混合動力汽車的電能儲存裝置

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1、混合動力汽車 第 1 頁 2.1 概述 電能儲能裝置的種類： 儲存能量、向外傳送能量和從外部吸收能量的裝置 稱為儲 能裝置。混合動力汽車的電能儲存裝置可以分為二次電池、 超級電容器和飛輪電池三大類。 二次電池 -也稱可充電電池。主要有鉛酸蓄電池、鎳 -氫電 池、鋰離子電池、鎳 -金屬氫化物電池。 超級電容器 -又叫電化學電容器，是新型雙電層電容器，具 有電容量大的特點 飛輪電池 -亦稱飛輪儲能器，利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)儲存和釋放 電能的裝置。 混合動力汽車 第 2 頁 電能儲存裝置的主要性能指標 比能量 -單位質(zhì)量的電能儲存裝置所能輸出的能量，單位為 J/kg、 Wh/kg、 KWh/kg。比能量越

2、高，汽車用電能行駛的距離越長。 能量密度 -單位體積電能儲存裝置所能輸出的能量，單位為 Wh/L、 KWh/L。能量密度越高，汽車的載重量和車內(nèi)空間越大。 比功率 -單位質(zhì)量電能儲存裝置所具有電能的功率，單位為 W/kg、 KW/kg。比功率越大，汽車加速、爬坡性能越好，最高車速越高。 功率密度 -單位體積電能儲存裝置具有的電能功率 W/L、 KW/L。密 度越大，汽車的載重量和車內(nèi)空間越大。 壽命 -使用時間的長短、放電循環(huán)次數(shù)的多少。單位為年、小時或 循環(huán)次數(shù)。 充放電效率 -充入 /輸出電能儲存裝置的電能占充電 /放電時消耗電 能的百分比。 SOC（荷電狀態(tài)）是指剩余容量與全荷電容量的比

3、值。 混合動力汽車 第 3 頁 第 2 代 EV用電池參數(shù)與 USABC中、長期目標的對比表 混合動力汽車 第 4 頁 2.2 二次電池的基本概念 開路電壓 -電池不放電處于斷路狀態(tài)時，電池兩極之間的電 位差 電池內(nèi)阻 -電流流過電池內(nèi)部受到的阻力，使電池電壓降低， 此阻力稱為電池內(nèi)阻。 電池工作電壓 -電池放電時電池兩極之間的電位差，也叫端 電壓。它受電池放電時規(guī)定的條件（即放電制度）影響很 大。 終止電壓和放電曲線 -電壓降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作 電壓成為終止電壓。電池工作電壓隨放電時間的變化曲線 稱為放電曲線。 電池容量 -電池荷電量多少。即在一定放電制度下，電池給 出的電量或有效工

4、作時間。分為理論、實際和標稱容量。 1二次電池主要性能指標 混合動力汽車 第 5 頁 能量 -電池的能量是指在一定放電制度下，電池所能輸出的 電能，單位是 Wh或 kWh。它影響電動汽車的行駛距離。分為 標稱能量和實際能量。 功率 -電池的功率是指電池在一定放電制度下，單位時間內(nèi) 所輸出能量的大小，單位為瓦（ W）或千瓦（ kW）。 （ 1）比功率 （ 2）功率密度 成本 -制造電池所耗費的所有費用，與電池的技術(shù)含量、材 料、制作方法等有關(guān)。 使用壽命 -使用壽命是指電池在規(guī)定條件下的有效壽命期限。 電池發(fā)生內(nèi)部短路或損壞而不能使用，以及容量達不到規(guī)范 要求時電池使用失效，這時電池的使用壽命終

