（检测技术与自动化装置专业论文）mhni电池充放电特性的建模与仿真.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 汽车行业一直面临着能源安全和环境保护两大问题，为此，混合动力电 动车( h e v ) 应运而生，成为当代国际电动车开发的热点和潮流之一。混合动 力汽车的竞争实质上是动力电池的竞争，如何经济、快速地确定蓄电池性能 成为各国研究的热点。蓄电池的性能归根结底体现在剩余容量( s o c ) 上，s o c 受到电压、电流和温度等多种因素的影响，很难用传统方法获得比较准确的 剩余容量值。本文主要是利用电池类比水池建模的方法开展对镍氢电池充放 电容量的预测和估计。主要研究成果如下： 首先分析了镍氢( 删一n i ) 电池的基本工作原理和充放电特性。删一n i 电池具有高比容量、高比功率等优点，一直作为混合动力电动车用蓄电池的 首选。由于删- n i 电池的动态特性十分复杂，如何准确判定其荷电状态成了 制约电动车实用化、商品化的因素之一。删一n i 电池的剩余容量受到放电电 流、开路电压、温度、电池老化以及电池之间不均衡性等多种因素的影响， 因此对剩余容量的估计和预测具有一定的难度。目前国内外常用的预测镍氢 电池剩余容量的方法主要有如下几种：开路电压法、安时法、内阻法、线性 模型法等。这些方法各有优缺点，本文在综合理解各种方法的基础上，提出 了类比建模法预测镍氢电池剩余容量的思想。通过水池模型类比电池进行镍 氢电池的充放电特性分析，能够将复杂的问题简单化，从宏观上理解具有复 杂非线性特征的混合动力电动汽车蓄电池模型的特性，使预测结果更加准确， 计算过程更快速。 本论文的作者和指导老师在总结前人的基础上提出了类比建模的数学模 型，围绕该模型的建立进行了多次心州i 电池充放电试验，并对所获得的实 验数据进行辨识和仿真，不断改进模型参数，实现了对镍氢电池充放电过程 中任一状态下的剩余容量的预测，并对预测的结果进行了分析。结果表明， 通过该模型可以方便地得到电池的剩余容量值，所得结果满足要求，为电池 管理系统提供了一种新的电池剩余容量预测方法。 关键词：混合动力电动汽车( h e v ) ；镍氢( 删n i ) 电池；类比建模；剩余容 量( s 0 c ) 北方工业大学硕士学位论文 m o d e l i n g a n ds i m u l a t i o no fc h a r g i n ga n d d i s c h a r g i n g c h a r a c t e r i s t i c so f m h n ib a t t e r i e s a b s t r a c t i s s u e sa b o u te n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n de n e r g ys o u r c 鹤s e c u r i t ya r ef o c u s e d o nt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yi nr e c e n ty e a r s t h e nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ef h e v ) e m e r g e sa n db e c o m e st h ef o c u sa n dt r e n do ft h er e s e a r c h e s t h ee s s e n t i a lo ft h e c o m p e t i t i o nf o rh e v i st h eb a t t e r yc o m p e t i t i o n , h o wt oa s c e r t a i nt h ep e r f o r m a n c e o fb a t t e r i e se c o n o m i c a l l ya n df l e e t l yh a sb e c o m eo n eo ft h eh o t s p o t so fe a c h c o t m t r y p e r f o r m a n c eo fb a t t e r i e sr e p r e s e n t si nt h ef i n a la n a l y s i s s t a t eo f c h a r g e ( s o c ) ， s i n c es o co fm h - n ib a t t e r yi si n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r s ， s u c ha st e m p e r a t u r e 、e l e c t r i cc u r r e n t 、v o l t s g ea n ds oo n ，i ti sd i f f i c u l tt oo b t a i n i d e a lr e s u l t sb yt r a d i t i o n a lm e t h o d s t h ea p p l i c a t i o no f