第2章混合动力汽车的电能储存装置.ppt

1、混合动力汽车 第 1 页,2.1 概述,电能储能装置的种类： 储存能量、向外传送能量和从外部吸收能量的装置称为储能装置。混合动力汽车的电能储存装置可以分为二次电池、超级电容器和飞轮电池三大类。 二次电池-也称可充电电池。主要有铅酸蓄电池、镍-氢电池、锂离子电池、镍-金属氢化物电池。 超级电容器-又叫电化学电容器，是新型双电层电容器，具有电容量大的特点 飞轮电池-亦称飞轮储能器，利用飞轮高速旋转储存和释放电能的装置。,混合动力汽车 第 2 页,电能储存装置的主要性能指标,比能量-单位质量的电能储存装置所能输出的能量，单位为J/kg、Wh/kg、KWh/kg。比能量越高，汽车用电能行驶的距离越长。

2、 能量密度-单位体积电能储存装置所能输出的能量，单位为Wh/L、KWh/L。能量密度越高，汽车的载重量和车内空间越大。 比功率-单位质量电能储存装置所具有电能的功率，单位为W/kg、KW/kg。比功率越大，汽车加速、爬坡性能越好，最高车速越高。 功率密度-单位体积电能储存装置具有的电能功率W/L、KW/L。密度越大，汽车的载重量和车内空间越大。 寿命-使用时间的长短、放电循环次数的多少。单位为年、小时或循环次数。 充放电效率-充入/输出电能储存装置的电能占充电/放电时消耗电能的百分比。SOC（荷电状态）是指剩余容量与全荷电容量的比值。,混合动力汽车 第 3 页,第2 代EV用电池参数与USAB

3、C中、长期目标的对比表,混合动力汽车 第 4 页,2.2 二次电池的基本概念,开路电压-电池不放电处于断路状态时，电池两极之间的电位差 电池内阻-电流流过电池内部受到的阻力，使电池电压降低，此阻力称为电池内阻。 电池工作电压-电池放电时电池两极之间的电位差，也叫端电压。它受电池放电时规定的条件（即放电制度）影响很大。 终止电压和放电曲线-电压降到不宜再继续放电的最低工作电压成为终止电压。电池工作电压随放电时间的变化曲线称为放电曲线。 电池容量-电池荷电量多少。即在一定放电制度下，电池给出的电量或有效工作时间。分为理论、实际和标称容量。,1二次电池主要性能指标,混合动力汽车 第 5 页,能量-电

4、池的能量是指在一定放电制度下，电池所能输出的电能，单位是Wh或kWh。它影响电动汽车的行驶距离。分为标称能量和实际能量。 功率-电池的功率是指电池在一定放电制度下，单位时间内所输出能量的大小，单位为瓦（W）或千瓦（kW）。 （1）比功率 （2）功率密度 成本-制造电池所耗费的所有费用，与电池的技术含量、材料、制作方法等有关。 使用寿命-使用寿命是指电池在规定条件下的有效寿命期限。电池发生内部短路或损坏而不能使用，以及容量达不到规范要求时电池使用失效，这时电池的使用寿命终止。 电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限是指电池可供使用的时间，包括电池的存放时间。使用周期是指电池可供重复使用的

5、次数。,2.2 二次电池的基本概念,1二次电池主要性能指标,混合动力汽车 第 6 页,2. HEV和EV对动力电池的要求,电动汽车对动力电池的要求主要有： （1）比能量高 （2）比功率大 （3）充放电效率高 （4）相对稳定性好， （5）使用成本低 （6）安全性好 （7）循环寿命长,混合动力汽车 第 7 页,混合动力汽车 第 8 页,3.二次电池的输出电流、功率和效率的关系,蓄电池的放电电流、端电压、输出功率等与汽车续驶里程、车速等有密切关系。这些关系是HEV选用蓄电池的重要理论依据。 蓄电池的放电特性：,混合动力汽车 第 9 页,3.二次电池的输出电流、功率和效率的关系,混合动力汽车 第 10

