混合動力電動汽車能量管理策略研究

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I 混合動力電動汽車能量管理策略研究 摘要： 隨著全 世界 石油資源的日益枯竭和 對 環(huán)境保護力度的 增加 ，迫使全球 的汽車工業(yè)開發(fā)新 能源的汽車 ， 而把 傳統(tǒng) 的 燃油汽車和純電動汽車 的 優(yōu)點 融入到新型汽車中成為當(dāng)今熱門 。 都認為只有這樣才是最適合當(dāng)今社會的混合 能源 汽車 ，混合動力汽車性能 的充分發(fā)揮 與 其 采用的能量管理策略 息息相關(guān) 。 所使用的能源不光要滿足汽車動力性能 ， 還要減少污染物的排放。因此，所使用的 策略應(yīng)當(dāng)根據(jù)系統(tǒng)的特性 和當(dāng) 時 實際 的運行工況 來實現(xiàn) 發(fā)動機 和 電機之間 最佳 的轉(zhuǎn)矩分配， 從而達到最優(yōu) 。 關(guān)鍵詞： 混合動力汽車 ； 能量管理系統(tǒng) ； 控制策略 of in to of s is s of of is is to to be on of to so as to 錄 摘要 .................................................................................................................................... I ........................................................................................................................... 錄 ................................................................................................................................. 緒論 ................................................................................................................................ 1 言 ............................................................................................................................. 1 合動力電動汽車發(fā)展概況 ..................................................................................... 1 文主要內(nèi)容 ............................................................................................................. 2 2 混合動力電動汽車能源分析 ....................................................................................... 4 學(xué)電池 ..................................................................................................................... 4 離子 電池 .............................................................................................................. 4 氫電池 ................................................................................................................ 10 酸電池 ................................................................................................................ 10 理電池 ................................................................................................................... 