各层次进行统筹设计WorkatVehicle system andcomponentleveltolimitEMI设计认证 DesignValidation加速寿命试验Acceleratedlifetesttovalidatethedesign 成本挑战ChallengeinCostReduction 电机系统成本是电动汽车 混合动力汽车市场化的重要障碍之一TheE drivesystemcostisamojorobstacletothecommercializationofHEV plug inHEV batteryEVandFCEVEV HEV动力系统成本构成 MajorcostcomponentsofanE drivesystem电池或燃料电池 Batteryorfuelcell电力电子 Powerelectronics inverter controller andsensor 电机 Motor减速器 变速箱 Gearbox需采用系统方法削减成本Systematicapproachisneededtominimizethesystemcost notindividualcomponentcost 削减成本的途径ApproachestoReduceCost 系统优化设计 SystemOptimization避免过设计 Avoidoverdesign提高集成度 Increaseintegrationlevel e g motorandtransmission InverterandDC DC etc 制造 Manufacturing借用汽车制造能力提高电机及电力电子系统的制造效率Introduceautomotivemanufacturingknow howintomotorandpowerelectronicsmanufacturingprocesses增加产量 IncreasethevolumeofEV HEVMotorDriveSystems整车客户之间分享共同的供应商资源Sharesupplierbaseamongautocompanies与工业应该分享零部件资源Sharecomponentswithotherindustryandapplications政府在市场起步时提供资助GovernmentincentivestoincreasethemarketpenetrationofEV HEV 永磁同步电机系统 永磁同步电机系统的优点是高功率密度和高效率 其中内嵌式永磁电机 IPM电机 更具有较宽的恒功率调速范围 并可以矢量控制方法来满足电动汽车的高性能要求 三相异步电机系统 三相异步电机其特点是结构简单 坚固耐用 成本低廉 运行可靠 低扭矩脉动 低噪声 不需要位置传感器 转速极限高 三相异步电机矢量控制调速技术比较成熟 使得异步电机驱动系统具有明显的优势 因此被较早应用于电动汽车的驱动系统 但已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代 开关磁阻电机 开关磁阻电机驱动系统的主要特点是电机结构紧凑牢固 适合于高速运行 并且驱动电路简单 成本低 性能可靠 在宽广的转速范围内效率都比较高 而且可以方便地实现四象限控制 这些特点使开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行 是电动车辆中极具有潜力的机种 开关磁阻电机 开关磁阻电机驱动系统的最大特点是转矩脉动大 噪声大 此外 相对永磁电机而言 功率密度和效率偏低 另一个缺点是要使用位置传感器增加了结构复杂性 降低了可靠性 轮毂电机 轮毂电机可直接安装在汽车的车轮上 为汽车提供瞬时扭矩 大大提高动力效率 