m o d e l i n g b yu s i n gp o n dt o a n a l o gb a t t e r y , e s t i m a t i n g t h ev a l u eo fs o ci sa d o p t e d t h er e s e a r c h a c h i e v e m e n t sa n di n n o v a t i o n si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h eb a s i cw o r kp r i n c i p l ea n dc h a r g i n g - d i s c h a r g i n gc h a r a c t e r i s t i c so f m h - n ib a t t e r i e sh a v eb e e na n a l y z e d m h - n ib a t t e r yi sa l w a y st h ef i r s tc h o i c eo f h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) d u e t oi t sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g l lc a p a c i t y , h i g h p o w e rl e v e l ，l o n gl i f e , a n dh j 曲p e r f o r m a n c e s i n c em h - n ib a t t e r i e sh a v e c o m p l i c a t e dp e r f o r m a n c e si nd i f f e r e n tw o r k i n gs i t u a t i o n , h o wt oe s t i m a t es o c p r e c i s e l yh a sb e c o m et h em a i nr e s t r i c t i o nf a c t o rf o rt h ed e v e l o p m e n to fh e v s o co f m h - n i b a t t e r yi si n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r ss u c ha sd i s c h a r g i n gc u r r e n t 、 v o l t a g e 、t e m p e r a t u r e 、b a t t e r ya g i n ga n ds oo i ls of o r e c a s t i n ga n de s t i m a t i n gs o c p r e c i s e l ya r ed i f f i c u l t j o b s c u r r e n t l y , t h ec o m m o n l yu s e dm e t h o d so ff o r e c a s t i n gs o c a r es h o w i n ga s f o l l o w s ：a m p e r e - h o u rm e t h o d , o p e n - c i r c u i tv o l t a g e ，a n ds oo n e a c hm e t h o dh a s i t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h i sp a p e rh a sb r o u g h tf o r w a r dan e wt h o u g h t o fm o d e l i n gb ya n a l o g yt oe s t i m a t es o ct h r o u g hg e n e r a l l yu n d e r s t a n d i n gt h e a b o v e - m e n t i o n e d m e t h o d s c h a r g i n g - d i s c h a r g i n g c h a r a c t e r i s t i c so fm h - n i b a t t e r i e sh a v eb e e na n a l y z e db ya n a l o g i z i n gp o n dm o d e lt ob a t t e r ym o d e l ，m a k i n g 2 北方工业大学硕士学位论文 c o m p l e xp r o b l e m ss i m p l e ，t h u sc o m p r e h e n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb a t t e r y m o d e lo fh e vm a c r o s c o p i c a l l y , m a k i n gt h er e s u l tm o r