13 物電池 ................................................................................................................... 14 章小結(jié) ................................................................................................................... 15 3 混合動力電動汽車關(guān)鍵技術(shù) ..................................................................................... 16 動電動機及其控制技術(shù) ........................................................................................ 16 力電池及其管理系統(tǒng) ............................................................................................ 16 車能量管理控制系統(tǒng) ............................................................................................ 16 進控制技術(shù)的應(yīng)用 ............................................................................................... 17 4 混合動力電動汽車基本結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的控制策略 ................................................. 19 聯(lián)式混合動力電動汽車 ...................................................................................... 19 動模式 ................................................................................................................. 19 缺點 .................................................................................................................... 19 制策略 ................................................................................................................ 20 聯(lián)式混合動力電動汽車 ........................................................................................ 21 結(jié)構(gòu) ......................................................................................................................... 21 動模式 ................................................................................................................. 21 缺點 ..................................................................................................................... 21 制策略 ................................................................................................................ 22 聯(lián)式 的 電動汽車 .................................................................................................... 22 構(gòu) ....................................................................................................................... 23 制策略 ................................................................................................................. 23 5 總結(jié)和展望 .................................................................................................................. 25 參 考 文 獻 .............................................................................................................. 26 致 謝 .............................................................................................................................. 27 1 1 緒論 言 隨著全球資源的減少和環(huán)保努力的發(fā)展，低排放，低功耗的新型車輛電力系統(tǒng)是全球汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢。近年來，電動汽車不斷發(fā)展壯大的同時還有很多問題沒有解決。怎樣能夠更加有效利用電池的能源、延長電池的使用壽命和能源回收等問題成為電動汽車發(fā)展的阻力。而將傳統(tǒng)燃料車和純電動汽車的優(yōu)勢融合在一起的混合動力汽車則成為未來發(fā)展的方向。作為一種新的多能源汽車，怎樣有效的利用汽車能源管理系統(tǒng)對汽車進行能源管理是其發(fā)展的首要問題?；旌蟿恿ζ嚨男阅芘c能源管理戰(zhàn)略息息相關(guān)。因此，研究混合動力汽車的能源管理體系和控制策略是非常重要的。 電動汽車近些年來解決了能源危機和車輛的排放量的問題，并且開發(fā)了新型的清潔能源汽車。雖然目前電動汽車有兩個或者更多的能源來源，通過能源管理戰(zhàn)略來協(xié)調(diào)相互之間的運行，更多部件（如發(fā)動機，發(fā)電機，電機）和一種或多種能源轉(zhuǎn)換技術(shù)（如燃料，電池，飛輪）為一體，根據(jù)駕駛條件的不同來切換不同的運行模式，充分發(fā)揮內(nèi)燃機車和電動汽車的優(yōu)勢從而實現(xiàn)低排放，提高燃油經(jīng)濟性，但同時還要考慮到汽車的駕駛舒適性和車輛動力性能。作為車輛的關(guān)鍵性能，多能源管理戰(zhàn)略已成為全球汽車行業(yè)的研發(fā)重點 [1]。 合動力電動汽車發(fā)展概況 混合動力汽車是兩種或更多能源的汽車 [2]。具有比能量（單位質(zhì)量燃料能量）和比功率（單位質(zhì)量燃料功率）的優(yōu)點，顯著提高了常規(guī)內(nèi)燃機排放和燃油經(jīng)濟性能，使電動車輛行駛范圍大大增加 。 20 世紀 90 年代，世界汽車業(yè)巨頭 專注 于 純 電動汽車和混合動力汽車的發(fā)展，以掌握未來汽車的主動性 。 日本豐田汽車公司 首先 在 1997 年 12月將混合型汽車市場 在 日本 建立 ， 隨后在 2000年初開始 開拓 北美市場， 而 月產(chǎn)量從 剛開始的 1000 輛到 2000 輛 ， 到后來的 三年銷售量達 臺， 實現(xiàn)巨大突破到最后甚至出現(xiàn)了 產(chǎn)品供不應(yīng)求的情況， 各大 汽車廠商 為之 震驚。 然而 豐田，本田，日產(chǎn)等大公司都不甘心 落后 其他競爭對手 ，分別開發(fā)了自己的混合動力汽車， 并且 取得了顯 著 成效。1999年底，本田開始銷售“ 2 合摩托車）混合動力系統(tǒng)和無級變速器，是一款全新的跑車， 被 美國環(huán)保局 排 為2001年美國十大節(jié)能汽車排名第一，第二 則 是豐田汽車公司 研發(fā)的 普銳斯。 在歐洲， 許多 汽車制造商紛紛推出 了具有自己專利技術(shù)的 混合動力汽車。 其中法國 是 代表之一， 它的 價格可以與燃油車 進行 競爭 達到 國際先進水平。