5、止。 電池的使用壽命包括 使用期限和使用周期 。使用期限是指電 池可供使用的時間，包括電池的存放時間。使用周期是指電 池可供重復使用的次數(shù)。 2.2 二次電池的基本概念 1二次電池主要性能指標 混合動力汽車 第 6 頁 2. HEV和 EV對動力電池的要求 電動汽車對動力電池的要求主要有： （ 1）比能量高 （ 2）比功率大 （ 3）充放電效率高 （ 4）相對穩(wěn)定性好， （ 5）使用成本低 （ 6）安全性好 （ 7）循環(huán)壽命長 混合動力汽車 第 7 頁 混合動力汽車 第 8 頁 3.二次電池的輸出電流、功率和效率的關(guān)系 蓄電池的放電電流、端電壓、輸出功率等與汽車續(xù)駛里程、 車速等有密切關(guān)系。這

6、些關(guān)系是 HEV選用蓄電池的重要理論 依據(jù)。 蓄電池的放電特性： 蓄電池的內(nèi)阻。 蓄電池的放電電流， 蓄電池放電時的端電壓 蓄電池的開路端電壓，其中： ， i b b o ibbo R I U U RIUU 混合動力汽車 第 9 頁 蓄電池的內(nèi)阻。 電流：輸出最大功率時的放電 最大輸出功率： 蓄電池效率： 輸出功率： i i o i o o ib ob bb o b ibobbbb R R U I R U P U RI UI UI P P RIUIUIP 2 4 )( 1 )( max 2 max b 3.二次電池的輸出電流、功率和效率的關(guān)系 混合動力汽車 第 10 頁 2.3 鉛酸蓄電池 鉛

7、酸蓄電池自 1859年發(fā)明以來，其使用和發(fā) 展已有 100多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機汽車的起 動動力源。電動汽車用鉛酸蓄電池要用于給電動 汽車提供動力，它的主要發(fā)展方向是提高比能量， 增大循環(huán)使用壽命。 鉛酸蓄電池作為純電動汽車動力電源在比能 量、深放電循環(huán)壽命、快速充電等方面均比鎳氫 電池、鋰離子電池差，不適合于電動轎車。但由 于其價格低廉，國內(nèi)外將它的應用定位在速度不 高、路線固定、充電站設立容易規(guī)劃的車輛和作 為起動機和電子電器設備的電源。 1.概述 混合動力汽車 第 11 頁 2. 鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu) （ 1）鉛酸蓄電池的分類 電動道路車輛用鉛酸蓄電池分為 免維護蓄電池 和 閥控

8、密封式蓄電池 兩類。 （ 2）型號 電動道路車輛用蓄電池以 “ 電 ” 的漢語餅音 “ D”表示， 閥控密封式鉛酸蓄電池以 “ M”表示，免維護鉛酸蓄電池 以 “ W”表示。如 6DM55，表示單體電池為 6只、額定容量 為 55Ah的電動車輛用閥控密封式鉛酸 。 （ 3）其他規(guī)定（外形、重量、額定容量）見書本 P49頁 混合動力汽車 第 12 頁 2. 鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu) （ 4）免維護鉛酸蓄電池 免維護鉛酸蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，電解液 的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)基本不需要補充蒸 餾水。它具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的 特點。使用壽命一般為普通鉛酸蓄電池的兩倍。一 般有兩種

9、： a.在購買時一次性加電解液以后使用中不需要添加 補充液 b.電池本身出廠時就已經(jīng)加好電解液并封死，用戶 根本就不能加補充液。 混合動力汽車 第 13 頁 2. 鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu) （ 5）閥控密封式鉛酸蓄電池 閥控密封式鉛酸蓄電池在使用期間不用加酸加水維 護，電池為密封結(jié)構(gòu)，不會漏酸，也不會排酸霧， 電池蓋子上設有溢氣閥（也叫安全閥），該閥的作 用是當電池內(nèi)部氣體量超過一定值，即當電池內(nèi)部 氣壓升高到一定值時，溢氣閥自動打開，排出氣體， 然后自動關(guān)閉，防止空氣進入電池內(nèi)部。 混合動力汽車 第 14 頁 （ 6） 鉛酸 蓄電 池的 結(jié)構(gòu) 2.鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu) 混合動力汽車 第 15