在目前普通汽车内 发动机所产生的扭矩被传给变速器用以驱动汽车 这样 在发动机所产生的动力中有10 以上在向车轮传送过程中被损耗掉 6 新能源汽车的能源管理 能源管理系统的公用 对电动汽车动力系统能源转换装置的工作能量进行协调 分配和控制的软 硬件系统 能源管理系统的硬件由一系列传感器 控制单元ECU和执行元件等组成 软件系统的功能主要是对传感器的信号进行分析处理 对能源转换装置的工作能量进行优化分析 并向执行元件发出指令 为了使电动汽车具有良好的机械性能 电驱动性能及合理的能量分配等 电动汽车的能源管理系统必须对能量系统的工作进行有效监测和控制 使电动汽车的能量进行最佳流动 以实现最大限度的利用能量 提高汽车的经济性能 因此 可以说能源管理系统是电动汽车整车设计的一个重要环节 纯电动汽车能源管理系统的组成 电池输入控制器 车辆运行状态参数 车辆操纵状态 能源管理系统ECU 电池输出控制器 电机发电机系统控制 输人能源管理系统电控单元ECU的参数有各电池组的状态参数 如工作电压 放电电流和电池温度等 车辆运行状态参数 如行驶速度 电动机功率等 和车辆操纵状态 如制动 启动 加速和减速等 等 能源管理系统具有对检测的状态参数进行实时显示的功能 ECU对检测的状态参数按预定的算法进行推理与计算 并向电池 电动机等发出合适的控制和显示指令等 实现电池能量的优化管理与控制 电池荷 充 电状态指示器 电动汽车蓄电池中储存有多少电能 还能行驶多少里程 是电动汽车行驶中必须知道的重要参数 与燃油汽车的油量表类似的仪表就是电池荷 充 电状态指示器 它是能源管理系统的一个重要装置 因此 在电动汽车中装备满足这一需求的仪表即电池荷 充 电状态指示器 电池管理系统 电池管理系统是能源管理系统的一个子系统 电动汽车电池携带的能量是有限的 也是非常宝贵的 为了增加电动汽车的续驶里程 对电池系统进行全面的 有效的管理是十分必要的 蓄电池管理系统在汽车运行过程中需完成的任务多种多样 其主要任务是保持电动汽车蓄电池性能良好 并优化各蓄电池的电性能和保存 显示测试数据等 7 新能源汽车的充放电管理系统 充电原理与充电器 充电方法恒压充电恒流充电涓流充电最小电流充电标准充电高速率充电脉冲快速充电 脉冲快速充电间歇充电智能充电方法 图2 1恒压 稳压 特性蓄电池充电电流 电压曲线 图2 29充电控制方法和充电模式 在早期 由于控制技术的局限 一般采用恒流充电 从图中看到 恒流充电的特点是 充电电流基本恒定不变 充电电压逐步上升 0 1区间 当充电电流大于蓄电池电极反应需要的电流后 多余的电流将用于电解水 图2 30恒流充电特性曲线当所有蓄电池电压连续两小时不再上升 或上升幅度小于0 1V 或电解液比重连续不变 或上升幅度小于0 01时 1 2区间 充电结束 从图中可以看到 充电初期阶段 充电电流小于蓄电池可接受充电电流 极化电压很小 充电效率很高 充电后期 充电电流大于可接受充电电流 大部分充电电流用于解水 充电效率很低 水消耗很大 酸雾污染十分严重 为了提高充电效率 减小酸雾污染和失水 后期采用两阶段恒流充电 如图2 31 图2 31亮阶段恒流充电曲线 两阶段恒流充电的方法是 先采用恒流充电方法进行充电 随充电电压的升高 蓄电池进入沸腾状态后 0 1区间 将充电电压减小一半 1点 继续充电 1 2 当所有蓄电池电压连续两小时不再上升 或上升幅度小于0 1V 或电解液比重连续不变 或上升幅度小于0 01时 2 3区间 充电结束 两阶段恒流充电后期充电效率显著提高 酸污染和失水量减小 基于端电压充放电方法 根据蓄电池组端电压 进行充放电控制的方法 其特点是 充电过程中 仅关注蓄电池组的端电压状态 对组成蓄电池组的单体蓄电池 