ep r e c i s e l ya n dt h e c o m p u t i n gf a s t e r t h ew r i t e ro ft h i sp a p e ra n dh e rt u t o rh a v ef o u n d e dt h em a t h e m a t i c sm o d e l o fa n a l o g ym o d e l i n g , s e v e r a lc h a r g i n g - d i s c h a r g i n ge x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d e a b o u tt h em o d e l t h a ni d e n t i f i c a t i o na n ds i m u l a t i o na b o u tt h ee x p e r i m e n t s d a t u m h a sb e e ni m p l e m e n t e d , r e c t i f y i n gp a r a n l e t e r so ft h em o d e lt i m ea f t e rt i m e , t h e n a n ys i n g l es t a t eo fs o c c a nb eg a i n e dd u r i n gt h ec h a r g i n g - d i s c h a r g i n gp r o c e s s i n t h ee n d ，t h ee s t i m a t i o nr e s u l th a sb e e na n a l y z e d , i ts h o w st h a tt h ev a l u eo fs o c c a nb ea t t a i n e dc o n v e n i e n t l y , a n di ts a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n t , b r o u g h tan e ws o c e s t i m a t i o nm e t h o d sf o rb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ( b m s ) k e y w o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) ；m h - n ib a t t e r y ；a n a l o g ym o d e l i n g ； s t a t eo f c h a r g e ( s o c ) 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得韭友王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北友工业太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权j 友王些太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师 签字日期：年月 日 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 电动车发展简介 1 1 1 电动车的发展及其意义 汽车作为曾经推动人类文明向前跃进的现代社会大工业的产物，在给人 类生活带来便捷的同时，其发展所带来的对石油资源需求的激增和对环保的 负面影响也日益引起人们的注意。汽车对社会环境造成的污染相当严重。据 联合国的“政府间气候变化专业委员会( i p c c ) ”评估，1 9 9 6 年世界上共排放 二氧化碳约2 0 0 亿吨，美国居第一位，其中汽车约占排放量的2 0 ，中国居 第二位，占1 3 5 “】【”。 在人类生活质量日益提高的今天，拯救人类赖以生存自然环境的迫切需 要对汽车工业的发展提出了极为严峻的挑战，为了汽车工业可持续发展，以 开发和推广电动车为主要内容的“绿色汽车”工程己经在世界范围内展开。 当代融合多种高新技术而兴起的纯电动汽车、混合动力电动汽车，展现了汽 车工业的光明未来。近十年来，美国、欧洲、日本等国政府和跨国公司己投 入超过1 0 0 亿美元的资金，并且以每年不少于l o 亿美元的力度继续开发。新 一代汽车己经成为跨国汽车公司和工业国家战略发展的重要内容。 电动汽车以电力驱动，行使无排放( 或低排放) ，噪声低，能量转化效率 比内燃机汽车高得多。同时，电动汽车还具有结构简单( 可以直接利用电子 技术实现传动、显示可控制) 、运行费用低等优点，安全性也优于内燃机汽车。 依据以上优点，电动汽车被认为是传统内燃机汽车的替代品，成为当今世界 追逐的热点。然而，由于现有电池技术还不能满足电动汽车对电池系统能量 密度和功率密度以及寿命的要求，电动汽车的性能价格比远远不能达到推广 应用的标准。因此，常规纯电动汽车在短期内替代内燃机汽车的可能性微乎 其微，但作为辅助能源在有限范围内有很大的市场空间。