德國 的幾個 知名零部件公司也 都 與大型汽車公司 開始 合作開發(fā)。 90 年 代 來，美國政府 加強 與企業(yè)之間的技術(shù)合作，重點關(guān)注 了 混合動力電動汽車，由能源部 、 交通運輸部和國防部在內(nèi)的大量投 資 公司及有關(guān)部門 熱衷于 開展混合動力汽車 的 研究工作。 1993 年 美國總統(tǒng) 和 三 家 汽車公司總裁聯(lián)合 推 出了“新一代汽車合作伙伴計劃”， 目的是 開發(fā)新 型的 節(jié)能汽車。 如今 已經(jīng)開發(fā)出 的 各種形式的混合動力電動車在 集成 電源模塊等技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著成績。 隨著電池和電機技術(shù)的 不斷 成熟 、 電子控制元件的發(fā)展和成本的降低以及能源使用 效率 和 對 環(huán)境 的 影響等因素， 比 將進一步減少 ， 使用循環(huán)平均成本有可能低于汽油車。 我國政府也很重視 “技術(shù)研究”是國家科委“八五”科技 的重點攻關(guān)項目。 關(guān)于電動汽車技術(shù)研究在 1996 年 這個 項目通過 了 國家計委，教育委員會和機械部 的 驗收 ; 在關(guān)鍵技術(shù)，特別是 在對 混合動力電動汽車 研究中 ，許多科研單位也 對 了混合模式和控制策略 進行了 研究， 還對 參數(shù)匹配和性能預(yù)測研究 開展了準備工作?！熬盼濉逼陂g中國電動汽車三大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域（電池，電機，電子控制系統(tǒng)） 都已經(jīng) 實現(xiàn)突破?？萍疾繉⑵嚬I(yè)列為“ 十 五”國家重大科技攻關(guān)項目 。在 “十五”期間，國家投資 巨大來 支持電動汽車的前瞻性研究。國家科技“十五”計劃制定 的 目標 是 ：發(fā)展 能源管理系統(tǒng) 和 驅(qū)動控制等關(guān)鍵技術(shù)， 努力趕上 世界的 先進水平 ， 展 是 國家高科技研發(fā)計劃（ 863 計劃）的 主要 研究課題之一。專家認為，中國電動汽車的發(fā)展應(yīng) 將 傳統(tǒng)汽車 和 電動汽車轉(zhuǎn)型為混合動力汽車的歷史機遇為目前中國汽車發(fā)展的重點，首先要完成批量生產(chǎn) 再 實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)突破。 1998 年，清華大學(xué)和廈門金龍公司開發(fā)了混合動力電動公交車。廣華大學(xué)和廣州電動公司 合作 開發(fā)了混合動力公交車和公交車測試車輛 是串聯(lián)結(jié)構(gòu)， 仍處于初級轉(zhuǎn)換階段 ;東風(fēng)汽車公司承接“ 863”混合動力開發(fā)項目已經(jīng)完成，并已推出混合動力電動公交車 ， 車輛性能良好 ;得到 了 國家有關(guān)部門的支持。 文主要內(nèi)容 3 本文針對混合動力電動汽車的能源和管理系統(tǒng)進行分析，提出不同模式下的管理策略進行分析。 具體研究的內(nèi)容： 1） 介紹了電動汽車的能源類型，對其進行分析。 2） 對電動汽車幾種關(guān)鍵技術(shù)進行講解 3）對電動汽車幾種動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析并提出相應(yīng)的管理策略進行研究。 4 2 混合動力電動汽車能源分析 電池一般分為化學(xué)電池，物理電池和生物電池三大類，其中化學(xué)電池和物理電池已經(jīng) 開始廣泛使用 ，生物電池 則 被視為未來車載電池重要發(fā)展方向。 學(xué)電池 化學(xué)電池是指電化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)能的正，負活性物質(zhì) 的能量轉(zhuǎn)化的 一類能量裝置。 化學(xué)電池是電動汽車領(lǐng)域中最廣泛使用的，如鎳氫電池，鋰離子電池，鋰 離子電池，燃料電池等 都 屬于這一類。從結(jié)構(gòu) 上 來看，它可以 再次 分為 蓄 電池和燃料電池兩大類，我們目前看到絕大多數(shù)電動汽車都用 的是 驅(qū)動電池技術(shù) 。 離子 電池 “鋰電池”是 以 鋰金屬或鋰合金作為陽極材料，采用電解液的 電池 。鋰金屬電池最早由 . 出并研究。 20世紀 70年代時， M. S. 因為 鋰金屬的 十分 活潑， 所以在使用時要特別小心 。因此，鋰電池長時間沒有被 廣泛 應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，鋰電池已成為主流 [3]。 