基本不关注 恒压充电模式 充电电流最大值仅受充电设备最大电流限制 当充电设备最大允许充电电流等于或小于蓄电池可接受充电电流时 恒压充电模式是可以应用的 图2 32恒压充电电流模式 当充电设备输出电流大于蓄电池可接受充电电流时 在蓄电池电压较低时 0 1区间 充电电流会很大 可能超过蓄电池可接受充电电流时 如图2 32 这是恒流充电的主要问题 除特殊用途外 这种充电模式已经很少应用 为了克服恒流充电初期电流大的问题 形成了如图2 33所示的恒压限流充电模式 充电初期电流 可设定 使充电初期充电电流小于或等于蓄电池可接受充电电流 充电设备处于恒流充电模式 随充电过程的进行 蓄电池电压逐渐升高 当充电电压达到设定的最高允许充电电压时 充电设备转入恒压充电模式 充电电流随充电过程的进行 逐渐减小 以保持充电电压的基本稳定 智能充电技术具有多种控制模式 常见的有以下几种 1 程序控制型该类充电控制模式的基本特点是 采用参数可重置的恒压限流充电模式 充电过程按继定的程序由充电设备内自动控制系统控制自动完成 大多数智能充电属于此类 实质上应属于自动充电范畴 2 模拟曲线程序控制型该类充电控制模式的特点是 充电设备内嵌入了多种预设充电曲线 用户根据不同的蓄电池 选择不同的预置充电曲线进行充电 这种充电控制方法可按特殊曲线程序控制充电 实现一些具有特殊功能的充电过程控制 如预充电 均衡充电等 该模式的缺点是 预置曲线仍是根据大量试验确定的典型充电曲线 不可能完全满足所有具体蓄电池的实际特性 过充电 欠充电 过电流等问题难以避免 3 智慧型 下图是不同性能的阀控铅蓄电池可接受充电电流曲线 A 为性能良好的蓄电池可接受充电电流曲线 B 是性能较差的蓄电池可接受充电电流曲线 C 是轻度硫酸盐化的蓄电池可接受充电电流曲线 图2 35不同性能的蓄电池可接受充电曲线 程序控制和模拟曲线程序控制 难以适应上述不同蓄电池特性的充电要求 近年 基于容量SOC的充电方法成为大专院校 科研院所研究成的热点 支撑其研究的理论是 具有不同荷电状态 SOC 的蓄电池 具有不同的允许充电电流和放电电流 只要预知蓄电池的荷电状态 SOC 就可以计算出最佳充电电流和放电电流 使蓄电池工作在最佳状态 防止蓄电池发生过充电 过放电和过电流 述方法存在的问题是 影响蓄电池充放电电流大小的主要因数是蓄电池的内阻 内阻越小 允许的充放电电流就越大 蓄电池的荷电状态 SOC 与内阻没有直接关系 荷电状态 SOC 大 内阻不一定就小 荷电状态小 不一定内阻就一定大 2002年曾发生过一个案例 一辆11米纯电动公交车 装载的396 300Ah阀控铅蓄电池 匀速试验运行可连续行驶156公里 而同一辆车转载400Ah锂离子蓄电池 同样的试验 连续行驶仅96公里 其原因就是装载的锂离子蓄电池的内阻比阀控铅蓄电池还大 内阻上消耗了大量能量 蓄电池过充电的标志是充电电压超过蓄电池最高允许充电电压 简化的表达式为 充电电压 充电反应电动势 超电势 充电电流 蓄电池内阻上式中 充电反应电动势和超电势 是由正极 负极和电解液的材料体系决定的 与实际容量大小没有关系 蓄电池内阻虽然与实际容量存在函数关系 但是一个没有确定值的离散参数 即相同实际容量的蓄电池的内阻存在巨大的差别 而且是一个相关于时间离散参数 容量与内阻的函数关系只对特定目标 特定条件下的特定蓄电池 存在基本明确的函数关系 并不具有一般性和普遍性的函数关系 依据实际容量确定 最佳 充电电流 是不符合蓄电池基本特性的 从二十世纪末开始 经过十年的发展 基本形成基于极端单体充电方法 并已正式列为由中国电子商会电源专业委员会主持指定的锂离子蓄电池电源系统行业基础标准送审稿推荐充电方法 极端单体电池的含义是 