第2章-混合動(dòng)力汽車(chē)的電能儲(chǔ)存裝置.ppt

混合動(dòng)力汽車(chē)第1頁(yè) 2 1概述 電能儲(chǔ)能裝置的種類 儲(chǔ)存能量 向外傳送能量和從外部吸收能量的裝置稱為儲(chǔ)能裝置 混合動(dòng)力汽車(chē)的電能儲(chǔ)存裝置可以分為二次電池 超級(jí)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(jí)電容器 又叫電化學(xué)電容器 是新型雙電層電容器 具有電容量大的特點(diǎn)飛輪電池 亦稱飛輪儲(chǔ)能器 利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)存和釋放電能的裝置 混合動(dòng)力汽車(chē)第2頁(yè) 電能儲(chǔ)存裝置的主要性能指標(biāo) 比能量 單位質(zhì)量的電能儲(chǔ)存裝置所能輸出的能量 單位為J kg W h kg KW h kg 比能量越高 汽車(chē)用電能行駛的距離越長(zhǎng) 能量密度 單位體積電能儲(chǔ)存裝置所能輸出的能量 單位為W h L KW h L 能量密度越高 汽車(chē)的載重量和車(chē)內(nèi)空間越大 比功率 單位質(zhì)量電能儲(chǔ)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(chē)加速 爬坡性能越好 最高車(chē)速越高 功率密度 單位體積電能儲(chǔ)存裝置具有的電能功率W L KW L 密度越大 汽車(chē)的載重量和車(chē)內(nèi)空間越大 壽命 使用時(shí)間的長(zhǎng)短 放電循環(huán)次數(shù)的多少 單位為年 小時(shí)或循環(huán)次數(shù) 充放電效率 充入 輸出電能儲(chǔ)存裝置的電能占充電 放電時(shí)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值 混合動(dòng)力汽車(chē)第3頁(yè) 第2代EV用電池參數(shù)與USABC中 長(zhǎng)期目標(biāo)的對(duì)比表 混合動(dòng)力汽車(chē)第4頁(yè) 2 2二次電池的基本概念 開(kāi)路電壓 電池不放電處于斷路狀態(tài)時(shí) 電池兩極之間的電位差電池內(nèi)阻 電流流過(guò)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(shí)電池兩極之間的電位差 也叫端電壓 它受電池放電時(shí)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(shí)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作時(shí)間 分為理論 實(shí)際和標(biāo)稱容量 1 二次電池主要性能指標(biāo) 混合動(dòng)力汽車(chē)第5頁(yè) 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W h或kW h 它影響電動(dòng)汽車(chē)的行駛距離 分為標(biāo)稱能量和實(shí)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(shí)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(fèi)的所有費(fèi)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(dá)不到規(guī)范要求時(shí)電池使用失效 這時(shí)電池的使用壽命終止 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(shí)間 包括電池的存放時(shí)間 使用周期是指電池可供重復(fù)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(biāo) 混合動(dòng)力汽車(chē)第6頁(yè) 2 HEV和EV對(duì)動(dòng)力電池的要求 電動(dòng)汽車(chē)對(duì)動(dòng)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(duì)穩(wěn)定性好 5 使用成本低 6 安全性好 7 循環(huán)壽命長(zhǎng) 混合動(dòng)力汽車(chē)第7頁(yè) 混合動(dòng)力汽車(chē)第8頁(yè) 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(chē)?yán)m(xù)駛里程 車(chē)速等有密切關(guān)系 這些關(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 混合動(dòng)力汽車(chē)第9頁(yè) 3 二次電池的輸出電流 功率和效率的關(guān)系 混合動(dòng)力汽車(chē)第10頁(yè) 2 3鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池自1859年發(fā)明以來(lái) 其使用和發(fā)展已有100多年的歷史 廣泛用作內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的起動(dòng)動(dòng)力源 電動(dòng)汽車(chē)用鉛酸蓄電池要用于給電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)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(dòng)汽車(chē)動(dòng)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(dòng)轎車(chē) 但由于其價(jià)格低廉 國(guó)內(nèi)外將它的應(yīng)用定位在速度不高 路線固定 充電站設(shè)立容易規(guī)劃的車(chē)輛和作為起動(dòng)機(jī)和電子電器設(shè)備的電源 1 概述 混合動(dòng)力汽車(chē)第11頁(yè) 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(dòng)道路車(chē)輛用鉛酸蓄電池分為免維護(hù)蓄電池和閥控密封式蓄電池兩類 2 型號(hào)電動(dòng)道路車(chē)輛用蓄電池以 電 的漢語(yǔ)餅音 D 表示 閥控密封式鉛酸蓄電池以 M 表示 免維護(hù)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(dòng)車(chē)輛用閥控密封式鉛酸 3 其他規(guī)定 外形 重量 額定容量 見(jiàn)書(shū)本P49頁(yè) 混合動(dòng)力汽車(chē)第12頁(yè) 2 鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu) 4 免維護(hù)鉛酸蓄電池免維護(hù)鉛酸蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì) 電解液的消耗量非常小 在使用壽命內(nèi)基本不需要補(bǔ)充蒸餾水 它具有耐震 耐高溫 體積小 自放電小的特點(diǎn) 使用壽命一般為普通鉛酸蓄電池的兩倍 一般有兩種 a 在購(gòu)買(mǎi)時(shí)一次性加電解液以后使用中不需要添加補(bǔ)充液b 電池本身出廠時(shí)就已經(jīng)加好電解液并封死 用戶根本就不能加補(bǔ)充液 混合動(dòng)力汽車(chē)第13頁(yè) 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(hù) 電池為密封結(jié)構(gòu) 不會(huì)漏酸 也不會(huì)排酸霧 電池蓋子上設(shè)有溢氣閥 也叫安全閥 該閥的作用是當(dāng)電池內(nèi)部氣體量超過(guò)一定值 即當(dāng)電池內(nèi)部氣壓升高到一定值時(shí) 溢氣閥自動(dòng)打開(kāi) 排出氣體 然后自動(dòng)關(guān)閉 防止空氣進(jìn)入電池內(nèi)部 混合動(dòng)力汽車(chē)第14頁(yè) 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(dòng)力汽車(chē)第15頁(yè) 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(xué)反應(yīng)式為充電時(shí) 把鉛板分別和直流電源的正 負(fù)極相連 進(jìn)行充電電解 陰極的還原反應(yīng)為 混合動(dòng)力汽車(chē)第16頁(yè) 3 鉛酸蓄電池的工作原理 陽(yáng)極的氧化反應(yīng)為充電時(shí)的總反應(yīng)為隨著電流的通過(guò) 在陰極上變成蓬松的金屬鉛 在陽(yáng)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(guò)程所以放電時(shí)的總反應(yīng) 混合動(dòng)力汽車(chē)第17頁(yè) 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(shí)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(shí) 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 4V 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)蓄電池電壓變化不大于0 05V h 此時(shí)確認(rèn)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(dòng)力汽車(chē)第18頁(yè) 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(dòng)力汽車(chē)第19頁(yè) 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(dòng)力汽車(chē)第20頁(yè) 6鉛酸蓄電池的性能指標(biāo) FT7C HEVVRLABattery 混合動(dòng)力汽車(chē)第21頁(yè) 7鉛酸蓄電池的不足 1 比能量低 在電動(dòng)汽車(chē)中所占的質(zhì)量和體積較大 一次充電行駛里程短 2 使用壽命短 使用成本高 3 充電時(shí)間長(zhǎng) 4 鉛是重金屬 存在污染 鉛毒 酸霧 銻和砷 鎘 混合動(dòng)力汽車(chē)第22頁(yè) 2 4鎳氫電池 鎳氫電池是90年代發(fā)展起來(lái)的一種新型電池 它的正極活性物質(zhì)主要由鎳制成 負(fù)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(wú)污染 被譽(yù)為 綠色電源 混合動(dòng)力汽車(chē)第23頁(yè) 1鎳氫電池的發(fā)展動(dòng)態(tài) 三洋電機(jī)株式會(huì)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(lái)為本田Accord采用 美國(guó)的Cobasys公司開(kāi)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(dá)到550 600W kg 體積比功率達(dá)到1200 1400W l 峰值比功率可達(dá)1000W kg 比能量在50 70Wh kg 使用溫度在60 時(shí)能量效率仍保持在80 90 充電功率也超過(guò)500W kg 混合動(dòng)力汽車(chē)第24頁(yè) 1鎳氫電池的發(fā)展動(dòng)態(tài) 德國(guó)Varta公司開(kāi)發(fā)的超高功率鎳氫電池 HEV 10UHPcells 功率密度已達(dá)到1000W kg 但其比能量?jī)H為40Wh kg 法國(guó)Saft公司的4 5SF型 41mm 93mm 高功率鎳氫電池容量為14Ah 比能量為47Wh kg 80 充電態(tài)對(duì)應(yīng)的比功率為900W kg 體積比功率達(dá)2500W l 混合動(dòng)力汽車(chē)第25頁(yè) 1鎳氫電池的發(fā)展動(dòng)態(tài) 我國(guó)也有很多單位一直從事混合動(dòng)力汽車(chē)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(zhǎng)期從事鎳氫電池及相關(guān)材料的研究和開(kāi)發(fā) 北京有色總院 中山電池公司 湖南神舟科技 春蘭集團(tuán) 鞍山三普等單位均從不同角度做過(guò)大量積極有益的工作 取得了很大的進(jìn)展 目前占世界民用電池市場(chǎng)的22 混合動(dòng)力汽車(chē)第26頁(yè) 2鎳氫電池的特點(diǎn)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 負(fù)極 極板 隔板 電解液 混合動(dòng)力汽車(chē)第28頁(yè) 3鎳氫電池的特點(diǎn) 1 比功率高 2 循環(huán)次數(shù)多 3 無(wú)污染 4 耐過(guò)充過(guò)放 5 無(wú)記憶效應(yīng) 6 使用溫度范圍寬 7 安全可靠 混合動(dòng)力汽車(chē)第29頁(yè) 4鎳氫電池的工作原理 混合動(dòng)力汽車(chē)第30頁(yè) 5鎳氫電池的充放電特性 通常電池在一定電流下進(jìn)行充電和放電時(shí)都是使用曲線來(lái)表示電池的端電壓和溫度隨時(shí)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(lái)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(shí) 