鋰離子電池一般采用鋰金屬 或其 氧化物作為陰極材料，石墨為陽極材料，采用非水電解質(zhì)電池 。 鋰離子電池 是 21 世紀發(fā)展的理想能源 。 a） 工作原理 ： 負極的主要材料為碳材料，正極的主要材料是含鋰化合物。在充放電過程中，鋰離子在正，負向之間往復(fù)嵌入脫嵌，被稱為“搖椅電池” 。 充電時，有很多 生通過電解液運動到負極。而具有層狀結(jié)構(gòu)的 碳為負極，嵌入碳層的孔中的離子越多充電能力越高。同樣，當(dāng)電池放電時，嵌入負極碳層中的鋰離子出來，并返回正極。鋰離子越高，放電量越高。 鋰離子電池由正，負和電解質(zhì)三部分組成。 電極材料是可嵌入（插入） /去嵌入（去插拔）的鋰離子。 正極反應(yīng)：放電 入，充電 離。 充電時： + 放電時： + 極材料：多采用石墨。最新研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。 負極反應(yīng)：放電時鋰離子分解，充電時鋰離子進入。 充電時： 6C → 5 放電時： 6C b） 循環(huán)壽命 ： 壽命周期，其實目前的電池的實際可用容量是因為其工廠額定容量，呈下降形勢。 影響鋰離子電池循環(huán)壽命的因素有很多，但其內(nèi)在根本原因或能量轉(zhuǎn)移中鋰離子的數(shù)量正在減少 [5]。應(yīng)該注意的是，電池中鋰的總量不會減少，但是“活化”的鋰離子較少，它們被監(jiān)禁在其他地方或在通道的活動被阻塞，不能自由地參與電荷循環(huán)和放電過程。 所以，只要我們明白這些應(yīng)該參與鋰離子的氧化還原反應(yīng)，去找出容量下降的機制，針對性地采取措施來延緩鋰電池容量的下降，延長鋰離子電池的循環(huán)壽命。 （ 1） 金屬鋰的沉 積 金屬鋰的沉積，一般發(fā)生在負極表面。由于 一些 原因，鋰離子在到負極表面 過程中 ，部分 的 鋰離子沒有進入負極 與 活性物質(zhì)形成穩(wěn)定的化合物，而是得 到 電子后沉在負極 的 表面 形成 金屬鋰， 而它 并不參與 之后的 的循環(huán)過程， 無法 導(dǎo)致容量下降。 像 這種，一般有幾種原因：截止電壓充電 ; 放大倍率 和 負 極 材料短缺。當(dāng)過充或負 極的 材料不足時 ， 負極 無法接受 從正極遷移的鋰離子，導(dǎo)致的沉積。放大倍率大 是 由于鋰離子在短時間內(nèi)達到負數(shù)過多 從而 造成堵塞和沉積。 金屬鋰沉積不僅會導(dǎo)致 壽命 的下降，嚴重 得話 會導(dǎo)致正負極短路，造成嚴重的安全隱患。要 想 解決這個問題， 不僅 需要合理的正負材料比例，同時 還要 限制鋰電池使用條件的使用，避免超出使用限制的情況。當(dāng)然，從放大性能出發(fā)，也可以提高循環(huán)壽命。 （ 2） 正極材料的分解 鋰金屬氧化物作為陰極材料，雖然具有足夠的穩(wěn)定性，但在長期使用的過程中， 還 會 有 分解， 產(chǎn)生了 一些電化學(xué)惰性物質(zhì)（如 ）和一些易燃氣體 ， 破壞 了 電極之間的電容平衡，造成不可逆轉(zhuǎn)的容量損失。 這種情況在過度充電的情況下特別明顯，有時甚至 會有 劇烈的分解和氣體釋放，不僅影響電池的容量，而且還會造成嚴重的安全隱患。 6 除嚴格限制電池充電截止電壓外，提高陰極材料的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，同時也降低了循環(huán)壽命的 可 行方法。 （ 3） 電極表面的 如 之 前所 描述的那樣 ， 把 碳為負極的鋰離子電池， 在 電解液在 剛開始循環(huán) 的時候會 在電極 的 表面形成一層固體 的 電解質(zhì)膜，不同的陽極材料 所形成的膜 將 會 不同。 電解質(zhì) 膜的形成消耗 了 電池中的鋰離子，膜 也變得不 穩(wěn)定，并且在循環(huán) 過程中 將繼續(xù)破裂，暴露 在外的 新的碳表面與電解質(zhì)反應(yīng)以形成新的膜。這樣將會 繼續(xù)造成鋰離子和電解質(zhì)的持續(xù)損失， 最后 導(dǎo)致電池容量降低。電解質(zhì) 膜具有一定的厚度 ， 雖然鋰離子可以滲透，但 電解質(zhì) 膜會引起部分擴散通道阻塞的負面不利于鋰離子在陽極材料中的擴散，這將導(dǎo)致電池 的能力下降。 圖 （ 4） 電解質(zhì)的影響 電解液中含有 許多具有 活性 的 金屬離子雜質(zhì)。 這些 雜質(zhì)的電位低于電池的正電位，容易在 表面進行 氧化 還原反應(yīng) ，活性物質(zhì) 被不斷地消耗從而引起自放電 反應(yīng) 。 電解液中 存在 一定量的水分，水會與電解液中的 生 反應(yīng)，生成 破壞 電解質(zhì) 膜，產(chǎn)生更多的 致 積，持續(xù)消耗活性鋰離子， 最終會 導(dǎo)致電池壽命周期 的 下降。 