电动汽车电池配置方法研究-毕业论文.doc

河河南南农农业业大大学学 本本科科生生毕毕业业论论文文（设设计计） 题 目 电动汽车电池配置方法研究 学 院 机电工程学院 专业班级 交通运输 07 级 2 班 学生姓名 指导教师 撰写日期：2011年 5 月 21 日 1 摘摘 要要 近年来，随着经济发展，我国已迈进汽车社会。汽车保有量迅速增加，导 致我国每年近一半的原油需要进口，过度依赖石油资源将制约我国经济的发展， 甚至影响到国家利益。同时，为了建设资源节约、环境友好的和谐社会，倡导 并鼓励研发、使用环保节能的新能源汽车，代表了世界汽车业发展的方向，也 符合我们的国情。我国电动车研究领先于国际水平，实现了电动汽车自主创新 和技术集成，形成了比较完整的产业布局。同时，在关键性零部件技术，如汽 车燃料电池发动机、驱动电机、动力蓄电池等方面，已经取得了重大进展，形 成了配套产业链,最有可能率先实现电动车大规模产业化应用。一汽、东风、奇 瑞、比亚迪等大型汽车工业集团，已启动电动车项目产业化。但电动汽车市场 推广和使用环境培育进程比较缓慢确是不争的事实。电动汽车的关键技术之一 是动力电池, 动力电池的好坏一方面决定着电动汽车的成本, 另一方面决定着 电动汽车的动力性和续驶里程, 这 2 个方面也是电动汽车与传统的燃油汽车竞 争的关键所在。能否开发出性价比高的动力电池对电动汽车的未来发展具有至 关重要的作用。 关键词关键词：电动汽车；蓄电池；燃料电池；混合动力汽车 2 Electric car batteries collocation method research Abstract In recent years, along with the economic development, China has towards automobile society. Auto possession increase quickly, resulting in nearly half the crude requires each year, excessive dependence on imported oil resources will restrict the development of our national economy, even affect national interests. At the same time, in order to construct the resource-saving and environment-friendly harmonious society, advocate and encourage the development and use of environmental protection and energy saving new energy vehicle, represents the world automobile industry development direction, also accord with our national conditions. Our country electric vehicle research leading international level, realized electric car independent innovation and technology integration, form a relatively complete industrial layout. Meanwhile, in key parts and components technical, such as car fuel cell engine, motor, power batteries etc. Aspect, has made great progress, and formed a complete industry chain, most likely to take the lead to achieve the electric car large-scale industrialization applications. Faw, dongfeng, chery, byd etc. Large auto industry group, has been launched electric car project industrialization. But electric car market promotion and use environmental cultivation process is slowed it is the fact that does not dispute. One of the key technology of electric cars is power battery, power battery determines the stand or fall of electric cars on the cost, on the other hand determines the electric vehicle dynamic performance and renew the travel distance, these two aspects of traditional electric car and is the key to fuel car competition. Can develop high ratio of the power battery electric cars future development has important role. KeyKey WordsWords：Electric car；storage battery ；Fuel cell；Hybrid Electric Vehicle 3 目目 录录 1 引言1 2 电动汽车概况及运用2 2.1 电动汽车2 2.2 电动汽车的分类.2 2.2.1 纯电动汽车2 2.2.2 混合动力电动汽车3 2.2.3 燃料电池电动汽车5 2.3 电动汽车的优势6 2.4 电动汽车的发展背景6 2.5 国内电动汽车现状 7 2.5.1 我国高度重视电动汽车 7 2.5.2 中国发展电动汽车的优势和劣势.8 2.5.3 我国电动汽车产业已具备研发和生产能力9 3.