混合动力汽车的电能储存装置

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。 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 USABC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： 蓄电池的内阻。 蓄电池的放电电流， 蓄电池放电时的端电压 蓄电池的开路端电压，其中： ， i b b o ibbo R I U U RIUU 混合动力汽车 第 9 页 蓄电池的内阻。 电流：输出最大功率时的放电 最大输出功率： 蓄电池效率： 输出功率： 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 3.二次电池的输出电流、功率和效率的关系 混合动力汽车 第 10 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，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 OHPbSOSOHPbO 2442 2 44 SOPbe2P b S O 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 e2SOH4P b OOH2P b S O 24224 42224 SOH2P b OPbOH2P b S O2 4PbSO 42SOH OH2PbSO2SOH2PbOPb 24422 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 /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 V 0.1V 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 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 12 60Ah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 1200 1400W/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 40Wh/kg。 法国 Saft公司的 4/5SF型（ 41mm 93mm）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 100Ah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 1 5C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。 hN j jj XuwS O C 1 22e x p j j T j j CXCXXu hNj .,3,2,1 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 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 联立上述三个方程得 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。 txtSO C t 11 n nanI iQtx 10 x titu na twI tuQtx nn 11 tvtxty tw tv 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。 kwkBukAxkx 1 kvkCxky 1A 1 1 n n IQ B 1C kw kv 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。 0kwE 0kwE 0kvE 22 wkwE 22 vkvE 0kvkwE kx w v ku ky 2.3.6 镍氢电池 SOC估计 混合动力汽车 第 41 页 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； 3 PTC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 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 正极 负极 电解质 充电 放电 锂离子 锂离子 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 xex L iC o OLiL iC o O 2x12 6x CLixex L i6C 6x2x12 CLiC o OLi6CL iC o O 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 0 60 范 围。电池温度过高会损坏电池并可能引起爆炸；温 度过低虽不会造成安全方面的问题，但很难将电池 充满。 混合动力汽车 第 52 页 2.4.6 锂离子电池的充电方法 锂离子电池可以采用不同的充电方法，其中最简单 的充电方法是恒压充电。采用恒压充电时，电池电 压保持不变，而充电电流将逐渐降低。当充电电流 降到低于 0.1C时，就认为电池被充分充电了。 兼顾充电过程的安全性、快速性和电池使用的高效 性，锂离子电池通常都采用恒流恒压充电方法，其 充电过程可分为预充电、恒流充电、恒压充电三个 阶段。 混合动力汽车 第 53 页 2.4.6 锂离子电池的充电方法 锂离子电池充电特性曲线 混合动力汽车 第 54 页 2.4.6 锂离子电池的充电方法 1预充电阶 在该状态下，首先检测单节锂离子电池电压是否较 低（ 3.0V） )，如果是则采用涓流充电，即一个比 较小的恒定电流对电池进行充电直至电池电压上升 到一个安全值。否则可省略该阶段，这也是最普遍 的情况。 2恒流充电 涓流充电后，充电器转入恒流充电状态。该状态下， 充电电流保持不变的较大的值，电池的最大充电电 流决定于电池的容量。 混合动力汽车 第 55 页 2.4.6 锂离子电池的充电方法 （ 1）电池最高电压终止法：当单节锂电池电压达 到 4.2V，恒流充电状态应立即终止； （ 2）电池最高温度终止法：在恒流充电过程中， 当电池的温度达到 60 时，恒流充电状态应立即终 止。 混合动力汽车 第 56 页 2.4.6 锂离子电池的充电方法 3恒压充电阶段 恒流充电结束后，则转入恒压充电状态。在该 状态下，充电电压保持恒定。因为锂离子电池对充 电电压精度的要求比较高，单节电池恒压充电电压 应在规定值的 1%之间变化。