7 從上述分析 得出 ，電解液對鋰離子電池的循環(huán)壽命有非常重要的影響，選擇適當(dāng)?shù)碾娊庖?，將能夠顯著提高電池的循環(huán)壽命。 （ 5） 隔離膜阻塞或損壞 隔離膜的 作用 是將電池 的 正極 和負極 分開 來以 防止短路。電池循環(huán) 時 ，性能下降的 主要 原因 是膜漸漸干燥失去作用 。 這主要是由于隔膜本身的電化學(xué)穩(wěn)定性和機械性能的缺乏，以及隔離膜上的電解液在重復(fù)充電過程中滲透引起的劣化 ， 由于隔離膜干燥，電池歐姆電阻增大，導(dǎo)致充放電通道堵塞，充放電不完全 ， 電池容量不能恢復(fù)到初始狀態(tài)，大大降低了電池容量和使用壽命。 （ 6） 鋰離子電池有合理的使用條件和范圍，如充放電截止電壓，充放電倍率，工作溫度范圍，存儲溫度范圍等。但是在實際使用當(dāng)中，超出允許范圍的濫用情況非常普遍，長期的不合理使用，會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，造成電池機理的破壞，加速電池的老化，造成循環(huán)壽命的迅速下降，嚴重時，還會造成安全事故。 c） 鋰離子電池安全問題 ：其內(nèi)部原因電池內(nèi)部熱量失控，蓄熱，導(dǎo)致電池溫度持續(xù)上升，外部性能正在燃燒，爆炸等強烈的能量釋放現(xiàn)象 。 電池 是具有 高密度能量 的 ，存在不安全因素，能量密度越高，其能量釋放 產(chǎn)生 的影響越大，安全問題越明顯。汽油，天然氣，乙炔等高能承運人也有同樣的問題，年度安全事故無數(shù)。 不同的電化學(xué)系統(tǒng) 和 使用環(huán)境 對 鋰離子電池的安全程度有較大的影響。 作為蓄電池的儲能，在能量釋放過程中，當(dāng)電池的發(fā)熱量和蓄熱速率大于冷卻速率時，電池的內(nèi)部溫度會持續(xù)上升。鋰離子電池由高活性 的 陰極材料和有機電解質(zhì)組成，在熱條件下很容易發(fā)生 劇烈 的化學(xué) 反應(yīng) ， 產(chǎn)生對安全產(chǎn)生威脅 的副作用， 這種反應(yīng)會產(chǎn)生大量的熱，甚至 可能會 導(dǎo)致“熱失控” 。 這是 電池引起的風(fēng)險事故的主要原因 。 關(guān)于鋰離子電池的循環(huán)壽命 1） 分解，電解液放熱副反應(yīng) 8 固體電解質(zhì)膜在鋰離子電池的初始循環(huán)中真正形成，我們不希望 也 不希望完全不存在。 因為 的 合理存在，可以保護負極活性物質(zhì)，不與電解液反應(yīng)。 可是當(dāng)電池內(nèi)部溫度達到 130℃左右時， 就會分解，導(dǎo)致負極完全裸露，電解液在電極表面大量分解放熱，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度迅速升高。這是鋰 離子 電池內(nèi)部 產(chǎn)生的 第一個放熱副反應(yīng)，也是 引起 一連串熱失控問題的 原因 。 2） 電解質(zhì)的熱分解 由于電解液在負極側(cè)的反應(yīng)熱，電池內(nèi)部溫度持續(xù)上升，這導(dǎo)致電解液 溶劑進一步熱分解。 這個副反應(yīng) 釋放的熱量使得電池的溫度達到 大致在 130℃ ~250℃ 范圍之間， 并且 伴隨著大量的熱 的 產(chǎn)生，進一步 升高了 電池內(nèi)部的溫度。 3） 正極材料的熱分解 隨著電池內(nèi)部溫度 的 進一步 上升，電池內(nèi)部發(fā)生 分解 反應(yīng)并且 伴隨 有大量的熱 量 和氧 氣產(chǎn)生 。 不同的正極材料，由熱量產(chǎn)生的活性物質(zhì)的分解不同，氧含量的釋放也不同。 磷酸鐵鋰正極材料由于分解產(chǎn)生的熱量較少，因此在所有陰極材料中，熱穩(wěn)定性最突出。鎳鈷錳材料分解會 有 更多的熱量 產(chǎn)生 ， 并且 伴隨有 大量的氧氣釋放， 非常 容易發(fā)生燃燒或爆炸 這類事件 ， 因此 安全性相對較低。 4） 粘結(jié)劑與負極高活性物質(zhì)的反應(yīng) 負極 的 活性材料 合劑的反應(yīng) 發(fā)生 溫度 應(yīng)該 從 240℃開始，峰值 則會 出現(xiàn)在 290℃ 左右 ，反應(yīng)放熱 可以達到 達到 1500J / g。 從上面的分析可以 得出 ，鋰離子電池的熱 反應(yīng)的 失控，不是 一 瞬間完成，而是一個 循序 漸進的過程。這個過程一般是通過充電，放大倍數(shù)放大，短路，短路，振動，碰撞，跌落，沖擊等原因，導(dǎo)致電池內(nèi)短時間產(chǎn)生大量的熱量 ， 并繼續(xù)積累 ， 促進電池溫升。 