电动汽车电池及应用情况9 3.1 电动汽车电池概念和分类9 3.2 电动汽车对电源系统的要求 10 3.3 蓄电池在电动汽车中的作用 10 3.4 燃料电池的组成 11 3.5 电动汽车电池组系统 .11 3.6 电动汽车电池应用情况.12 4.电动汽车的电池配置指标和性能12 4.1 评价混合动力汽车用动力电池的主要指标13 4.2 目前常用的混合动力汽车电池的性能13 5 燃料电池混合动力汽车能源系统优化配置 14 5.1 元件选型14 5.2 能量管理策略14 4 5.3 燃料电池混合动力汽车能源系统优化配置方法15 6 实例分析16 7 结束语18 参考文献19 致 谢20 1 1 引言引言 在污染日益严重、能源日益缺乏的今天，电动汽车的出现给人们带来了新 的希望，可以形象地把它称为 21 世纪的交通工具、明日之星。 电动汽车是一种高新技术产品，它集光、电、机、化等各学科领域中的最 新技术于一体，是汽车、电力拖到、功率电子、智能控制、化学电源、计算机、 新能源、新材料等工程技术中最新成果的集成物。从外形上看，电动汽车于常 见的汽车并没有什么区别，它们的区别主要在于来自蓄电池。汽车行驶时，蓄 电池电流通过控制器输入到电机中，电机输出扭矩，经离合器、变速器、万向 传动装置、主减速器、差速器、半轴等驱动车轮转动。电动汽车在行驶过程中， 不排出任何污染物，噪声也很小，而且不仅不消耗汽油、柴油等石油产品，还 可应用多种能源，具有结构简单、使用维修保养方便的特点，是一种新型的交 通工具。 我国的电动汽车开发水平也处于世界领先地位，主要有清华大学的电动中 型面包车、四川内江微型电动厂的电动型微型车、上海新宁汽车厂的电动敞篷 车、洛阳拖拉机厂研制的电动轿车、北京理工大学、长沙科技大、河北胜利客 车厂共同研制的电动大客车、华南理工大学研制的电动面包车等。另外，我国 还在广东省汕头市南澳岛成立了国家级电动汽车试验区，在这里有各国的电动 汽车正在运行之中，为世界电动汽车的发展积累素材。 随着全球汽车保有量的不断增加, 一方面燃油的大量消耗引起的能源危机 变得日益严重, 另一方面汽车尾气排放引起的环境污染的程度也越来越严重。 所以世界上很多国家和地区包括美国、日本、中国、欧洲等都在致力于研究新 能源汽车。当前最有成效、发展最快的是电动汽车( 包括纯电动汽车、混合动 力电动汽车和燃料电池电动汽车) , 而电动汽车的关键技术之一是动力电池, 电池的好坏一方面决定着电动汽车的成本, 另一方面决定着电动汽车的续驶里 程, 这2 个方面也是电动汽车与传统的燃油汽车竞争的关键所在。 2 2 电动汽车电动汽车概况及运用概况及运用 2.12.1 电动汽车电动汽车 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、 安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛 看好，但当前技术尚不成熟。电动汽车是指全部或部分用电能驱动电动机作为 动力系统的汽车。驱动电动汽车的电力常见的有各种蓄电池，燃料电池、太阳 能电池等。最常见的分类方法是把电动汽车分为蓄电池电动汽车、燃料电池汽 车和混合动力电动汽车三类。其中，蓄电池电动汽车亦称二次电池电动车、纯 电动汽车等，混合动力电动汽车亦称复合动力电动汽车。由于单纯的燃料电池 动力汽车有很多不足，如无法回收制动能量等，所以目前开发的燃料电池汽车 几乎都带有蓄电池或超级容量电容器的辅助能源装置。严格来说，常见的燃料 电池大多属于混合动力电动汽车。为了突出电动汽车的主要特点，实际上把这 类混合动力电动汽车也常叫做燃料电池车，而把有内燃机和电动机两种动力驱 动组成的混合动力电动汽车简称为混合动力汽车。电动汽车还常以使用的电池 名称命名，如氢燃料电池汽车、蓄电池汽车、太阳能电动汽车、铅蓄电池汽车 和镍氢蓄电池汽车等。 电动汽车的工作原理：蓄电池电流电力调节器电动机动 力传动系统驱动汽车行驶。 2.22.2 电动汽车的分类电动汽车的分类 电动汽车主要分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车三大类 别。 2.2.12.2.1 纯电动汽车纯电动汽车 电动汽车的研究是从单独依靠蓄电池供电的纯电动汽车（如图 2-1）开始 的。纯电动汽车由二次电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池） 3 提供动力，具有无污染、零排放等优点。但是，由于动力电池的性能低、价格 贵、寿命短，使得当前研制的电动汽车一次充电行驶里程短，尚不能满足人们 对其机动性的要求，成为纯电动汽车的致命弱点。加上充电设施投资大、建设 周期长等原因，纯电动汽车的发展没有达到预期的目的。 现在业内人士已逐步达成共识，认为纯电动汽车目前还无法大规模替代燃 油汽车，开始逐步放弃纯电动轿车、商用车的产业化，代之以小规模，微型化 和一些特定领域内使用的纯电动车辆的开发与应用。如高尔夫球车、游览车、 工厂运输车等场地的特殊交通用车或运输工具，残疾人用电动车，小区域范围 内行驶的一两人、十人左右的社区电动车等。 