10、 頁 3. 鉛酸蓄電池的工作原理 鉛酸蓄電池是酸性蓄電池，其化學反應式為 充電時，把鉛板分別和直流電源的正、負極相連， 進行充電電解，陰極的還原反應為 OHPbSOSOHPbO 2442 2 44 SOPbe2P b S O 混合動力汽車 第 16 頁 3. 鉛酸蓄電池的工作原理 陽極的氧化反應為 充電時的總反應為 隨著電流的通過， 在陰極上變成蓬松的金 屬鉛，在陽極上變成黑褐色的二氧化鉛，溶液 中有 生成。 由于是可逆的過程所以放電時的總反應 e2SOH4P b OOH2P b S O 24224 42224 SOH2P b OPbOH2P b S O2 4PbSO 42SOH OH2PbS

11、O2SOH2PbOPb 24422 混合動力汽車 第 17 頁 4. 鉛酸蓄電池的容量及其影響因素 1）鉛酸蓄電池的容量 （ 1）容量 C指蓄電池在容許放電的范圍內(nèi)所輸出的電量即放電 電流 I(A)和放電時間 t(h)之積的積分，與放電電流、溫度及 電解液的密度等因素有關(guān)。額定容量用 C3表示，即在電解液 溫度為 25攝氏度時，以 3h率放電電流（ I3= C3 /3A）連續(xù)放 電到蓄電池端電壓下降到 9.90伏蓄電池所輸出的電量。 （ 2）完全充電 -蓄電池以 0.5I3（ A）電流充電到 14.4 V 0.1V 后，再繼續(xù)以 0.25I3（ A）電流充電，在充電末期連續(xù) 3h內(nèi)蓄 電池電壓

12、變化不大于 0.05 V/h，此時確認蓄電池已完全充電。 2）影響電池容量的因素： （ 1）極板構(gòu)造； （ 2）放電電流； （ 3）電解液溫度和濃度； 混合動力汽車 第 18 頁 5.鉛酸蓄電池的充放電特性 鉛酸蓄電池的放電曲線 1）鉛酸蓄電池的放電特性 混合動力汽車 第 19 頁 2）鉛酸蓄電池的充電特性 鉛酸蓄電池的充電曲線 5 鉛酸蓄電池的充放電特性 混合動力汽車 第 20 頁 6 鉛酸蓄電池的性能指標 FT7C-HEV VRLA Battery 混合動力汽車 第 21 頁 7 鉛酸蓄電池的不足 （ 1）比能量低，在電動汽車中所占的質(zhì)量和體積較 大，一次充電行駛里程短； （ 2）使用壽命

13、短，使用成本高； （ 3）充電時間長； （ 4）鉛是重金屬，存在污染（鉛毒、酸霧、銻和砷、 鎘） 。 混合動力汽車 第 22 頁 2.4 鎳氫電池 鎳氫電池是 90年代發(fā)展起來的一種新型電池。 它的正極活性物質(zhì)主要由鎳制成，負極活性物質(zhì)主 要由貯氫合金制成，是一種堿性蓄電池。 鎳氫電池具有高比能量、高功率、適合大電流 放電、可循環(huán)充放電、無污染，被譽為“綠色電 源”。 混合動力汽車 第 23 頁 1鎳氫電池的發(fā)展動態(tài) 三洋電機株式會社生產(chǎn)的圓柱型 5.5Ah的鎳氫電池 組，質(zhì)量比功率 1000W/kg。 2001年為 Escape配備， 后來為本田 Accord采用。 美國的 Cobasys公

14、司開發(fā)了容量為 12 60Ah的一 系列高功率鎳氫電池。質(zhì)量比功率達到 550600W/kg，體積比功率達到 1200 1400W/l， 峰值比功率可達 1000W/kg，比能量在 5070Wh/kg， 使用溫度在 60 時能量效率仍保持在 8090%，充 電功率也超過 500W/kg。 混合動力汽車 第 24 頁 1鎳氫電池的發(fā)展動態(tài) 德國 Varta公司開發(fā)的超高功率鎳氫電池（ HEV-10 UHP cells）功率密度已達到 1000W/kg，但其比 能量僅為 40Wh/kg。 法國 Saft公司的 4/5SF型（ 41mm 93mm）高 功率鎳氫電池容量為 14Ah， 比能量為 47W