随着我国国民经济 持续高速发展，轿车进入家庭已经是不争的事实，由此，中国汽车工业将面 临一个快速发展的机遇。 北方工业大学硕士学位论文 总体来讲，我国的石油资源是很缺乏的。2 0 0 0 年原油产量1 6 亿吨，进 口原油0 7 3 亿吨，成品油0 3 亿吨，用汇2 5 0 亿美元，这还不包括一些走私 油品。预测到2 0 1 0 年，原油需求3 6 亿吨，国内产量2 亿吨，进口1 - 6 亿吨， 这意味着4 5 要靠进口。目前世界上空气污染最严重的十个城市中有7 个在 中国。按照国家环保中心预测2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占空气污染源的6 4 。 显然，进一步使用传统内燃机技术，发展汽车工业将会给我国的能源安全和 环境保护造成巨大的压力。面临如此严峻的形势我国必须认真思考汽车业的 未来发展。 机遇与挑战并存，发展电动车，已经是涉及社会发展和经济安全的重大 战略问题，中国除了要加速发展电动车生产外，别无出路。我们要抓住机遇， 下决心把发展电动汽车实现产业化作为我国汽车工业实现跨越式发展的战略 性举措。人们把现代电动车看作是汽车产业的未来文明中心，如果说传统的 汽车文明更多的体现在物化方面的话，那么，现代电动车应该可以完满地实 现人类与自然长期和谐共存与发展的一种美好愿望，从而产生一个崭新的汽 车文明时代。 1 1 2 现状及国内外发展趋势 1 国外发展现状” 电动汽车是至少以一种动力源为车载能源，全部或部分由电机驱动的汽 车，包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车三种类型。面临能 源和环境的压力，国外著名汽车公司都十分重视研究开发电动汽车，世界上 发达国家不借投入巨资进行研究开发，并制定了一些相关的政策、法规来推 动电动汽车的发展。电动汽车的研究是从单独依靠蓄电池供电的纯电动汽车 开始的，但是由于动力电池的性能和价格还没有取得重大突破，因此纯电动 汽车的发展没有达到预期的目的。 混合动力电动汽车正是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生 的一种新的车型。它将现有内燃机与一定容量的储能器件( 主要是高性能电池 或超级电容器) 通过先进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗，减少污染 物排放。国外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和 节能目标、市场接受度高的主流清洁车型，从而引起各大汽车公司的关注。 2 北方工业大学硕士学位论文 9 0 年代以来，在各国政府的支持下，国外一些知名汽车公司投入巨资开 始进行纯电动汽车和混合动力电动汽车实用车型的研制和开发。很多公司采 用了各种高新技术，使不少样车的主要动力性指标达到了燃油汽车的水平。 丰田的p r i u s 和本田的混合电动i n s i g h t 是世界上最早推出的混合电动商品 车。近5 年来，p r i u s 累计销售十多万辆，i n s i g h t 也占据了北美混合动力电 动汽车市场的半壁江山“1 。日产公司也于去年推出t i n o 混合动力车，在日本 i 觚s y 蛾e m m 咖r 图i 1p r i u s 的t i i s 系统图1 2c i v i c 的i l i a 系统 国内市场上销售了1 0 0 多辆。美国能源部与三大汽车公司于1 9 9 3 年签订了混 合动力电动汽车开发合同，其中通用汽车公司投入1 4 8 亿美元，福特投入 1 3 8 亿美元，克莱斯勒投入8 4 8 0 万美元，进行为期5 年的研制开发工作， 三大公司于1 9 9 8 年北美国际汽车展上分别展出了样车，在此基础上，现已按 期推出三款混合动力概念车g mp r e c e p t f o r d 、p r o d i g y d a i m l e r c h r y s l e r 和d o d g e f s x 3 ，三款车均接近或实现了3 升百公里目标。欧洲各大汽车厂商 也争先恐后地推出了本公司研制的混合动力电动汽车，法国p s a 集团先后推 出了贝灵格型和x s a r a 型混合动力电动汽车。德国的b o s c h 等著名的零部件 公司也积极与大汽车公司联手开发混合动力电动汽车技术。最近欧洲六大汽 车公司联合就混合动力电动汽车技术进行了研讨和综合评述，认为其技术成 果有望使混合动力电动汽车的成本接近于传统汽车，使用户买得起，生产厂 商也有利可图。同时，在日本、美国和欧洲，也开展了混合动力电动汽车的 研究。 在进行混合动力电动车研究的同时，9 0 年代以来，国外一直将重点放在 关键的电池技术研究上，美国三大汽车公司投资2 6 亿美元，进行合作研究， 美国电池制造商联合进行的u s a b c 项目也把目标指向电动汽车用的电池。总 北方工业大学硕士学位论文 体上来说，电动汽车的前景基本上取决于电池技术的突破。近年来镍氢、锂、 燃料等类电池被相对看好，投入大量资金进行研究，铅酸、镍铬等传统电池 的改进工作也在进行。 2 我国现有的工作基础及发展前景乜1 嘲嗍 9 0 年代以来，基于能源、环保以及发展经济的需要，我国开始大力发展 电动汽车。