优点:技术相对简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。 缺点: 目前蓄电池单位重量储存的能量太少，还因电动车的电池较贵， 又没形成经济规模，故购买价格较贵，至于使用成本，有些使用价格比汽车 贵，有些价格仅为汽车的 13，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电 价格。 图 2-1 2.2.22.2.2 混合动力电动汽车混合动力电动汽车 混合动力电动汽车 （如图 2-2） （亦称混合动力电动汽车） 是指车上装 有两个以上动力源，包括有电机驱动，符合汽车道路交通、安全法规的汽车， 4 车载动力源有多种：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组， 当前混合动力电动汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的电动汽车。 按照燃料种类的不同，主要又可以分为汽油混合动力和柴油混合动力两种。 目前国内市场上，混合动力车辆的主流都是汽油混合动力，而国际市场上柴 油混合动力车型发展也很快。采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内 燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率 内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充 电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽 车一样。 与纯电动汽车比较，混合动力电动汽车具有以下优点： （1）整车重量小（由于电池的容量减小） 。 （2）汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机的水平。 （3）保证驾车和乘坐的舒适性（空调、暖风、动力转向的使用） 与内燃机汽车比较，混合动力电动汽车具有以下优点： （1）可使原动机在最佳的工况区域稳定运行，从而降低排污和油耗。 （2）在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方式驱动车辆，实现 “零排放” 。 （3）通过电动机回收汽车减速和制动时的能量，进一步降低汽车的能量消 耗和排放污染 图 2-2 5 2.2.32.2.3 燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车 燃料电池电动汽车（如图 2-3）以氢气作为动力源，通过燃料电池机组或 燃料电池发动机这一能量转换装置，把氢气和氧气以电化方式由化学能量转化 为电能从而驱动车辆。由于这种电动汽车唯一产生的是水，很多专家认为氢能 源汽车必然成为未来汽车工业的最终发展方向和世界汽车工业争夺的热点。燃 料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机 驱动的汽车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧， 直接变成电能获得。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料 电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高23 倍， 因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。 单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车 辆使用的要求。 近几年来，燃料电池技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制造厂， 如戴姆勒克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司已经宣布，计划在2004 年以前将燃料电池汽车投向市场。目前，燃料电池轿车的样车正在进行试验， 以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。在 开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化，提高 商业化电动汽车燃料处理器和辅助部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部 件成本的方向努力，并已取得了显著的进步。 与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点： （1）、零排放或近似零排放。 （2）、减少了机油泄露带来的水污染。 （3）、降低了温室气体的排放。 （4）、提高了燃油经济性。 （5）、提高了发动机燃烧效率。 （6）、运行平稳、无噪声。 6 图 2-3 2.32.3 电动汽车的优势电动汽车的优势 电动汽车包括蓄电池池、燃料电池车和混合电动汽车三类。由传统的汽车 动力和电力组成的混合动力电动汽车由于装备了内燃机等传统的汽车动力，因 此，此类混合动力车仅在以电力运行时具备蓄电池汽车和燃料电池汽车的一些 优势。故在以下论述一些优势中，对混合动力电动汽车仅指以电力运行时而言。 （1） 良好的环境保护作用 （2） 噪音低 （3） 热效率高 （4） 排放的废热少，可回收利用的能量多 （5） 可以改善能源结构、解决汽车的替代能源问题。 2.42.4 电动汽车的发展背景电动汽车的发展背景 电池是电动汽车发展的首要关键，汽车动力电池难在 “低成本要求 ”、 “高容量要求”及“高安全要求”等三个要求上。