9 一旦溫度上升到內(nèi)部鏈反應(yīng)（約 130℃）的閾值溫度，鋰離子電池將自發(fā)地產(chǎn)生一系列放熱副反應(yīng)，并進一步加劇電池內(nèi)的熱積聚和溫度升高 。當(dāng)溫度到內(nèi)部溶劑和可燃性氣體的燃點時， 容易發(fā)生 燃燒和爆炸等事故。 在使用鋰離子電池的過程中，沒有絕對的安全性，只有相對的安全性。我們應(yīng)該盡量避免濫用情況，降低危害事件發(fā)生的可能性。也可以從正負材料，電解質(zhì)，隔離膜等主要成分入手，選擇化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性材料，具有良好的阻燃性能，在內(nèi)外熱失控激勵下，減少內(nèi)部副作用的熱量，或具有較高的點火溫度，以避免發(fā)生熱失控現(xiàn)象。在電池結(jié)構(gòu)和外殼設(shè)計上面，要充分考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，達到足夠的機械強度，能承受外部應(yīng)力，確保不會發(fā)生內(nèi)部變形。另外，冷卻性能也需要集中考慮，如果能及時分配熱量，內(nèi)部溫度不會持續(xù)上升，不會發(fā)生熱失控。 圖 控反應(yīng) 我的鋰離子電池安全設(shè)計，簡單地將陰極材料的分解熱量來衡量鋰離子電池的安全性并不全面。從系統(tǒng)的角度講，磷酸鐵鋰電池不見得一定比三元材料的電池更安全，因為最終影響熱失控的因素很多，正極材料分解所產(chǎn)生的熱量僅僅是其中的一個因素。 鋰離子電池技術(shù)的先進性和在新興關(guān)鍵市場（電動汽車領(lǐng)域）的應(yīng)用，已激發(fā)全球范圍內(nèi)的研發(fā)熱潮，因此鋰離子電池勢必將在電動汽車和新能源領(lǐng)域占據(jù)重要位置。目前在電動汽車中，應(yīng)用更多的鋰離子電池是磷酸鐵鋰電池，其熱穩(wěn)定性和安全性更好，而價格相對便宜。 這些因素使磷酸鐵鋰電池成為小型電動車和 0 動力電池的首選。 但是，在鋰離子電池中，磷酸鋰電池的比能量，比功率等相對來說較低，鋰鈷氧化物和鋰錳電池在大型的純電動汽車的應(yīng)用中更具優(yōu)勢。 氫電池 鎳氫電池 是 目前除了鋰電池 以 外主流的另一種電動汽車電池，在上世紀 90 年代 開始 逐漸發(fā)展 。 工作原理： 電解質(zhì) 主要以 解質(zhì)為 7 5g/L 充電時 陽極反應(yīng)： H)2 + 極 反應(yīng)： M + 反 應(yīng)： M + H)2 → 電時 正極： H)2 + 極： M + 反應(yīng)： M + H)2 在上式中， 常用的儲氫合金是 而鋰 離子 電池，鎳氫電池也需要電池管理系統(tǒng)，但其更 加 側(cè)重于電池充放電管理。 存在這種區(qū)別 主要 因為 鎳氫電池具有“記憶效應(yīng)”，就是電池在充放電過程中容量會出現(xiàn)衰減，過充或放電，可能會增加電池容量損失 。 因此，對于 制造 商來說，鎳氫電池控制系統(tǒng)將主動避免過度充放電 。 鎳氫電池陰極采用金屬氫氧化鎳，陽極采用錫氫合金。鎳氫電池 相比于其他電池 具有許多無污染，比能量高，功率大，充放電快，耐久性等諸多優(yōu)點。 而 與鉛酸電池相比鎳氫電池 比能量更高。 和鎳鎘電池 相比 其比能量為鎳鎘電池的兩倍。另一大優(yōu)點是鎳氫電池不含鎘，鉛等有毒金屬，其中一 部分還 具有較高的 回收價值 ，可稱 志 為綠色能源。 酸電池 11 鉛酸電池 的 電極 是 鉛及其氧化物，電解液 是 硫酸溶液 。 鉛酸蓄電池放電狀態(tài) 時電池正極 的主要成分是 二氧化 鉛，鉛 是負極主要成分 。 在 充電狀態(tài) 時 主要成分正負極都 是硫酸鉛 [8]。 a） 鉛酸電池結(jié)構(gòu) 表 表 極中的電化學(xué)反應(yīng) 件 材料 作用 正極 正極為鉛 鈣合金欄板，內(nèi)含 氧化鉛 為活性物質(zhì) 保證足夠的容量 長時間使用中保持蓄電池容量，減小自放電 負極 負極為鉛 鈣合金欄板，內(nèi)含海綿狀纖維活性物質(zhì) 保證足夠的容量 長時間使用中保持蓄電池容量，減小自放電 隔板 先進的多微孔 板保持電解液，防止正極與負極短路。 防止正負極短路 保持電解液 防止活性物質(zhì)從電極表面脫落 電解液 在電池的電化學(xué)反應(yīng)中，硫酸作為 電解液 傳導(dǎo)離子 使電子能在電池正負極活性物質(zhì)間轉(zhuǎn)移 外殼和蓋子 在沒有特別說明下，外殼和蓋子為 脂 提供電池正負極組合欄板放置的空間 安全閥 材質(zhì)為具有優(yōu)質(zhì)耐酸和抗老化的合成橡膠。 電池內(nèi)壓高于正常壓力時釋放氣體，保持壓力正常 阻止 氧氣 進入 12 端子 根據(jù)電池的不同，正負極端子可為連接片、棒狀、螺柱或引出線。 