世界各国研制电动汽车及其蓄电池的热潮也促进了我国电动汽车 研制工作的开展。我国属于石油进口国，发展电动汽车能充分利用我国丰富 的水资源、风力资源等以解决汽车发展与石油短缺之间的矛盾。因此，发展 电动汽车是合理利用资源的需要。同时，发展电动汽车也是环保的需要，目 前，我国的环境污染相当严重，已经影响到了我国人民的身体健康和中国的 国际形象，不利于招商引资的进行，必须提高到政治和改善投资环境的高度 来看待。电动车能大大减少汽车的尾气排放，是环保的一个重要方面，因此， 发展电动车是由战略意义的。电动车还必然会促使我国高新科技的进步，电 动车是集电子技术、控制技术、材料、工艺、汽车技术和电源技术于一体的 高新科技的综合体，电动车的开发研制为这些技术的发展提供了十分可观的 技术需求，刺激和促进了这些技术的发展。特别地，电动车的发展为我国汽 车工业提供了一个难得的机遇和挑战：如果电动车用电源技术作为突破口， 掌握未来汽车的核心技术，我们就能拥有自主的、先进的汽车工业，而不再 是外国汽车的销售市场。我国广大人民群众也有对电动车的需求，电动自行 车、电动摩托车、电动汽车等已经进入了许多大城市。 我国对电动汽车的发展十分重视，国家科委、计委在“八五”期间组织 了电动汽车的攻关课题，“九五”规划中，投入了1 亿元资金进行电动汽车 的研究，国内大型汽车企业、高等院校、研究单位对电动汽车的研究也持积 极的态度，通过改装电动汽车，进行了多轮试制。在“十五”规划中被列为 国家高科技攻关项目，同时被列为国家“8 6 3 ”科技攻关项目，在“九五”投 入1 亿元人民币的基础上，还要投入1 0 亿元人民币，来支持电动汽车前瞻性 的技术开发，这还不包括原材料的研究、完整的燃料电池和其他动力源等基 础性研究。 在我国，纯电动汽车的开发取得了重要突破：完成了电动轿车先导车研 制和具有自主知识产权的全新电动轿车概念车的设计开发。结合概念车的开 发，在电动汽车总体设计、专用电机、控制系统、车辆管理和电池管理等多 4 北方工业大学硕士学位论文 项关键技术上均有突破，取得了一批创新研究成果，如：交流异步电机的全 数字矢量控制驱动系统己经达到了当代国际先进的控制技术水平。在小型镍 氢电池、锂离子电池开发及主要原材料国产化的基础上，突破了高性能镍氢 动力电池与锂离子动力电池的关键技术，其性能指标已接近国际先进水平， 目前已试装在我国开发的电动概念汽车上进行测试考核。建成了我国唯一的 电动汽车试验示范区，1 9 9 8 年4 月，国家电动汽车试验示范区正式开通；已 有2 0 多辆纯电动汽车，开展了公务车、公交车和出租车营运试验，完成了 6 0 多万公里的运行任务；具有充电、维修、培训、车辆与电池测试，数据收 集与储存等功能，培养了一支试验运行队伍；形成了一定的测试条件，为今 后的发展创造了物质基础。开展了电动汽车运行机制和政策法规与技术标准 的研究，完成了电动汽车产业发展运行机制研究、发展电动汽车相关扶持政 策的研究、电动汽车的推广研究、电动汽车综合信息数据库等专题研究。成 立了电动汽车标准化委员会，制定了电动汽车标准体系，开展了一系列的标 准研究、制定和验证工作，目前己有1 4 项正式批准为国家标准，2 项为指导 性技术文件，还有一些标准正在制定之中。这些标准的制定为我国电动汽车 的研制开发和示范运营提供了必要的保障和支撑。一些民营科技企业在动力 电池、电机及其控制器等方面也取得了不俗进展，安徽兆成研制的水平极板 动力铅酸电池组和深圳雷天公司的锂离子电池在社会上引起了强烈的反响。 现在零排放电动汽车的技术逐渐成熟并已开始商品化，一次充电行程也 能满足市区交通的要求。大规模应用的主要困难是电池和相应的电动汽车成 本太高。无论从环保角度还是能源角度看，未来电动汽车都需要有一个大的 发展。其开发将关系到众多工业的兴衰，可能成为未来新的经济增长点。在 我国，电动汽车更有着独特的市场，大都市都普遍存在着十分严重的交通问 题和汽车尾气排放污染问题。作为一种小型、中速和短途的日常交通工具， 电动汽车是十分理想的代步工具，其在中国有着得天独厚的发展条件和广阔 的应用前景。 1 2 课题的背景、意义及研究内容 1 2 1 课题的背景及意义 本课题来源于“8 6 3 ”电动汽车重大专项一混合动力大巴的研发，是其 北方工业大学硕士学位论文 中的一个子课题。 长期以来，作为电动汽车动力源的充电电池是限制电动汽车发展的主要 因素，国内外都投入了大量的人力和物力进行研究。电池能否满足电动汽车 在各种运行情况下的使用要求，就需要对电池的充放电特性进行分析和检测。 当前各种电脑、便携式无线电通讯系统以及家用电器等盼小型化、轻量化的 发展，新一代电动车的商品化开发，对二次电池的能量密度提出了更高的要 求，加以环境保护需要，大大推动了姗一n i 电池的发展短短数年间，日、美、 德等工业大国竞相开发并逐步进入大规模产业化阶段。 删一n i 电池是目前国际上竞相研究开发的新型高容量可充式电池，镍氢 电池正极板的活性物质为n i o o h ( 放电时) 和n i ( 0 h ) 。( 充电时) ，负极板的活 性物质为h 2 ( 放电时) 和h 2 0 ( 充电时) ，电解液采用3 0 的氢氧化钾溶液。 它具有比能量高、无c d 公害、无记忆效应、耐过充放等突出优点，被誉为高 能绿色电池。 