由若干只蓄电池串联组成的蓄电池组 在充电过程 充电电压最高 充电电流最大 温度最高的蓄电池单体 在放电过程中 放电电压最低 放电电流最大 温度最高的蓄电池单体 称为极端单体蓄电池 在充电过程中 应保证所有单体蓄电池的充电电压 充电电流和温度不能超过允许值 只要极端单体电池不超过规定的值 则不会发生电池单体超过允许值的问题 基于极端单体电池可以用以下表达式描述 基于极端单体电池充电方法分为以下两种模式 1 电压模式 2 温控模式两种 电压模式适用于图2 37所述蓄电池类 如阀控铅蓄电池组 锰酸锂蓄电池组 磷酸亚铁锂蓄电池组等 电压模式按以下优先原则进行控制 最高优先级电池单体电压 允许值充电电流 允许值最高温度 允许值最低优先级总成端电压 允许值 温控模式适用于图2 38所述蓄电池类 如金属氢化物 镍等镍基类蓄电池组 温控模式按以下优先原则进行控制 最高优先级电池单体温升率 允许值最高温度 允许值单体电池电压 允许值充电电流 允许值最低优先级总成端电压 允许值 充电设备 与基于端电压充电设备和基于单体电池充电设备比 除增加了与蓄电池系统连接的远程自动控制设备外 其余部分是基本相同的 右图是可用于建立电动汽车公共充电站的CAMTC GC系列100KW高频充电机充电设备 不仅能自动兼容锰酸锂蓄电池和磷酸亚铁锂蓄电池 还可兼容铅蓄电池 阀控铅蓄电池 金属氢化物 镍蓄电池的全自动充电 其中 通用型充电设备 可满足符合 锂离子蓄电池充电设备通用要求 报批稿 规定的标准型 均衡型 基本型和I O型蓄电池模块和总成的充电要求 基本型充电设备 可满足符合 锂离子蓄电池充电设备通用要求 报批稿 规定的基本型和I O型蓄电池模块和总成的充电要求 I O型充电设备可满足符合 锂离子蓄电池充电设备通用要求 报批稿 规定的I O型蓄电池模块和总成的充电要求 锂离子蓄电池充电设备通用要求 报批稿 中对该类充电设备的安全提出了具体的要求 1 当蓄电池单体电池数据采样发生失调或失效时 充电设备应有能够防止发生单体电池充电电压超过最高允许充电电压的技术措施 2 当单体电池电压监测电路发生故障时 充电设备应自动停止充电 并断开充电设备与蓄电池的连接 3 当充电设备没有与蓄电池模块或总成建立连接时 充电设备应被禁止启动充电 若必要时 必须通过操作专门的装置后 才能启动充电设备 4 当充电设备与蓄电池模块或总成建立连接后 操作人员通过充电设备本地人机交互设备或充电机 站 监控设备进行充电参数修改时 可修改的项目和范围应受到严格限制 充电电流和充电电压只允许在小于或等于蓄电池模块和总成允许充电电流和充电电压范围内 5 在正常情况下 充电设备应自动处于必须与蓄电池模块或总成建立连接 并组成基于极端单体电池充电状态 仅通过操作特殊的设备 才允许充电设备处于常规基于端电压的充电状态 6 当充电设备处于基于极端单体电池充电状态时 若不能与蓄电池模块或总成建立正常连接 启动充电设备的充电操作被禁止 并发出报警信息 7 当充电设备处于基于端电压的常规充电模式下 而与必须采用基于极端单体电池充电模式的锂离子蓄电池连接时 启动充电设备的充电操作被禁止 并发出报警信息 8 充电设备应安装一个紧急停机设备 必要时通过操作紧急停机设备 可以立即停止充电 并断开充电设备与输入电源和蓄电池的连接 接口和通讯协议等将在后面几章中介绍 蓄电池放电控制技术 蓄电池的性能和使用寿命 与放电过程是否符合蓄电池的性能要求密切相关 放电方法和放电控制技术 是蓄电池成组应用技术和系统集成技术研究的重要内容 各种不同体系的蓄电池 对放电有不同的要求 铅酸体系的蓄电池放电深度与寿命的关系如表2 9和表2 10 一般要求放电深度应限制在80 之内 若放电深度过深 