15、h/kg， 80%充電態(tài)對應的比功率為 900 W/kg，體積比功 率達 2500W/l。 混合動力汽車 第 25 頁 1鎳氫電池的發(fā)展動態(tài) 我國也有很多單位一直從事混合動力汽車用鎳氫電 池的研究 (90年代初 )。 中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所長期從事鎳氫 電池及相關(guān)材料的研究和開發(fā)，北京有色總院、中 山電池公司、湖南神舟科技、春蘭集團、鞍山三普 等單位均從不同角度做過大量積極有益的工作，取 得了很大的進展。 目前占世界民用電池市場的 22%。 混合動力汽車 第 26 頁 2 鎳氫電池的特點與組成 1鎳氫電池的分類 （ 1）方形鎳氫電池； （ 2）圓形鎳氫電池。 2鎳氫電池的結(jié)構(gòu) 正極、

16、負極、極板、隔板、電解液 混合動力汽車 第 28 頁 3 鎳氫電池的特點 （ 1）比功率高 （ 2）循環(huán)次數(shù)多 （ 3）無污染 （ 4）耐過充過放 （ 5）無記憶效應 （ 6）使用溫度范圍寬 （ 7）安全可靠 混合動力汽車 第 29 頁 4 鎳氫電池的工作原理 混合動力汽車 第 30 頁 5 鎳氫電池的充放電特性 通常電池在一定電流下進行充電和放電時都是使用 曲線來表示電池的端電壓和溫度隨時間的變化，把 這些曲線稱為電池的特性曲線。 一般充放電電流的大小常用充放電倍率來表示，即 充放電倍率 =充放電電流 /額定容量。例如，額定容 量為 100Ah的電池用 20A放電池時，其放電倍率為 0.2C

17、。 混合動力汽車 第 31 頁 鎳氫電池的充電特性 電池常溫 5C充電曲線 曲線 1 5C充電 8.4Ah；曲線 2 常溫 0.5C放電至 1.0V 5 鎳氫電池的充放電特性 電壓 /V 充放電容量 /Ah 混合動力汽車 第 32 頁 電池高溫 (45) 充電曲線 曲線 1 高溫（ 45 ） 1C充電 9.24Ah；曲線 2 常溫 0.5C放電至 1.0V 電壓 /V 充放電容量 /Ah 5 鎳氫電池的充放電特性 混合動力汽車 第 33 頁 鎳氫電池的放電特性 電池常溫下不同倍率放電曲線 電壓 /V 放電率 /% 5 鎳氫電池的充放電特性 混合動力汽車 第 34 頁 電池低溫 (-18) 放電

18、曲線 曲線 1 常溫 0.5C充電 9.24Ah；曲線 2 低溫 (-18)1C 放電至 0.9V 電壓 /V 5 鎳氫電池的充放電特性 充放電容量 /Ah 混合動力汽車 第 35 頁 2.3.6 鎳氫電池 SOC估計 電池 SOC的估計模型 混合動力汽車 第 36 頁 1電池 SOC估計的神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 采用三層徑向神經(jīng)網(wǎng)絡，輸入層只是傳遞輸入 信號到隱層，隱層采用高斯核函數(shù)，輸出層采用的 是純線性函數(shù)。確定電池端電壓 V、電池溫度 、 電池放電或充電的安培秒為三個輸入變量，輸出變 量為電池的 SOC值。 hN j jj XuwS O C 1 22e x p j j T j j CXCXXu