其放電倍率為0 2C 混合動(dòng)力汽車(chē)第31頁(yè) 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(dòng)力汽車(chē)第32頁(yè) 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(dòng)力汽車(chē)第33頁(yè) 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(dòng)力汽車(chē)第34頁(yè) 電池低溫 18 放電曲線曲線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(dòng)力汽車(chē)第35頁(yè) 2 3 6鎳氫電池SOC估計(jì) 電池SOC的估計(jì)模型 混合動(dòng)力汽車(chē)第36頁(yè) 1 電池SOC估計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 采用三層徑向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 輸入層只是傳遞輸入信號(hào)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(gè)輸入變量 輸出變量為電池的SOC值 2 3 6鎳氫電池SOC估計(jì) 混合動(dòng)力汽車(chē)第37頁(yè) 2 卡爾曼濾波器的信號(hào)模型與輸出方程的確定 由SOC的定義可知 聯(lián)立上述三個(gè)方程得 2 3 6鎳氫電池SOC估計(jì) 混合動(dòng)力汽車(chē)第38頁(yè) 令在等式兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)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 為測(cè)量噪聲 2 3 6鎳氫電池SOC估計(jì) 混合動(dòng)力汽車(chē)第39頁(yè) 對(duì)以上兩個(gè)方程進(jìn)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 2 3 6鎳氫電池SOC估計(jì) 混合動(dòng)力汽車(chē)第40頁(yè) 其中和可以在實(shí)驗(yàn)中獲得 這樣就可以根據(jù)控制信號(hào)和測(cè)量輸出估計(jì)狀態(tài)變量 即電池的SOC值 2 3 6鎳氫電池SOC估計(jì) 混合動(dòng)力汽車(chē)第41頁(yè) 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(chǎng)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(zhǎng) 無(wú)記憶效應(yīng) 無(wú)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(diǎn) 混合動(dòng)力汽車(chē)第42頁(yè) 2 4 1鋰離子電池的發(fā)展動(dòng)態(tài) 2006年1月 江森控制在全球開(kāi)始研發(fā)和制造用于混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)的鋰離子電池 三洋電機(jī)2008年5月28日宣布 向德國(guó)大眾集團(tuán)供應(yīng)混合動(dòng)力汽車(chē)用鋰離子充電電池系統(tǒng) 我國(guó)在鋰離子電池方面的研究水平 有多項(xiàng)指標(biāo)超過(guò)了USABC提出的長(zhǎng)期目標(biāo)所規(guī)定的指標(biāo) 目前已經(jīng)把鋰離子電池作為電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池的重要發(fā)展目標(biāo) 混合動(dòng)力汽車(chē)第43頁(yè) 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(dòng)力汽車(chē)第44頁(yè) 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 防爆閥 7 正極 8 隔板 9 負(fù)極 10 負(fù)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(dòng)力汽車(chē)第45頁(yè) 我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子電池 2 4 2鋰離子電池的分類與構(gòu)造 混合動(dòng)力汽車(chē)第46頁(yè) 2 4 3鋰離子電池的特點(diǎn) 鋰離子電池有許多顯著特點(diǎn) 它的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為 1 工作電壓高 2 比能量高 3 循環(huán)壽命長(zhǎng) 4 自放電率低 5 無(wú)記憶性 6 對(duì)環(huán)境無(wú)污染 7 能夠制造成任意形狀 混合動(dòng)力汽車(chē)第47頁(yè) 2 4 3鋰離子電池的特點(diǎn) 鋰離子電池也有一些不足 主要表現(xiàn)在 1 成本高 主要是正極材料LiCoO2的價(jià)格高 但按單位瓦時(shí)的價(jià)格來(lái)計(jì)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(hù)電路 以防止過(guò)充 混合動(dòng)力汽車(chē)第48頁(yè) 2 4 4鋰離子電池的工作原理 電池在充電時(shí) 鋰離子從正極材料的晶格中脫出 通過(guò)電解質(zhì)溶液和隔膜 嵌入到負(fù)極中 放電時(shí) 鋰離子從負(fù)極脫出 通過(guò)電解質(zhì)溶液和隔膜 嵌入到正極材料晶格中 在整個(gè)充放電過(guò)程中 鋰離子往返于正負(fù)極之間 混合動(dòng)力汽車(chē)第49頁(yè) 2 4 4鋰離子電池的工作原理 鋰離子電池工作原理圖 混合動(dòng)力汽車(chē)第50頁(yè) 2 4 4鋰離子電池的工作原理 正 負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)為總反應(yīng)為 混合動(dòng)力汽車(chē)第51頁(yè) 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(yīng)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(dá)2C 但常用的充電率為0 5 1C 放電方面 鋰離子電池的最大放電電流一般被限制在2 3C左右 鋰電池的充電溫度一般應(yīng)該被限制在0 60 范圍 電池溫度過(guò)高會(huì)損壞電池