会严重影响使用寿命 放电电流大小 对铅蓄电池使用寿命影响很大 放电电流与实际可用容量的关系如表2 3 锂离子蓄电池虽然功率密度比阀控铅蓄电池大很多 但仍然不允许大电流放电 其教授已经详细介绍了 从防止温度升高和温度失控方面考虑 一般以1I3为宜 锂离子蓄电池和铅蓄电池放电电流与容量的关系如图2 43和表2 11 图2 43铅蓄电池和锂离子蓄电池在不同放电电流下的容量 表2 11蓄电池放电电流与容量的关系 锂离子蓄电池若发生过放电 对电池的伤害远大于铅酸体系蓄电池 锂离子蓄电池对过放电的要求比铅蓄电池严格得多 若发生严重过放电 将造成蓄电池失效 金属氢化物 镍蓄电池完全放电与完全充电 是保证使用寿命不缩短的基本要求 但也必须防止由于蓄电池的过度放电造成反极性对蓄电池造成的伤害 放电控制方法可分为两类 1 基于端电压放电控制方法 2 基于极端单体电池放电方法 基于极端单体电池放电控制方法 基于单体电池放电控制方法是蓄电池容量试验等典型方法 这种放电控制方法如图2 44 图2 44基于极端单体电池放电方法 以恒流方式进行放电 当蓄电池组中 电压最低的蓄电池单体放电电压等于或低于放电最低允许电压时 1点 即停止放电 这种放电方式在蓄电池实验中得到广泛应用 这种放电方法的缺点是 在放电过程中必须不断检测所有蓄电池的单体电池电压 在没有单体电池电压检测的电池组中 难以实现自动控制 一般只用于电池组试验或维护性的放电 在没有自动控制的电源系统蓄电池组中不能采用 基于端电压放电控制方法 基于端电压放电控制方法分两种 1 恒流放电方法 2 恒流限压放电方法 恒流放电方法如图2 44 即以恒流进行放电 当蓄电池组的电压下降到放电允许最低电压时 停止放电 图2 44恒流放电方法 与基于极端单体电池放电控制方法的区别在于 用于控制的放电电压是来自蓄电池组的端电压 其值等于单体电池允许最低放电电压与串联蓄电池个数的乘积 由于铅蓄电池和阀控铅蓄电池最大放电深度应小于或等于80 即放电终结后还应有20 的剩余电量 若蓄电池组中所有蓄电池的质量都在规定的标准之内 一致性符合要求 采用蓄电池组端电压放电控制方式 即是会出现部分电池放电深度低于80 也基本不会发生个完全放电或反极性的问题 若蓄电池组的个别电池质量达不到规定质量 即一致性不能达到规定要求 采用基于端电压放电控制方法不能防止发生个别电池过放电的问题 另一种是恒流限压放电控制方法是恒压限流放电方法 如图2 45 图2 45恒压限流放电控制方法 恒流限压放电方法是 先以恒流方式进行放电 当蓄电池组端电压下降到最低允许放电电压时 即转变为恒压方式进行放电 当放电电流下降到规定的最小放电电流时 2点 停止放电 这种放电方法应用很普遍 其缺点是 若蓄电池组的一致性不能达到要求 有可能发生单体电池过放电 基于端电压的恒流限压放电控制方法 只能适用于蓄电池组一致性符合要求 不可能发生单体电池过放电的铅蓄电池 阀控铅蓄电池等蓄电池 对于需要防止发生单体电池过放电的蓄电池 不能使用这种放电控制方法 基于极端单体电池放电控制方法 对于不允许发生单体电池过放电的蓄电池 如锂离子蓄电池 或可能发生单体电池过放电的蓄电池组 应采用基于极端单体电池放电控制方法 基于极端单体电池放电方法可分 1 恒流放电控制方法 2 恒流限压放电控制方法 基于极端单体电池放电方法与基于端电压放电方法不同的是 蓄电池电压都是指蓄电池组中的极端单体蓄电池的电压 即蓄电池组中只要有一只蓄电池放电电压等于或低于最低允许放电电压 即应立即停止放电 基于极端单体电池放电方法控制电路如图2 46 与基于端电压放电控制方法比 仅增加了由蓄电池系统放电控制电路控制的远程自动控制设备 锂离子蓄电池总成通用要 报批稿 