要想在较大范围内应用电 动汽车，要依靠先进的蓄电池经过10 多年的筛选，现在普遍看好的 氢镍电 池，铁电池，锂离子和锂聚合物电池 。氢镍电池单位重量储存能量比 铅酸 电池多一倍，其它性能也都优于铅酸电池。但目前价格为铅酸电池的4-5 倍，正在大力攻关让它降下来。铁电池采用的是资源丰富、价格低廉的铁元 7 素材料，成本得到大幅度降低，也有厂家采用。锂是最轻、化学特性十分活 泼的金属，锂离子电池单位重量储能为铅酸电池的 3 倍，锂聚合物电池为 4 倍，而且锂资源较丰富，价格也不很贵，是很有希望的电池。我国在镍氢 电池和锂离子电池的产业化开发方面均取得了快速的发展。电动汽车其他有 关的技术，近年都有巨大的进步，如：交流感应电机及其控制，稀土永磁 无刷电机及其控制，电池和整车能量管理系统，智能及快速充电技术，低阻 力轮胎，轻量和低风阻车身，制动能量回收等等，这些技术的进步使电动汽 车日见完善和走向实用化。我国大城市的大气污染已不能忽视，汽车排放是 主要污染源之一，我国已有 16 个城市被列入全球大气污染最严重的20 个 城市之中。我国现今人均汽车是每1000 人平均 10 辆汽车，但石油资源不 足，每年已进口几千万吨石油，随着经济的发展，假如中国人均汽车持有量 达到现在全球水平 -每 1000 人有 110 辆汽车，我国汽车持有量将成 10 倍地增加，石油进口就成为大问题。因此在我国研究发展电动汽车不是一个 临时的短期措施，而是意义重大的、长远的战略考虑。 2 2. .5 5 国国内内电电动动汽汽车车现现状状 2 2. .5 5. .1 1 我我国国高高度度重重视视电电动动汽汽车车 改革开放以来，我国国民经济持续快速发展，取得了举世瞩目的成就。然 而，伴随着经济的发展，城市大气污染问题也越来越严重。大气污染已危及到 人们的身心健康，成为我国特别是城市经济发展和社会进步的障碍，同时还影 响到我国的国际形象。 我国政府对环境问题十分重视，保护环境是贯彻实施我国可持续发展战略 的一项重要任务。在全国九届人大二次会议上，朱榕基总理在政府工作报告 中强调“进一步实施可持续发展战略，要以对人民、对子孙后代负责的精神保 护资源和生态环境” ，并指出， “首都北京今年把治理大气污染作为政府的一项 突出任务，国务院各有关部门要给予有力支持。 同时，我国是一个石油相对短缺的国家。从 1994 年起，我国就已经成为纯 石油进口国，而天然气的储量相对比较丰富。众所周知，天然气、液化石油气 8 具有良好的物理化学特性，作为汽车代用燃料；能够有效降低汽车尾气中的有 害成分。因此，研制、生产以压缩天然气、液化石油气汽车为代表的低排放燃 气汽车，对减少环境污染、合理利用能源、促进我国汽车工业的持续健康发展， 具有十分重要的意义。 从长远看，环境和技术两个因素将主导汽车工业的未来，任何一个汽车生 产企业，如果仅仅依赖于传统燃料汽车，将难以在 21 世纪环保要求更加苛刻、 竞争更加激烈的市场中占有一席之地，从市场经济发展的需要和人们改善生活 质量的要求出发，汽车进入中国人的家庭只是时间问题。但是，未来中国若是 大规模地发展汽油或柴油动力汽车，势必在资源和环境方面遇到更严重的压力， 中国必须寻求未来汽车工业发展的新路，电动汽车无疑是一个重要的发展方向。 当前的进展表明，电动汽车的生产不仅仅是发动机的重大变化，而且在汽车设 计，加工，材料，以及电气、控制系统等方面都面临着诸多改变，这意味着以 汽车工业为基础的西方发达国家整个工业体系面临着重大的调整，代价极为巨 大。这种局面实际上为我国提供了一个空前的机遇。因此，进一步加强零排放 电动汽车的研究开发工作，争取早日实现商品化、产业化，具有长远的战略意 义。 2.5.22.5.2 中国发展电动汽车的优势和劣势中国发展电动汽车的优势和劣势 在优势方面，一是中国有多元化市场需求，对一些新能源、新产品、新概 念的容纳性好；二是我们取得了技术上的进展，电池工业全球最大，我们做的 电池尽管能量比还不够，但是研发产品拿出来是相当的层次，我们在产业化方 面没有问题；三是我们的资源优势，中国是世界第三大资源国，电动机汽车所 需要的资源有一定的优势。 在劣势方面，中国汽车目前整车在电动车发展当中有一定的劣势，我们看 其他国家电动车的发展、新能源汽车的发展，大的整车企业形成支柱产业，中 国的汽车企业无论是合资的也好还是民营的也好都是不一样的，主要的技术， 电池等技术都在汽车方面，我们的整车合资企业技术是依赖外国的，所以就出 现干电池的利用电池的技术干整车，这是一大劣势。 第二大劣势就是我们的技术研发基础不牢固，比如我们搞的电池研发产品 9 优化，但是就拿电池来讲，能量力度提高的空间仍然很大，如果再提高的话拼 的是基础研发，在大学的研究机构和实验也在做，但是依然不足。 第三就是我们的基础设施大量的减少。电动汽车当然还有其他的产业有一 定的问题，对于中国来讲需要寻找适合自身特点的产业，对于汽车业来讲是有 很大的战略机会，但是这个转型期是比较长的。 2.5.32.5.3 我国电动汽车产业已具备研发和生产能力我国电动汽车产业已具备研发和生产能力 自从 2000 年开始，国家就在相关的科技计划当中持续地支持电动汽车的技 术研发和产业化。经过近十年的努力，在整车开发方面，混合动力汽车的技术 不断提高，已经实现了小批量的生产；锂离子电池的纯电动汽车相继推出，形 成了系列产品，并小规模的投放市场；燃料电池汽车技术研发深入，开展了小 范围的示范考核。目前，已经有近百款各类电动汽车的产品进入了中国汽车产 品的公告（获准上市） 。中国自主研发的各类电动汽车已在北京奥运会、2009 夏季达沃斯论坛等国际大型活动中得到了很好的应用。明年在上海举行的世博 会还将有上千辆电动汽车投入使用为中外宾客服务。