19、hNj .,3,2,1 2.3.6 鎳氫電池 SOC估計 混合動力汽車 第 37 頁 2.卡爾曼濾波器的信號模型與輸出方程的確定 由 SOC的定義可知 n res Q QSO C t aaAnr e s dtiiIQtiQ 0, 1 na i I aA I i Q Qi t nan Id tI tiQtS O C 011 t nan I d tI tiQtS O C 011 聯(lián)立上述三個方程得 2.3.6 鎳氫電池 SOC估計 混合動力汽車 第 38 頁 令 在等式兩邊對時間 求導得 令 并考慮系統(tǒng)噪聲，即由于模型的不確定性 而產(chǎn)生的模型噪聲，得系統(tǒng)方程為 輸出方程為 式中 ， 為系統(tǒng)噪聲；

20、為測量噪聲。 txtSO C t 11 n nanI iQtx 10 x titu na twI tuQtx nn 11 tvtxty tw tv 2.3.6 鎳氫電池 SOC估計 混合動力汽車 第 39 頁 對以上兩個方程進行采用零階保持采樣離散化得 式中， 假定 與 是均值為零、互不相關(guān)的高斯白噪 聲。 kwkBukAxkx 1 kvkCxky 1A 1 1 n n IQ B 1C kw kv 2.3.6 鎳氫電池 SOC估計 混合動力汽車 第 40 頁 其中 和 可以在實驗中獲得，這樣就可以根據(jù) 控制信號 和測量輸出 估計狀態(tài)變量 ， 即電池的 SOC值。 0kwE 0kwE 0kvE

21、22 wkwE 22 vkvE 0kvkwE kx w v ku ky 2.3.6 鎳氫電池 SOC估計 混合動力汽車 第 41 頁 2.4 鋰離子電池 鋰離子電池是 1990年由日本索尼公司首先推向 市場的新型高能蓄電池，是目前世界最新一代的充 電電池。 鋰離子電池具有電壓高、比能量高、充放電壽 命長、無記憶效應、無污染、快速充電、自放電率 低、工作溫度范圍寬和安全可靠等優(yōu)點。 混合動力汽車 第 42 頁 2.4.1 鋰離子電池的發(fā)展動態(tài) 2006年 1月，江森控制在全球開始研發(fā)和制造用于 混合動力和電動汽車的鋰離子電池。 三洋電機 2008年 5月 28日宣布，向德國大眾集團供 應混合動力

22、汽車用鋰離子充電電池系統(tǒng)。 我國在鋰離子電池方面的研究水平，有多項指標超 過了 USABC提出的長期目標所規(guī)定的指標，目前 已經(jīng)把鋰離子電池作為電動汽車用動力電池的重要 發(fā)展目標。 混合動力汽車 第 43 頁 2.4.2 鋰離子電池的分類與構(gòu)造 1鋰離子電池的分類 按照鋰離子電池外形形狀： （ 1）方形鋰離子電池； （ 2）圓柱形鋰離子電池。 按照鋰離子電池正極的材料不同： （ 1）錳酸鋰離子電池； （ 2）磷酸鐵鋰離子電池； （ 3）鎳鈷鋰離子電池或鎳鈷錳鋰離子電池。 混合動力汽車 第 44 頁 2鋰離子電池的結(jié)構(gòu) 1 絕緣體； 2 墊圈； 3 PTC元件； 4 正極端子； 5 排氣孔； 6

23、 防爆閥； 7 正極； 8 隔板； 9 負極； 10 負極引線； 11 正極； 12 外殼 圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖 2.4.2 鋰離子電池的分類與構(gòu)造 混合動力汽車 第 45 頁 我國自主開發(fā)的電動汽車用鋰離子電池 2.4.2 鋰離子電池的分類與構(gòu)造 混合動力汽車 第 46 頁 2.4.3 鋰離子電池的特點 鋰離子電池有許多顯著特點，它的優(yōu)點主要表現(xiàn)為： （ 1）工作電壓高 （ 2）比能量高 （ 3）循環(huán)壽命長 （ 4）自放電率低 （ 5）無記憶性 （ 6）對環(huán)境無污染 （ 7）能夠制造成任意形狀 混合動力汽車 第 47 頁 2.4.3 鋰離子電池的特點 鋰離子電池也有一些不足，主要表現(xiàn)在