中对用电设备的控制提出了具体要求 与锂离子蓄电池连接的用电设备 应符合以下要求 1 有与蓄电池模块和总成连接的控制电路接口和通讯接口 并符合 锂离子蓄电池总成接口和通讯协议 的规定 2 有防止发生单体电池放电电压低于允许值 放电电流和电池模块内工作温度超过允许值的技术措施 3 电池的一致性处于任意状态时 不应发生单体电池放电电压低于规定值 导致使用寿命缩短或安全性下降等问题 4 当蓄电池电压等于最低允许值时 应自动限制放电电流 使最低单体电池电压等于或高于最低允许值 5 当采用数字控制的放电设备时 必须有防止因单体电池电压检测失调或失效造成单体电池充电电压低于允许值的技术措施 6 当采用数字控制的放电设备时 必须有防止因单体电池电压检测失调或失效造成单体电池充电电压低于允许值的技术措施 7 放电设备与蓄电池模块或总成之间应有电路断开设备 必要时 蓄电池模块和总成能应通过接口电路控制电路断开设备 立即切断蓄电池与放电设备的连接 用电设备的电路接口和接口协议及通讯接口和通讯协议应符合 锂离子蓄电池总成接口和通讯协议 报批稿 的规定 基于极端单体蓄电池放电方法 是锂离子蓄电池 金属氢化物 镍蓄电池必须采用的放电控制方法 阀空铅蓄电池也应采用这种放电方法 2 6蓄电池的运行模式 蓄电池运行运行模式根据需要 一般可分为 1 循环充放电运行模式 2 连续浮充电运行模式 3 非连续浮充电运行模式 循环充放运行模式 循环充放电运行模式主要用于 1 便携式储能设备 如移动电话 仪器仪表 移动电源等补充充电放电 2 移动储能设备 如电动自行车 电动车 电动叉车 电动游船 电动汽车 移动电源等 3 固定储能设备 如移峰填谷的兆瓦级储能电站 孤到岛电站 互为备份的船用直流电源等 循环充放电运行制度的特点是 用较大的充电电流 一般为为接近可接受充电电流 和较高的充电电压 一般采用蓄电池可接受的最高充电电压 在较短的时间内完成补充充电 然后为用电设备提供电源 充电和放电在时间上是不重叠的 工作于循环充放电运行模式的储能蓄电池电源系统结构和控制简单 充电和放电是分时进行的 电压匹配容易 其缺点是 蓄电池工作在深度频繁充电和放电的循环状态下 使用寿命短 特别是当前的阀控铅蓄电池储能电源 大多没有完善的蓄电池管理技术设备 容易发生部分电池过充电 和过放电问题 若使用和维护不当 蓄电池很容易发生早期损坏 连续浮充电运行模式 连续浮充电运行模式也称为浮充电运行模式 其特点是 将变流设备和用电设备都并连在蓄电池回路上 如图2 48 正常用电设备所用电流全部由变流设备提供 蓄电池只吸收很小的浮充电电流 以补充自放电 蓄电池只起平滑作用 不直接对用电设备供电 只要蓄电池电压低于变流器输出电压 变流器即对蓄电池进行充电 当外电源停止 或变流器因故障或用电电流超过变流器最大输出电流造成回路电压下降到低于蓄电池电压时 蓄电池即向用电设备提供电流 这样就保证了用电设备电源的不间断供给 浮充电运行模式在通讯电源 不间断电源等得到广泛应用 以智能电网和风能发电用于平滑和改善电网质量等为目的兆瓦级储能设备 电动汽车等低碳产业领域有广阔的应用前景和巨大市场需求 非连续浮充电运行模式 连续浮充电模式的优点时 用电设备可获得不间断的稳定电源 同时也由于蓄电池长期工作在较高超电势状态下 电极腐蚀严重 失水量较大 蓄电池使用寿命缩短 为了克服上述缺点 可采用非连续浮充电运行模式 非连续浮充电运行模式可分为 1 定时浮充电运行模式 2 不定时浮充电运行模式 定时浮充电运行模式是 按规定的时间 对蓄电池进行浮充电 一般用于用电设备状态具有相对稳定的状态 电源需求可预知 或基本可预知 非定时浮充电运行模式是 根据蓄电池剩余电量状态 不定期对蓄电池进行浮充电 