他说，今后中国政府将加 强新能源汽车标准法规与产品管理体系的建设，为新能源汽车的产业化和大规 模的推广奠定基础。 3.3.电动汽车电池电动汽车电池及应用情况及应用情况 3.13.1 电动汽车电池概念和分类电动汽车电池概念和分类 电动汽车可以分为两大类蓄电池和燃料电池。蓄电池适用于纯电动汽车， 可以归类为铅酸蓄电池、镍基电池（镍一氢及镍一金属氢化物电池、镍一福 及镍一锌电池） 、钠电池（钠一硫电池和钠一氯化镍电池）、二次锂电池、 空气电池等类型。而燃料电池专用于 燃料电池电动汽车 ，可以分为 碱性燃 料电池(AFC)、磷酸燃料电池 (PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC )、固体 氧化物燃料电池 (SOFC)、质子交换膜燃料电池 (PEMFC )、直接甲醇燃料电 池(DMFC )等类型。 10 3 3. .2 2 电电动动汽汽车车对对电电源源系系统统的的要要求求 电动汽车作为一种无废气排放的绿色汽车而引人注目。作为无污染，能 源可多样化配置新型交通工具，近年来引起了人们的普片关注并得到了极大 的发展。电动汽车以电力驱动，行驶无排放（或低排放） ，噪音低，能量转 化率比内燃机汽车高很多，同时电动汽车还具有结构简单，运行费用低等优 点，安全性也优于内燃机汽车。但是，要想进一步普及，目前尚不可能。电 动汽车目前还存在价格较高，续驶里程较短，动力性能较差等问题，而这些 问题都是和电源系统技术密切相关的。目前制约电动汽车发展的关键因素是 动力蓄电池不理想，对于开发电动汽车的竞争，最重要的在于开发载动力电 池的竞争。对电源系统的要求如下： （1）高的比能量和能量密度 （2）高的比功率和功率密度 （3）快速充电和深度放电的能力 （4）使用寿命长 （5）自放电功率小，充电效率高 （6）安全性能良好，且成本低廉 （7）免维修 （8）对环境无危害，可回收性好 3 3. .3 3 蓄蓄电电池池在在电电动动汽汽车车中中的的作作用用 随着电动汽车的种类不同而略有差异。在仅装备蓄电池的纯电动汽车中， 蓄电池的作用是汽车驱动系统的惟一动力源。而在装备传统发动机(或燃料 电池)与蓄电池的混合动力汽车 中，蓄电池既可扮演汽车驱动系统主要动力 源的角色，也可充当辅助动力源的角色。可见在低速和启动时，蓄电池扮演 的是汽车驱动系统主要动力源的角色 ;在全负荷加速时，充当的是辅助动力 源的角色;在正常行驶或减速、制动时充当的是储存能量的角色。 11 3 3. .4 4 燃燃料料电电池池的的组组成成 燃料电池由阳极、阴极、电解质和隔膜构成。燃料在阳极氧化，氧化剂 在阴极还原。如果在阳极 (即外电路的负极，也可称燃料极 )上连续供给气 态燃料(氢气)，而在阴极(即外电路的正极，也可称空气极 )上连续供给氧 气(或空气)，就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流。由此可见， 燃料电池与常规电池不同，它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存 在电池外部的储罐中。当它工作 (输出电流并做功 )时，需要不间断地向电 池内输人燃料和氧化剂并同时排出反应产物。因此，从工作方式上看，它类 似于常规的汽油或柴油发电机。由于燃料电池工作时要连续不断地向电池内 送入燃料和氧化剂，所以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体(气体或液 体)。最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体 (如重整气)和某些液体 (如 甲醇水溶液)，常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体(如过氧 化氢和硝酸的水溶液等 )。 燃料电池阳极的作用是为燃料和电解液提供公共界面，并对燃料的氧化 产生催化作用，同时把反应中产生的电子传输到外电路或者先传输到集流板 后再向外电路传输。阴极 (氧电极)的作用是为氧和电解液提供公共界面，对 氧的还原产生催化作用，从外电路向氧电极的反应部位传输电子。由于电极 上发生的反应大多为多相界面反应，为提高反应速率，电极一般采用多孔材 料并涂有电催化剂。 3 3. .5 5 电电动动汽汽车车电电池池组组系系统统 电动汽车电池组由多个电池串联叠置组成。一个典型的电池组大约有 96 个电池，充电到 4.2V 的锂离子电池而言，这样的电池组可产生超过 400V 的总电压。尽管汽车 电源系统将电池组看作单个高压电池，每次都对 整个电池组进行充电和放电，但电池控制系统必须独立考虑每个电池的情况。 如果电池组中的一个电池容量稍微低于其他电池，那么经过多个充电/放电 周期后，其充电状态将逐渐偏离其它电池。如果这个电池的充电状态没有周 期性地与其它电池平衡，那么它最终将进入深度放电状态，从而导致损坏， 并最终形成电池组故障。为防止这种情况发生，每个电池的电压都必须监视， 以确定充电状态。此外，必须有一个装置让电池单独充电或放电，以平衡这 些电池的充电状态。 电池组监视系统的一个重要考虑因素是通信接口。就PC 板内的通信而 言，常用的选项包括串行外设接口 (SPI)总线、I2C 总线，每种总线的通信 12 开销都很低，适用于低干扰环境。另一个选项是 控制器局域网 (CAN)总线， 这种总线在汽车应用中被广泛使用。 CAN 总线非常鲁棒，具有误差检测和故 障容限特性，但是它的通信开销很大，材料成本也很高。尽管从电池系统到 汽车主 CAN 总线的连接是值得要的，但在电池组内采用SPI 或 I2C 通信是 有优势的。 3.63.6 电动汽车电池应用情况电动汽车电池应用情况 当前电动汽车正处于发展高潮，对于电动汽车技术的全面发展，重中之重 就在于能量存储技术的提高。