6、 页,2.3 铅酸蓄电池,铅酸蓄电池自1859年发明以来，其使用和发展已有100多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力源。电动汽车用铅酸蓄电池要用于给电动汽车提供动力，它的主要发展方向是提高比能量，增大循环使用寿命。 铅酸蓄电池作为纯电动汽车动力电源在比能量、深放电循环寿命、快速充电等方面均比镍氢电池、锂离子电池差，不适合于电动轿车。但由于其价格低廉，国内外将它的应用定位在速度不高、路线固定、充电站设立容易规划的车辆和作为起动机和电子电器设备的电源。,1.概述,混合动力汽车 第 11 页,2. 铅酸蓄电池的分类与结构,（1）铅酸蓄电池的分类 电动道路车辆用铅酸蓄电池分为免维护蓄电池和阀控密封

7、式蓄电池两类。 （2）型号 电动道路车辆用蓄电池以“电”的汉语饼音“D”表示，阀控密封式铅酸蓄电池以“M”表示，免维护铅酸蓄电池以“W”表示。如6DM55，表示单体电池为6只、额定容量为55Ah的电动车辆用阀控密封式铅酸 。 （3）其他规定（外形、重量、额定容量）见书本P49页,混合动力汽车 第 12 页,2. 铅酸蓄电池的分类与结构,（4）免维护铅酸蓄电池 免维护铅酸蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通铅酸蓄电池的两倍。一般有两种： a.在购买时一次性加电解液以后使用中不需要添加补充

8、液 b.电池本身出厂时就已经加好电解液并封死，用户根本就不能加补充液。,混合动力汽车 第 13 页,2. 铅酸蓄电池的分类与结构,（5）阀控密封式铅酸蓄电池 阀控密封式铅酸蓄电池在使用期间不用加酸加水维护，电池为密封结构，不会漏酸，也不会排酸雾，电池盖子上设有溢气阀（也叫安全阀），该阀的作用是当电池内部气体量超过一定值，即当电池内部气压升高到一定值时，溢气阀自动打开，排出气体，然后自动关闭，防止空气进入电池内部。,混合动力汽车 第 14 页,（6）铅酸蓄电池的结构,2.铅酸蓄电池的分类与结构,混合动力汽车 第 15 页,3. 铅酸蓄电池的工作原理,铅酸蓄电池是酸性蓄电池，其化学反应式为 充电时

9、，把铅板分别和直流电源的正、负极相连，进行充电电解，阴极的还原反应为,混合动力汽车 第 16 页,3. 铅酸蓄电池的工作原理,阳极的氧化反应为 充电时的总反应为 随着电流的通过， 在阴极上变成蓬松的金属铅，在阳极上变成黑褐色的二氧化铅，溶液中有 生成。 由于是可逆的过程所以放电时的总反应,混合动力汽车 第 17 页,4. 铅酸蓄电池的容量及其影响因素,1）铅酸蓄电池的容量 （1）容量C指蓄电池在容许放电的范围内所输出的电量即放电电流I(A)和放电时间t(h)之积的积分，与放电电流、温度及电解液的密度等因素有关。额定容量用C3表示，即在电解液温度为25摄氏度时，以3h率放电电流（I3= C3 /

10、3A）连续放电到蓄电池端电压下降到9.90伏蓄电池所输出的电量。 （2）完全充电-蓄电池以0.5I3（A）电流充电到14.4 V0.1V后，再继续以0.25I3（A）电流充电，在充电末期连续3h内蓄电池电压变化不大于0.05 V/h，此时确认蓄电池已完全充电。 2）影响电池容量的因素： （1）极板构造； （2）放电电流； （3）电解液温度和浓度；,混合动力汽车 第 18 页,5.铅酸蓄电池的充放电特性,铅酸蓄电池的放电曲线,1）铅酸蓄电池的放电特性,混合动力汽车 第 19 页,2）铅酸蓄电池的充电特性,铅酸蓄电池的充电曲线,5 铅酸蓄电池的充放电特性,混合动力汽车 第 20 页,6 铅酸蓄电池