24、： （ 1）成本高：主要是正極材料 LiCoO2的價格高， 但按單位瓦時的價格來計算，已經(jīng)低于鎳氫電池， 與鎳鎘電池持平，但高于鉛酸蓄電池； （ 2）必須有特殊的保護電路，以防止過充。 混合動力汽車 第 48 頁 2.4.4 鋰離子電池的工作原理 電池在充電時，鋰離子從正極材料的晶格中脫出， 通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到負極中； 放電時，鋰離子從負極脫出，通過電解質(zhì)溶液和 隔膜，嵌入到正極材料晶格中。在整個充放電過程中， 鋰離子往返于正負極之間。 混合動力汽車 第 49 頁 2.4.4 鋰離子電池的工作原理 鋰離子電池工作原理圖 正極 負極 電解質(zhì) 充電 放電 鋰離子 鋰離子 混合動力汽車 第

25、 50 頁 2.4.4 鋰離子電池的工作原理 正、負極的電化學反應為 總反應為 xex L iC o OLiL iC o O 2x12 6x CLixex L i6C 6x2x12 CLiC o OLi6CL iC o O 混合動力汽車 第 51 頁 2.4.5 鋰離子電池的充放電特性 充電電流方面，鋰電池的充電率（充電電流）應根 據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議選用。雖然某些電池充電率可 達 2C，但常用的充電率為 0.51C。 放電方面，鋰離子電池的最大放電電流一般被限制 在 23C左右。 鋰電池的充電溫度一般應該被限制在 0 60 范 圍。電池溫度過高會損壞電池并可能引起爆炸；溫 度過低雖不會造成安全

26、方面的問題，但很難將電池 充滿。 混合動力汽車 第 52 頁 2.4.6 鋰離子電池的充電方法 鋰離子電池可以采用不同的充電方法，其中最簡單 的充電方法是恒壓充電。采用恒壓充電時，電池電 壓保持不變，而充電電流將逐漸降低。當充電電流 降到低于 0.1C時，就認為電池被充分充電了。 兼顧充電過程的安全性、快速性和電池使用的高效 性，鋰離子電池通常都采用恒流恒壓充電方法，其 充電過程可分為預充電、恒流充電、恒壓充電三個 階段。 混合動力汽車 第 53 頁 2.4.6 鋰離子電池的充電方法 鋰離子電池充電特性曲線 混合動力汽車 第 54 頁 2.4.6 鋰離子電池的充電方法 1預充電階 在該狀態(tài)下，

27、首先檢測單節(jié)鋰離子電池電壓是否較 低（ 3.0V） )，如果是則采用涓流充電，即一個比 較小的恒定電流對電池進行充電直至電池電壓上升 到一個安全值。否則可省略該階段，這也是最普遍 的情況。 2恒流充電 涓流充電后，充電器轉(zhuǎn)入恒流充電狀態(tài)。該狀態(tài)下， 充電電流保持不變的較大的值，電池的最大充電電 流決定于電池的容量。 混合動力汽車 第 55 頁 2.4.6 鋰離子電池的充電方法 （ 1）電池最高電壓終止法：當單節(jié)鋰電池電壓達 到 4.2V，恒流充電狀態(tài)應立即終止； （ 2）電池最高溫度終止法：在恒流充電過程中， 當電池的溫度達到 60 時，恒流充電狀態(tài)應立即終 止。 混合動力汽車 第 56 頁 2.4.6 鋰離子電池的充電方法 3恒壓充電階段 恒流充電結(jié)束后，則轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)。在該 狀態(tài)下，充電電壓保持恒定。因為鋰離子電池對充 電電壓精度的要求比較高，單節(jié)電池恒壓充電電壓 應在規(guī)定值的 1%之間變化。