动力电池将向着高比能量、高可靠性、低成本、 安全环保方向发展。近阶段，铅酸电池虽然年代久远，但其技术成熟、成本低， 在今后的一定时期内依然具有竞争能力，仍将拥有一定市场；燃料电池代表着 未来动力电池的发展方向，但其成本太高，短时间内无法得到大规模商业化； MH-Ni 蓄电池依然具有优势；锌空气电池有待开发；锂离子电池具有很多优点， 是我们今后要大力发展的动力电池。随着能量存储技术的发展和突破，具有高 能量密度、高功率密度、较好的充放电性能、较长的循环寿命、低成本、高安 全性等优秀性能的汽车用动力电池定会实现商品化，电动汽车必将成为 21 世 纪的主流交通工具。 4.4.电动汽车的电池配置电动汽车的电池配置指标和性能指标和性能 汽车工业的发展推动了全球交通、经济等许多方面的巨大进步，但汽车数 量的大量增加也加剧了能源危机和大气环境污染。电动汽车由于具有明显的节 能和环保优势而成为各国汽车工业研究开发的热点，在当前技术条件下最有发 展优势的当属混合动力汽车(HEV)。欧美和日本等发达国家已有不少混合动力车 型推向市场，我国在这方面的研究也取得了一定的成果。 动力电池作为混合动力汽车(HEV)的重要元件，动力电池的匹配对整车动 力性和经济性都有较大影响。动力电池的容量、比功率等参数选择越大，汽车 储能能力就越强，纯电动行驶里程越大。但是参数选择越大，势必使得电池质 量增大，而又影响了整车性能且大大增加了成本，因此动力电池匹配优化研究 13 很有必要。当前已有的HEV动力电池有多种类型，不同电池之间参数的变化范 围很大。现在混合动力汽车设计中，动力电池匹配主要依靠已知的电机额定参 数或是通过全局优化的数学方法计算以及专门的电动汽车软件仿真得到。 4.14.1 评价混合动力汽车用动力电池的主要指标评价混合动力汽车用动力电池的主要指标 (1)质量比功率(WKg)：电池的质量比功率代表每千克质量的电池能提供的功 率。它的大小决定电池所能输出的最大功率，标志着汽车的加速性能和最高车 速，对电动汽车的动力性能等有直接影响。在混合动力汽车中，电池的比功率 是最关键的因素，动力电池的电耗尽后可以在内燃机工况下重新进行充电。 (2)质量比能量：代表每公斤质量的电池能提供多大能量，能够表纯电动模式下 的续驶能力。 (3)循环寿命：动力电池的工作是一个不断充电一放电一充电一放电的循环过程 每充电和放电一次，动力电池中的化学物质就要发生一次可逆性的化学反应。 随着充电和放电次数的增加，动力电池中的化学活性物质会发生老化，逐渐削 弱其化学功能，降低动力电池的充电和放电的效率，最后部分或完全丧失其充 电和放电功能。动力电池的工作循环次数是衡量动力电池寿命的重要指标，它 标志着使用的经济性和方便性。 (4)价格成本：电池的成本与电池的薪技术含量、材料、制作方法和生产规模有 关，代表使用的经济性。目前新开发的高比功率的动力电池成本较高。 4.24.2 目前常用的混合动力汽车电池的性能目前常用的混合动力汽车电池的性能 （1)放电电流：不同的放电电流下，蓄电池的起始端电压和截止端电压都是不 同的。其中放电电流越大，则起始端电压和截止端电压越小、放电容量也越小， 反之则都变大。 （2)放电截止电压：放电截止电压指当电池放电，电池的电压降到某点时，如 果继续放电电池电压会急剧下降，若持续放电会对电池造成损害。 (3)温度：温度对蓄电池的剩余容量的影响也比较突出。电池放电应在一10至 45的环境温度下，放电电流的大小将影响电池的放电效率，电池在01C至 14 20C范围内电池的放电效率会比较理想。在温度低于IOC和高于45“C时，电 池的放电容量将会下降，容量的下降会导致电池性能降低。 (4)老化：蓄电池在使用一段时间后，它的额定容量会有一定的变化，一开始会 有所增加，大约增幅在5-20，接下来的一段时间，电池的容量维持不变。 然后其容量会逐步减少，当电池的容量达到额定容量的80时，可以认为电池 的寿命结束。 (5)电池的不均衡性：电池单元之间的质量不同，所造成的容量的差异，在一组 电池单元中，所能放出的容量，将由实际容量最小的电池单元决定。 5 5 燃燃料料电电池池混混合合动动力力汽汽车车能能源源系系统统优优化化配配置置 燃料电池混合动力车能源系统的配置由整车动力性能和燃油经济性能要求 等因素决定。不同配置的能源系统需要合理的控制策略参数值，才能客观地评 价能源系统所能达到的性能水平。影响电一电混合的燃料电池混合动力车能源 系统配置的主要因素有：车辆的动力性能、续驶里程和成本要求以及车辆的行 驶工况等。车辆的行驶循环工况是设计燃料电池发动机、蓄电池、电机驱动系 统等部件功率容量的主要参考依据。综合以上影响因素的分析得出进行能源 系统配置时，改变能源系统配置需要同时调整其控制参数才能客观地评价能源 系统所能达到的性能水平。 5.15.1 元件选型元件选型 混合动力能源系统元件选型是指选择两种能量储存装置的类型、功率尺寸 和各特性参数。两种能源功率尺寸比例决定了能源系统的配置型式，根据燃料 电池提供功率占总系统功率的比例可将系统分为能量混合型和功率混合型两大 类。两种能量源的不同功率输出特性直接影响到混合动力系统的输出性能，需 对混合能源系统配置进行优化处理。 5.25.2 能量管理策略能量管理策略 能量管理策略包括驱动能量分配和制动能量回收管理两部分，前者是指车 15 辆在行驶过程中如何根据功率需求分配两种能量源的输出功率。对于电一电混 合的燃料电池混合动力系统，其驱动能量分配策略主要是根据车辆需求功率， 确定燃料电池的输出功率，并由DCDC变换器实施输出功率控制，蓄电池的输 出是间接被动控制；制动能量回收管理主要是根据蓄电池的SOC状态确定电机的 再生制动功率的大小。能源系统的控制参数如下： （1） 燃料电池控制 燃料电池的控制包括其开关控制和功率输出大小控制两部分。