11、的性能指标,FT7C-HEV VRLA Battery,混合动力汽车 第 21 页,7 铅酸蓄电池的不足,（1）比能量低，在电动汽车中所占的质量和体积较 大，一次充电行驶里程短； （2）使用寿命短，使用成本高； （3）充电时间长； （4）铅是重金属，存在污染（铅毒、酸雾、锑和砷、镉） 。,混合动力汽车 第 22 页,2.4 镍氢电池,镍氢电池是90年代发展起来的一种新型电池。它的正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要由贮氢合金制成，是一种碱性蓄电池。 镍氢电池具有高比能量、高功率、适合大电流放电、可循环充放电、无污染，被誉为“绿色电源”。,混合动力汽车 第 23 页,1镍氢电池的发展动态,

12、三洋电机株式会社生产的圆柱型5.5Ah的镍氢电池组，质量比功率1000W/kg。2001年为Escape配备，后来为本田Accord采用。 美国的Cobasys公司开发了容量为1260Ah的一系列高功率镍氢电池。质量比功率达到550600W/kg，体积比功率达到12001400W/l，峰值比功率可达1000W/kg，比能量在5070Wh/kg，使用温度在60时能量效率仍保持在8090%，充电功率也超过500W/kg。,混合动力汽车 第 24 页,1镍氢电池的发展动态,德国Varta公司开发的超高功率镍氢电池（HEV-10 UHP cells）功率密度已达到1000W/kg，但其比能量仅为40W

13、h/kg。 法国Saft公司的4/5SF型（41mm93mm）高功率镍氢电池容量为14Ah， 比能量为47Wh/kg，80%充电态对应的比功率为900 W/kg，体积比功率达2500W/l。,混合动力汽车 第 25 页,1镍氢电池的发展动态,我国也有很多单位一直从事混合动力汽车用镍氢电池的研究(90年代初)。 中科院上海微系统与信息技术研究所长期从事镍氢电池及相关材料的研究和开发，北京有色总院、中山电池公司、湖南神舟科技、春兰集团、鞍山三普等单位均从不同角度做过大量积极有益的工作，取得了很大的进展。 目前占世界民用电池市场的22%。,混合动力汽车 第 26 页,2 镍氢电池的特点与组成,1镍氢

14、电池的分类 （1）方形镍氢电池； （2）圆形镍氢电池。 2镍氢电池的结构 正极、负极、极板、隔板、电解液,混合动力汽车 第 28 页,3 镍氢电池的特点,（1）比功率高 （2）循环次数多 （3）无污染 （4）耐过充过放 （5）无记忆效应 （6）使用温度范围宽 （7）安全可靠,混合动力汽车 第 29 页,4 镍氢电池的工作原理,混合动力汽车 第 30 页,5 镍氢电池的充放电特性,通常电池在一定电流下进行充电和放电时都是使用曲线来表示电池的端电压和温度随时间的变化，把这些曲线称为电池的特性曲线。 一般充放电电流的大小常用充放电倍率来表示，即充放电倍率=充放电电流/额定容量。例如，额定容量为100

15、Ah的电池用20A放电池时，其放电倍率为0.2C。,混合动力汽车 第 31 页,镍氢电池的充电特性,电池常温5C充电曲线 曲线15C充电8.4Ah；曲线2常温0.5C放电至1.0V,5 镍氢电池的充放电特性,电压/V,充放电容量/Ah,混合动力汽车 第 32 页,电池高温(45)充电曲线 曲线1高温（45）1C充电9.24Ah；曲线2常温0.5C放电至1.0V,电压/V,充放电容量/Ah,5 镍氢电池的充放电特性,混合动力汽车 第 33 页,镍氢电池的放电特性,电池常温下不同倍率放电曲线,电压/V,放电率/%,5 镍氢电池的充放电特性,混合动力汽车 第 34 页,电池低温(-18)放电曲线 曲

16、线1常温0.5C充电9.24Ah；曲线2低温(-18)1C放电至0.9V,电压/V,5 镍氢电池的充放电特性,充放电容量/Ah,混合动力汽车 第 35 页,2.3.6 镍氢电池SOC估计,电池SOC的估计模型,混合动力汽车 第 36 页,1电池SOC估计的神经网络结构,采用三层径向神经网络，输入层只是传递输入信号到隐层，隐层采用高斯核函数，输出层采用的是纯线性函数。确定电池端电压V、电池温度 、电池放电或充电的安培秒为三个输入变量，输出变量为电池的SOC值。,2.3.6 镍氢电池SOC估计,混合动力汽车 第 37 页,2.卡尔曼滤波器的信号模型与输出方程的确定,由SOC的定义可知,联立上述三个