m h - n i 电池的产业化将带来巨大的经济效益，各国许多有实力的公司和 研究所纷纷注入大量的资金和人力展开咖- n i 电池产品与品质的竞争。目前， 姗一n i 电池研制水平较高的国家主要有美、日、德、中、荷兰和韩国。日本 是目前唯一真正实现删一n i 电池产业化的国家。美国的永备公司、德国的瓦 尔塔、法国的萨佛特均有高性能的删一n i 电池问世，其产业化进程不断加快。 我国是继日美之后进入产业化开发最早的发展中国家。在国家科委和 8 6 3 新材料领域专家委员会的领导支持下，删_ n i 电池研究和产业化进程均已 取得较大的进步，基本实现二次电池装配的连续化、自动化生产。目前已有 2 0 多家单位宣布生产删一n i 电池，初具规模的有天津海泰和莫士比公司、广 东新士达等。 随着潮一n i 电池性能水平的不断提高，生产工艺的日益完善，删一n i 电 池在动力源领域的市场份额将不断上升，应用前景将更加广阔。日本的丰田 公司、本田公司和美国的福特汽车公司、通用汽车公司等生产的混合动力电 动车所用的辅助动力系统均为删一n i 电池组。镍氢蓄电池存在的主要问题是 自放电较高，高温性能差，成本较高且蓄电池的荷电水平不容易准确的判定 等。但其在安全性能、寿命、加速性能等方面都优于其他蓄电池，被认为是 目前最适合用于h e v 的蓄电池。 6 北方工业大学硕士学位论文 总之，m h - n i 电池的应用领域十分广阔，进一步开发高性能的贮氢合金， 探索各种型号电池的生产，提高正负极的电化学容量及高倍率放电等性能， 改进电池的生产工艺和提高自动化生产率，将不断提高m h _ n i 电池性能和推 动其实用化进程。可以预见，高容量、少污染、长寿命的删一n i 电池将在2 l 世纪蓄电池市场竞争中大放异彩。 1 2 2 课题研究的内容 本课题的主要研究内容是混合动力电动汽车用姗一n i 电池充放电特性， 及其剩余容量的预测和蓄电池状态的判定。由于删- n i 电池本身特殊性，其剩 余容量及荷电状态受放电电流、温度变化、本身退化等诸多因素的影响，目 前对电池剩余容量的估计还没有一个标准算法。根据当前蓄电池剩余容量预 测的技术现状，本文采用了以水池模型类比删一n i 电池充放电特性和通过实 验数据采用系统辨识估测相关参数相结合的方法，研究悯- n i 电池的充放电 特性。将水池模型与姗一n i 电池相关特性进行了比较研究，在理论分析的基 础上，考虑到该模型自身的特点和要求，进行了多次充放电试验，理论结合 实际，认真分析和解决问题，通过本课题的研究，对电动动力汽车唧- n i 电 池剩余容量预测的进一步研究开辟了新的方向。 具体工作内容如下： l 分析了几种常见蓄电池的特性及其优缺点，分析了混合动力电动汽车 电池系统对电池性能指标的要求，指出删一n i 电池是最适合用于混合动力电 动汽车上的电池。 2 分析了删一n i 电池的电化学特性，设计并进行了电池在混合动力电动 汽车模拟用电条件下大量试验，分析了镍氢电池对大电流充电与放电的响应 特点。 3 对当前常用姗- n i 电池荷电状态的估计方法进行对比研究，指出了各 种估测剩余容量方法的优缺点，提出采用类比建模法和进行模型参数辩识的 方法估测姗一n i 电池的s 0 c 。 4 仿真结果表明，该模型用于描述嘲一n i 电池在混合动力电动汽车的 使用状态，有较好的效果。 7 北方工业大学硕士学位论文 1 3 本章小结 本章介绍了电动汽车及删一n i 电池在国内外的发展趋势。重点介绍了本 课题的研究背景和意义，从而提出了本课题的任务，并介绍了本课题所做的 工作。 北方工业大学硕士学位论文 2m h - n i 电池剩余容量预测的概念与方法 2 1 电动车用蓄电池性能比较 2 1 1 电动汽车用蓄电池的性能指标 一直以来，人们将蓄电池技术视为电动汽车发展的薄弱环节，正是蓄电 池技术的局限性制约了电动车的发展和普及。电动汽车用蓄电池的主要性能 指标有：容量、能量密度、功率密度、自放电率、循环使用寿命和造价等。 蓄电池的容量一般是指它的库仑容量，定义为： ， c = l i ( t ) d t ( 2 1 ) j 常用的单位为a l 或m a h ，在实际应用中我们一般采用荷电状态s o c ( s t a t e o fc h a r g e ) 来表征蓄电池的剩余容量。s o c 定义为剩余容量与标称容量的百 分比，当一个标称容量的为8 a h 的电池( 即该电池被放空后，蓄电池以8 a 的电流充1 小时，就能达到饱和电压一此时用小电流涓流浮充，依然可以 充进电流，但不可能太多，因此仍然定义该电池是8 a h 蓄电池，以给s o c 一 个固定标准) 。若再以2 a 电流放电一个小时，则电池还剩7 5 的电量，即 s o c = 7 5 。事实上蓄电池的容量与蓄电池放电率、工作环境温度和蓄电池老化 程度有关。而且，对电池做的任何先验性的试验对被测对象来说均是不可重 复的。 蓄电池的能量密度定义为单位质量或单位体积的蓄电池所具有的能量。 通常质量能量密度定义为蓄电池的比能量( w h k g ) ，体积能量密度定义为蓄 电池的能量密度( w h l ) 。其中，比能量显得更为重要，它影响到电动车的整 车质量及续驶里程，是评价电动车蓄电池是否满足预定的续驶里程的重要指 标。而体积能量密度只影响到蓄电池的布置空间。 蓄电池的功率密度是指单位质量或单位体积的蓄电池所具有的输出能量 的速度，它也可分为比功率( w k g ) 和功率密度( w l ) 。