开关控制主 要是根据当前蓄电池的SOC和车辆的功率需求确定燃料电池的开关状态；燃料电 池输出功率的大小是根据车辆需求功率和蓄电池的SOC以及当前燃料电池状态通 过一定分配算法确定，控制参数一般包括对边界和动态特性的约束，边界限值 将燃料电池的功率输出限定在一定范围内，而动态特性限值给出了燃料电池当 前状态下的最大允许动态响应速度，燃料电池的动态特性直接影响到混合动力 系统对蓄电池瞬时输出功率和容量的要求。 (2) 蓄电池控制 能量管理系统对蓄电池的控制主要是：一方面限制其SOC值在一定范围内， 保证蓄电池的充放电效率在较高的范围内，同时有利于延长蓄电池的使用寿命； 另一方面根据soc值的大小给出其修正充电功率，保证蓄电池SOC处于适当的状 态，既能输出足够的瞬时功率，又能保证再生制动时能量的顺利吸收。 5.35.3 燃料电池混合动力汽车能源系统优化配置方法燃料电池混合动力汽车能源系统优化配置方法 Advisor是美国国家再生能源实验室(NREL)为传统车辆和先进车辆进行能量 消耗和排放分析而开发的计算机仿真工具，它基于MatlabSimulink图形仿真 环境，对车辆的能量流和燃料消耗进行后向仿真。它使用Simulink图形模块对 各个部件建模，用Matlab数据文件设置车辆结构参数、控制系统参数和元件性 能数据等。 Advisor燃料电池混合动力车控制系统相关参数的调整通过元件功率比例系 数进行调节，从而保证各个能源元件功率输出始终限定在一定的功率比例范围 内，保证元件始终工作在较高的效率区，缺点是只考虑了元件的效率，没有考 虑整个系统的效率，所以本文选择能源系统的几个关键控制参数作为优化变量 16 参与优化计算，能够比较合理地评价能源系统配置能够达到的性能指标。对控 制参数和元件尺寸参数进行优化配置是基于Advisor的整车仿真模型，利用 Advisor仿真模型同各种优化软件的接口，编写相应的优化程序和优化控制算法。 利用Matlab优化工具箱提供的FEMINCON函数编写相应优化程序进行优化计算。 优化程序包括三部分：目标函数、约束函数和主函数。目标函数的作用主要是 在主函数引入优化变量取值并调用整车仿真模型，对选定驱动循环进行仿真， 最后返回优化目标值和约束值到工作空间；约束函数的主要作用是对加速、爬 坡工况进行仿真分析并返回约束值到工作空间；主函数主要是设置优化变量、 约束变量限值和优化选项并调用优化函数，最后保存优化结果，优化算式为 X，y=fmincon（f1（x）；X0,A,B,Aeq，Beq，L,U,f2（x），Lc，Uc） （1） 式中 f1（x）优化目标函数，在优化变量空间内对指定的测试循环进行 仿真，返回燃油消耗反数值； L,U 优化变量的上下限值； X0 优化初始值 f2（x）边界函数 6 6 实例分析实例分析 燃料电池和蓄电池混合动力车整车参数和动力性能设计指标如表1所示。 根据整车参数及性能设计要求编写整车参数文件，整车质量会根据燃料电池和 蓄电池的不同选型而更新。 表1 燃料电池混合动力车参数 整车参数数值性能参数数值 满载质量/kg 5000 最高车速km/h 90 外形尺寸/mm 5900*2000*2750 加速性能 0-60km/h加速时间小于30s 车轮半径r/m 0.37 最大爬坡度20 迎风面积A/m2 4.6 续驶里程/km 300 17 优化仿真模型包括基准元件模型和控制系统模型。 (1)基准元件选型基准元件选型如表2所示。 表2 基准元件选型参数 参数名称燃料电池发动机蓄电池电机 元件类型 PEMFCNiMHAC 额定功率/容量 50kW28Ah75kW 仿真模型功率-效率MAP图内阻模型效率MAP图 其他参数最高效率60串联模块电压 4.8-7.8V 最高转速 10000r/min 几项说明如下：燃料电池发动机的动态响应速度直接影响到能源系统蓄电池 的配置，为了更合理地表述燃料电池输出功率动态特性，将燃料电池发动机输 出功率范围划分为五挡工况，分别对应空气压缩机五挡调速范围，并分别就工 况变化中和变化完两个状态对动态特性限值及工况转换时间进行了设定。蓄 电池采用串联方式，并联方式以增大蓄电池容量来取代，根据蓄电池放电内阻 特性曲线取 SOC限值范围为0.4 0.8。电机输入电压范围为120480 V，考虑到提高动 力总线电压等级可以提高驱动系统效率和减小驱动系统的体积和质量。一般限 定动力总线电压为380 V以上，所以蓄电池组的端电压范围限定为240480 V。由于电机具有良好的调速特性，所以车辆采用固定变速比的一级减速器， 同主减速器一起满足最高车速要求。 (2)优化系统配置 仿真优化过程能量管理策略采用基线控制。表3列出了种能源配置系统 HEVl、 HEV2、HEV3分别都能满足车辆动力性能要求，但三者都没有针对测试规程进行 控制参数优化和燃油经济性综合优化，为了比较综合优化结果，仿真过程中采 用了SOC校正，可以看出综合优化控制取得了良好的优化结果。 用Advisor进行系统配置分析的优点是借助系统提供的大量试验数据和整车 仿真模型，可以方便地根据自己的需要对某些模块或数据进行相应的修改，操 18 作简单、易于实现，其局限性是由于系统仿真基本上都是采用试验数据构建的 稳态模型，没有考虑行驶车辆功率动态特性对类似燃料电池这种效率受动态特 性影响很大的元件的影响。 表3 优化系统配置 编号功率/kW蓄电池容 量/Ah 蓄电池模 块数 电机功率 /kW 爬坡度 / 加速时间 /s HEV12936537620.028.75 HEV23530508021.3910.57 HEV34824507420.1914.60 综合优化值 5038517622.309.70 在Advisor车辆仿真平台上，对燃料电池混合动力车能源系统配置要素进行 了阐述，提出在满足系统动力性能要求的前提下，以选定工况下车辆燃油经济 性最优为目标，对电一电混合的燃料电池混合能源系统进行系统选型配置需要 将控制参数同时作为优化变量的综合优化配置方法，最后对采用基线控制的某 燃料电池混合动力客车进行了优化配置分析，取得了良好的优化结果，验证了 优化方法的可行性和合理性。 