17、方程得,2.3.6 镍氢电池SOC估计,混合动力汽车 第 38 页,令 在等式两边对时间 求导得 令 并考虑系统噪声，即由于模型的不确定性而产生的模型噪声，得系统方程为 输出方程为 式中 ， 为系统噪声； 为测量噪声。,2.3.6 镍氢电池SOC估计,混合动力汽车 第 39 页,对以上两个方程进行采用零阶保持采样离散化得 式中， 假定 与 是均值为零、互不相关的高斯白噪 声。,2.3.6 镍氢电池SOC估计,混合动力汽车 第 40 页,其中 和 可以在实验中获得，这样就可以根据控制信号 和测量输出 估计状态变量 ，即电池的SOC值。,2.3.6 镍氢电池SOC估计,混合动力汽车 第 41 页,

18、2.4 锂离子电池,锂离子电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，是目前世界最新一代的充电电池。 锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点。,混合动力汽车 第 42 页,2.4.1 锂离子电池的发展动态,2006年1月，江森控制在全球开始研发和制造用于混合动力和电动汽车的锂离子电池。 三洋电机2008年5月28日宣布，向德国大众集团供应混合动力汽车用锂离子充电电池系统。 我国在锂离子电池方面的研究水平，有多项指标超过了USABC提出的长期目标所规定的指标，目前已经把锂离子电池作为电动汽车用动力电池

19、的重要发展目标。,混合动力汽车 第 43 页,2.4.2 锂离子电池的分类与构造,1锂离子电池的分类 按照锂离子电池外形形状： （1）方形锂离子电池； （2）圆柱形锂离子电池。 按照锂离子电池正极的材料不同： （1）锰酸锂离子电池； （2）磷酸铁锂离子电池； （3）镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池。,混合动力汽车 第 44 页,2锂离子电池的结构,1绝缘体；2垫圈；3PTC元件；4正极端子；5排气孔；6防爆阀； 7正极；8隔板；9负极；10负极引线；11正极；12外壳,圆柱形锂离子电池结构示意图,2.4.2 锂离子电池的分类与构造,混合动力汽车 第 45 页,我国自主开发的电动汽车用锂离子电池

20、,2.4.2 锂离子电池的分类与构造,混合动力汽车 第 46 页,2.4.3 锂离子电池的特点,锂离子电池有许多显著特点，它的优点主要表现为： （1）工作电压高 （2）比能量高 （3）循环寿命长 （4）自放电率低 （5）无记忆性 （6）对环境无污染 （7）能够制造成任意形状,混合动力汽车 第 47 页,2.4.3 锂离子电池的特点,锂离子电池也有一些不足，主要表现在： （1）成本高：主要是正极材料LiCoO2的价格高，但按单位瓦时的价格来计算，已经低于镍氢电池，与镍镉电池持平，但高于铅酸蓄电池； （2）必须有特殊的保护电路，以防止过充。,混合动力汽车 第 48 页,2.4.4 锂离子电池的工作

21、原理,电池在充电时，锂离子从正极材料的晶格中脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到负极中； 放电时，锂离子从负极脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到正极材料晶格中。在整个充放电过程中，锂离子往返于正负极之间。,混合动力汽车 第 49 页,2.4.4 锂离子电池的工作原理,锂离子电池工作原理图,混合动力汽车 第 50 页,2.4.4 锂离子电池的工作原理,正、负极的电化学反应为 总反应为,混合动力汽车 第 51 页,2.4.5 锂离子电池的充放电特性,充电电流方面，锂电池的充电率（充电电流）应根据电池生产厂的建议选用。虽然某些电池充电率可达2C，但常用的充电率为0.51C。 放电方面，锂离子电池的最大放电电流一般被限制在23C左右。 锂电池的充电温度一般应该被限制在060范围。电池温度过