对电动车而言，重 点考虑比功率和比能量参数，前者是评价蓄电池能否满足电动汽车加速和爬 坡能力的重要指标，后者是评价蓄电池驱动汽车行驶里程的重要指标。 9 北方工业大学硕士学位论文 蓄电池的自放电率是指蓄电池在一段时间内的自放电容量与蓄电池总容 量的比。一般时间是以月为单位，如放电率2 0 月。它标志着蓄电池在未 使用状态下能量损失的快慢。自放电的多少与蓄电池的储存环境温度和本身 电量的多少有关。 蓄电池的循环使用寿命通常定义为蓄电池失效前所允许的深放电次数。 深放电一般是指蓄电池完全放电到截止电压。蓄电池的造价关系到电动车的 整车成本，是影响电动车市场化进程的重要因素。正是由于电动汽车的成本 过高，使其目前不能与传统的燃油汽车相竞争。美国先进蓄电池联合会 ( u s a b c ) 提出的电动汽车蓄电池主要性能指标如表2 1 所示”1 。 表2 1u s a b c 制定的蓄电池中长期发展目标 指标中期 长期 质量比能量w h k g 8 0 i 0 0 2 0 0 质量比功率吖k g 1 5 0 2 0 0 4 0 0 使用寿命年 5 1 0 销售价格$ k 霄h ( 1 5 0 1 0 0 使用温度 一3 0 6 0一4 5 8 0 正常充电时间h 63 6 快速充电时间如i n ) 4 0 ( 1 5 ) 6 0 ( 2 0 ) 自放电 1 5 ( 4 8 h ) 1 5 ( 月) 热损耗( 高温蓄电池) 4 8 h 以内3 2 w k w h 1 5 额定容量 维护方式免维护，极小的车载控制 我国在十五“8 6 3 ”中计划对电动车用蓄电池也提出相应指标( 见表2 2 ) 。 表2 2 十五8 6 3 计划蓄电池目标 性能姗一n il i i o n m h n il i i o n 比功率w k g 6 0 08 0 01 6 01 6 0 温度范围 c 一2 0 5 52 0 5 5 循环寿命可行驶1 0 万公里 5 0 0 次 2 1 2 几种电动车常用的蓄电池性能比较 发展电动汽车，使其能与内燃机汽车相竞争，关键是要开发出比能量高、 比功率大、使用寿命长、成本低的蓄电池。下面介绍几种常见的蓄电池及其 1 0 北方工业大学硕士学位论文 特点： 铅酸蓄电池铅酸蓄电池已有1 0 0 多年的使用历史，因其可靠性高、价 格便宜、技术和制造工艺成熟等被各国电动车普遍采用。铅酸蓄电池的研究 技术也在不断提高，比能量从不到l o w h k g 提高到6 0 w h k g ，目前约有8 9 0 的采用率，实现了大批量生产。铅酸蓄电池回收较为容易，比功率也基本满 足电动汽车用动力性要求，广泛用于内燃机汽车的起动动力源。但铅酸蓄电 池存在两大缺点；一是比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶 里程较短；另一个则是使用寿命短，致使它的使用成本较高。同时由于铅是 重金属，存在污染问题。铅酸蓄电池由于其安全可靠的特性，广泛用作纯电 动车的能量来源，但由于其比能量低、不适合大电流充电等特性，很少用于 混合动力电动车的动力源。 锂离子蓄电池锂离子蓄电池具有很高的能量密度( 目前己达到铅酸蓄 电池的3 4 倍，镍氢蓄电池的2 倍) ，良好的性能价格比，和较高的单体电 压；蓄电池在充放电时可获得较高的能量效率，放电时容易检测出蓄电池的 荷电状态，被认为是最有希望的电动车用蓄电池。但目前大容量的锂离子蓄 电池技术还没有真正突破，存在的主要缺点是：一致性、安全性差，成本高， 技术不成熟；高温性能差，低温情况下的蓄电池充放电性能差；若深度放电 或在高温情况下储存或放电，容易造成容量的不可逆损失等。目前，锂离子 蓄电池所面临的主要问题是价格和其安全性能。锂聚合物蓄电池解决了锂蓄 电池的安全性问题，生产成本低于锂离子蓄电池但它的比功率较低，快速充 电性能差，目前仍属于实验室产品。锂离子蓄电池虽有重量轻、能量密度高 等优点，但其不安全特性和不适合大电流充电特性，不适合用作混合动力电 动车的动力源。 燃料蓄电池燃料蓄电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过 电极反应直接转化为电能的发电装置。它不经历热机过程，不受热力循环限 制，故能量转换效率高，燃料蓄电池的化学能转换效率在理论上可达1 0 0 ， 实际效率已达6 0 8 0 ，是普通内燃机热效率的2 3 倍在1 9 9 3 年加拿大 温哥华科技展览会上，加拿大的b a l l a b c 公司推出了世界上第一辆以燃料蓄 电池为动力的电动公共汽车。载客2 0 人，最高速度7 2 2 k m h 。德国奔驰汽 车公司也研制了以燃料蓄电池为动力的电动汽车。因为燃料蓄电池的化学反 北方工业大学硕士学位论文 应需要大量的铂金做催化剂，所以它的成本问题也是它发展的一个瓶颈。 镉镍蓄电池目前，镉镍蓄电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池。其 比能量可达5 5 w h k g ，比功率超过1 9 0 w k g ，可快速充电，循环使用寿命 较长，但其价格是铅酸蓄电池的4 5 倍。它的初期购置成本虽高，但由于其 在比能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。