7 7 结束语结束语 电动汽车是中国汽车产业进军全球车市竞争行列的一个转折点，谁把握住 了电动汽车的发展机会，谁在未来电动汽车市场将占据主导地位。 随着全球变暖，节能减排，几乎成了每个国家的国策，但是随着油价的上 涨和生活品质的提高，汽车作为代步工具是不可缺少的，那么，未来汽车市场 将属于电动汽车的天地。 总的来说，我国电动汽车发展具备了产业发展的基础和有利条件。在大好 形势下，我们一定要把握机遇、再接再厉，开创电动汽车产业发展的新局面， 在国际汽车产业转型过程中形成竞争优势，实现我国汽车产业由大变强和自主 发展。 由于个人知识、认识、水平的有限，本文只是对电动汽车的发展现状，蓄 19 电池的配置方法等方面提出一些浅显的理论，见解有什么不足不到不对之处， 还望各位老师、同学给予指正和批评。 20 参考文献参考文献 1胡春明，夏淑敏.世界汽车技术发展跟踪研究M.北京理工大学出版社.2006 2范从山.电动汽车技术原理及发展展望J.扬州职业大学学报.2007 3高义民.现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车M.机械工业出版社.2008 4陈世全.燃料电池电动汽车M.清华大学出版社.2005 5陈清泉，孙逢春,祝嘉光现代电动汽车技术M北京理工大学出版社.2001 6陈勇，孙逢春电动汽车续驶里程及影响因素的研究J北京理工大学学报.2001 7丁跃浇, 张万奎, 陈波. 电动汽车铅酸电池的进展J . 湖南理工学院学报.2007 8秦孔建，高大威，卢青春燃料电池汽车混合动力系统构型研究J汽车技术.2005 9电气协会.电动汽车最新技术M.机械工业出版.2009 10 刘凤君 燃料电池与21世纪供电系统的革命J 电源世界, 2005, 11 张志明 燃料电池的演化及发展探析J 新产品新技术, 2005 12 贾林, 邵震宇. 燃料电池的应用与发展J. 煤气与热力, 2005 13Wong Y S,Chau K T,Chart C COptimization of energy management system in energy hybridizationsCEVS 18，2001 14Keith Wipke，Tony Markel，Doug NelsonOptimizing energy management strategy and degree of hybridization for ahydrogen fud cell SUVCEVS 18，2001 15 Gregor H oogers. Fuel Cell Technology H andbookM . CRC PRESS, 2002. 21 致致 谢谢 在本次论文设计过程中，姚新胜老师对该论文从选题，构思到最后定稿的 各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。在学习中,老 师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度 以及诲人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，老师们的高深精湛的造诣与严 谨求实的治学精神，将永远激励着我。这四年中还得到众多老师的关心支持和 帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！ 最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩 的各位老师表示感谢！ 22 论文（设计）选题的来源、目的与意义： 选题的来源：自选 目的与意义：当前电动汽车正处于发展高峰，对于电动汽车技术的全 面发展，重中之重就在于能量存储技术的提高。动力电池将向着高比能量、 高可靠性、低成本、安全环保方向发展。随着能量存储技术的发展和突破， 具有高能量密度、高功率密度、较好的充放电性能、较长的循环寿命、低 成本、高安全性等优秀性能的汽车用动力电池定会实现商品化，电动汽车 必将成为 21 世纪的主流交通工具。 论文（设计）的主要内容： 1. 电动汽车概况及运用 2. 电动汽车电池概述 3. 电动汽车的电池配置 4. 燃料电池混合动力汽车能源系统优化配置 5. 实例分析 进度计划（进度时间、主要工作内容）： 2010 年 3 月 1 日前，论文选题 2010 年 3 月 15 日前，论文任务书 2010 年 4 月 10 日前，资料查阅 2010 年 4 月 30 日前，形成论文初稿 2010 年 5 月 5 日前，论文修改，完成终稿 2010 年 5 月 16 日前，提交论文装订稿件 主要参考文献： 1 胡春明，夏淑敏.世界汽车技术发展跟踪研究M.北京理工大学出版社.2006 2 范从山.电动汽车技术原理及发展展望J.扬州职业大学学报.2007 3 高义民.现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车M.机械工业出版社. 2008 4 陈世全.燃料电池电动汽车M.清华大学出版社.2005 5 陈清泉，孙逢春,祝嘉光现代电动汽车技术M北京理工大学出版社.2001 6 陈勇，孙逢春电动汽车续驶里程及影响因素的研究J北京理工大学学报. 2001 7丁跃浇, 张万奎, 陈波. 电动汽车铅酸电池的进展 J . 湖南理工学院学报.2007 论文（设计）工作起讫日期： 2010 年 3 月 1 日至 2010 年 5 月 15 日 23 指导教师（签名） 院长/主任（签名）