当浮充电电流下降到最小值后 停止浮充电 当蓄电池剩余电量或电压下降到规定值后 再次对蓄电池进行浮充电 非连续浮充电运行模式 电源系统效率得到有效提高 蓄电池腐蚀大幅度减小 使用寿命延长 其主要缺点是 用电设备获得的电源电压存在一定幅度的变化 1996年XX单位在xx舰船上采用阀控铅蓄电池进行的实验 就是采用非定时浮充电运行模式 参加实验的15个电源系统 近200只200Ah阀控铅蓄电池 在基本无人值守下连续运行了四万多小时 到课题验收时 所有蓄电池仍处于性能良好状态 没有发生一只蓄电池因性能下降而更换 大容量蓄电池虽然确实产品设计和质量控制比小容量蓄电池困难很多 性能也差很多 单最重要的是产品试验条件和使用条件基本相同 通过对由3组28只85Ah 12V阀控铅蓄电池先串联后并联组成的蓄电池进行测试 其中一组蓄电池电流等于零 其中一组蓄电池承担了输出电流的80 以上 该供应商合同承诺保证使用寿命超过6万公里 但实际使用寿命仅五千 六千公里 有国际知名蓄电池供应商提供的信息 其18650磷酸压铁锂蓄电池使用寿命可达到3000个充放电循环 但采用其组装的电动汽车用蓄电池组 使用寿命最多只能达到60 左右 其主要原因就是忽略了单体蓄电池的过电流问题 新能源汽车的电源变换装置 一 电源变换的概念和分类 电源变换是电力电子技术的重要内容 电力电子技术是应用于电力领域的电子技术 电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支 通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术 常用的电源可分为交流和直流两种 从公用电网直接得到的电源是交流的 而从蓄电池得到的电源是直流的 而使用的用电设备可能是直流的 也可能是交流的 可能是低压 也可能是高压 可能是低频 也可能是高频 可能既需要调频 又需要调压 因此 为了达到对用电设备的最佳操作控制 使其达到需要的运行状态 达到最佳的运行性能 实现最佳的节能效果 必须对电源变换后使用 电源变换通常可分为四大类 即交流 直流变换 AC DC 直流 交流变换 DC AC 直流 直流变换 DC DC 交流 交流变换 AC AC 电源变换电路包括电力电子器件 变换电路和控制电路三个部分 二 电力电子器件简介 电力电子器件是一类适用电力通断控制的半导体电子器件 各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性 根据其对导通与阻断的可控性 电力电子器件可分为三类 电源变换或控制1 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件被称为半控型器件 像普通晶闸管其关断完全是由在主电路中承受的电压和电流决定的 2 通过控制信号既可以控制其导通 又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件 例如可关断晶闸管 电力晶体管等器件 表7 1 全控型电力电子器件一般具有三个电极 其中一个电极是控制电极 如表7 1中的图形符号上的B电极和G电极 另外两个电极按要求串接在主电路中 控制信号经控制电极控制电力电子器件的导通和关断 因此 可以把电力电子器件等效为一个电子开关来分析电源变换电路 本章就上述四种电源变换的基本工作原理进行分析 表7 1电源变换常用电力电子器件 交流 直流变换 AC DC 由于交流电源的获得比较方便 因此工农业生产用电和生活用电广泛使用交流电 但在电子电路及设备中 一般都需要稳定的直流电源供电 例如汽车就采用直流电系 它们所需要的直流电源 一般是由交流电经过电源变压器 整流电路