但是， 和铅酸蓄电池一样，镉镍蓄电池也存在金属( 镉) 污染问题，许多国家已经 限制生产和使用。而且，镉镍蓄电池还存在一定的记忆效应，早期使用手持 电话的人对此有深刻印象。这些缺点都限制了其使用和发展，正在被镍氢蓄 电池和锂离子蓄电池所取代。 镍氢蓄电池镍氢蓄电池和镍镉蓄电池一样，也属于碱性电池。其特性 跟镍镉蓄电池相似，但镍氢蓄电池不含镉、铜，不存在重金属污染问题。 镍氢蓄电池是9 0 年代发展起来的一种新型绿色电池，它与镍镉蓄电池 有很好的互换性，但没有镉污染且比能量较高。日本从事电动车用删一n i 电 池开发的主要代表性厂家是松下电池公司，不但开发了纯电动车用e v 型电池 组，还开发了供混合动力的h e v 型高功率型硼一n i 电池。其中h h r 6 5 0 d 型电 池就用在丰田公司于1 9 9 7 年1 2 月率先宣布的世界一次批量生产的e v p r i u s 混合动力电动轿车上。镍氢蓄电池存在的主要问题是自放电较高，高温性能 差，存在电池极化问题，成本较高且蓄电池的荷电水平不容易准确判定等。 但是，镍氢电池由于其无污染、安全和适合大电流充电等特性，被认为是目 前最适合用于h e v 的蓄电池。 2 1 3 混合动力电动车对蓄电池性能的要求 为了满足电动汽车的需要，实现电动化的汽车蓄电池必须具有高起动性， 大容量性能，免维护特性，高可靠性，高耐久性的特点。现有的电动汽车存 在加速性能差、一次充电行驶距离短等问题，限制了它的发展，因此电动车 的实用化的难点主要在于动力源一蓄电池。要使电动汽车能够实现大规模 生产使用，关键是开发出比能量高、比功率大、寿命长、成本低的蓄电池， 一般情况下，混合动力系统的动力电池进行的是频繁的浅度的充放电循环。 在充放电过程中，电压和电流可能有较大变化。针对这种使用情况，混合动 力电动车电池系统对电池提出了以下几方面的要求： 北方工业大学硕士学位论文 1 大功率充放电的能力。质量比功率和体积比功率是衡量电池快速放电 能力的指标，相对于能量要求，混合动力系统的电池对比功率要求更高，同 时混合动力系统在制动能量回收或低功率调峰时要求电池能够在较短时间内 接受大量的能量。目前高功率电池往往存在快速充电接受能力差的问题，提 高电池快速充电能力比提高电池的比功率更加紧迫和关键。 2 充放电效率。混合动力电动汽车内燃机发车的相当一部分能量须经历 充电到放电的能量循环。高的充电效率对整车的效率具有至关重要的作用。 3 使用寿命。混合动力电动汽车用电池的充放电频率远远高于纯电动 车，所以电池的循环寿命远高于纯电动车用电池。 4 电池容量。混合动力电动汽车的电池连续工作时间极短，对电池的容 量要求不高，电动汽车的电池s o c 要求保持在5 0 左右，上下波动一般不超 过2 0 ，即s o c 的工作范围大致为3 0 7 0 。这是因为，混合动力电动汽车要 求电池留有足够的的充电余量，以保证在车辆制动时充分吸收动能，并不致 引起电池过充而降低寿命甚至损坏，同时又要留有足够的放电余量，以保证 需要时向电机提供电力并不致使电池因放电过度而降低寿命或损坏。 动力电池组存在“木桶效应”，即电池组的性能是由电池组中性能最坏的 电池决定的。这种情况的出现主要是由于电池的不一致性和工作环境的不同， 解决的方法首先是电池在装车前进行匹配，其次在电动车运行过程中当发现 电池工作状态不正常时，采取相应的措施，例如充电或者更换，实现电池之 间的平衡。 2 1 4 混合动力电动车用电池的选择 目前，电动车市场各种蓄电池所占的份额：镍氢蓄电池为6 4 ，锂离子 电池为1 5 ，铅酸蓄电池为1 1 ，其他为1 0 。据上节所述，混合动力电动汽 车电池系统要求电池具有较高的比功率，快速充电接受能力强，循环寿命长， 可大电流充放电，电池容量s o c 保持在3 0 9 6 7 0 9 6 等。综合考虑这些因素，m h - n i 电池是唯一适合用于混合动力电动车上的动力源。 删一n i 电池具有高比能量、高比功率等特性，十分适合于混合动力车辆。 删一n i 蓄电池是一种绿色蓄电池，无污染、免维护、比能量大、比功率高、 1 3 北方工业大学硕士学位论文 高倍率充放电性能好，循环寿命长，满足混合动力蓄电池的性能要求。日本 的丰田公司、本田公司和美国的通用汽车公司、福特汽车公司等生产的混合 动力电动汽车所用的辅助动力系统均为删一n i 电池组( 均在第1 7 届国际电动 车研讨会上展出) 。因此大力发展h e v 用h i i n i 电池是有战略意义的。我国在 “8 6 3 ”电动车专项中也将删一n i 电池列为重点发展的蓄电池。 2 2 镍氢电池的基本工作原理 电化学电池是一种把化学反应所释放的能量直接变成低压直流电能的装 置。电池内部反应自发生并向电池外部用电设备输出电流的过程叫放电。反 之，向电池内部输入电能即用与放电电流方向相反的电流通过电池，这时电 池内部发生与放电反应相反的反应，这个过程称为充电“埘。 2 2 1 镍氢蓄电池结构及充放电反应 删一n i 电池由如下几部分组成：以氢氧化镍为主要活性物质的正极板； 以贮氢合金为主要活性物质的负极板；薄型无纺纤维布隔膜；碱性电解液( 一 般为氢氧化钾加一定量的氢氧化钠的水溶液) ；金属外壳；带有可重新密封 式安全阀的密封盖帽以及其它配件等。1