密封端子有助于大電流放電和長的使用壽命 充電是連接到電池的外部直流電源充電，使能量可以轉(zhuǎn)化為化學(xué) 能 儲存。放電是從電池釋放以驅(qū)動外部設(shè)備的電源。 當(dāng)鉛酸電池充電到達頂點時，充電電流僅用于分解水中的電解液，此時，電池正極氧 氣 ，負氫氣，電池氣體溢出，導(dǎo)致電解液減少。 b）原理 將鉛酸電池（ 陰極（ 入電解液（稀硫酸）中，基于鉛酸電池的原理兩者之間將 會 產(chǎn)生 2壓 ，通過充放電，陽極和電解液將發(fā)生 如下 變化： 2 2 合價降低，負電荷 在電解液中 流動 ;合 價 上升 ，正電荷流動。 2 2 一硫酸鉛鉛 的化合價上升 ，被氧化，正電荷為正 。 第二鉛酸 中 鉛 化合價 較低，負電荷減少為負值。 1當(dāng) 電池 外部電路放電時，稀硫酸與陽極 接觸并開始 反應(yīng)，生成化合物硫酸鉛。通過釋放硫酸從電解液中釋放出來，放電時間越長，硫酸濃度越濃。消耗的組成和排放比例，只要測量電解質(zhì)中的硫酸濃度，測量其比重，就可以知道放電或剩余電量。 硫酸鉛生產(chǎn)的陰極板在充電時會分解成硫酸，鉛和二氧化鉛，電池電解液濃度逐漸升高 。 意思是 電解液的比重上升并 開始逐漸回到排出前的濃度。該變化表示電池中的活性物質(zhì)已被切換到能夠重新通電的狀態(tài)。當(dāng)硫酸鉛轉(zhuǎn)化為原來的活性物質(zhì)時電荷結(jié)束，陰極板 上發(fā)生反應(yīng) 產(chǎn)生氫，陽極板 產(chǎn)生 氧氣，充電到 了 最后階段 ， 電流幾乎 全都是 用于水電解，因此電解液會減少 很多 ，此時應(yīng) 往電解液中 加入純水。 c）使用壽命 （ 1）放電深度 13 放電深度是放電由始到終的程度。 100％深度指全部容量。設(shè)計考慮的重點是使用深，淺或浮沖使用。當(dāng)用于淺循環(huán)的電池用于深循環(huán)使用時，鉛酸電池即將失效。 （ 2）過充電程度 在過充電時大量的氣體析出，正極板的活性物質(zhì)受到氣動沖擊，導(dǎo)致活性物質(zhì)脫 落。 另外，正極柵格合金受到嚴重的陽極氧化和腐蝕，使電池縮短了使用期限。 （ 3）溫度的影響 鉛酸蓄電池的使用壽命隨溫度的上升而提高，每次升高 1℃，約多 5? 6個循環(huán)；35℃ ? 45℃，每升 1℃可延長壽命 25 個 ; 高于 50℃，由于負極固化能力 下降。使得壽命縮短。 在一定范圍內(nèi)的電池壽命隨溫度升高而延長，因為容量會隨著溫度的升高而加大。如果放電的容量不變，如果放電深度的升溫降低，固體壽命將會延長 . （ 4）硫酸濃度的影響 酸性密度的增加，雖然對正極板的容量有利，但同時電池自放電量也會增加，板柵腐蝕也會加快促進了二氧化鉛的釋放。所以說電池中使用酸密度增加，循環(huán)壽命將會下降。 （ 5）放電電流密度的影響 放電電流密度越大，電池的壽命越少。而在高電流密度和高酸濃度條件下使得二氧化鉛脫落壽命逐漸降低。 燃料電池不是真正意義的“電池”，而是一個大型發(fā)電系統(tǒng)。由于其具有轉(zhuǎn)換效率高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點被認為未來能源的重要發(fā)展方向。簡而言之，燃料電池是通過化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，能源主要取決于燃料和氧化劑的不斷供應(yīng)。 在理論上，燃料電池可以使用大量的燃料類型，甚至可以使用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機燃料，但是真正可以發(fā)揮電化學(xué)反應(yīng)，只有一種氫氣和氧化劑在氧氣中，因此，氫燃料電池是目前燃料電池研究的核心。 理電池 物理電池是依靠物理變化來提供電池蓄電，超級電容器，飛輪電池等屬于物理電池 。 14 物理電池特性： 1） 用物理方式儲存。 2） 可無限次充電且充電快速。以智慧型手機為例，其充電時間約 78秒。 3） 放電（使用）過程為物理現(xiàn)象不會產(chǎn)生熱。 4） 5小的晶片可儲存 10而質(zhì)量只有 5） 電壓范圍（ 00V）。 6） 充電電壓越高電力儲存量越高 E=1/2） 沒有記憶性的問題。 8） 沒有揮發(fā)性，不會漏電。 9） 使用壽命：可無限次數(shù)深度 (電和充電。 超級電容功率密度高但電池容量小 超級電容器是傳統(tǒng)電容器和電池組件之間的電源，主要依靠雙電層和氧化還原電容充電來存儲電力，在此期間沒有化學(xué)反應(yīng)，被歸類為物理電池類別。 與以前介紹的化學(xué)電池相比，超級電容器有三個明顯的優(yōu)勢，首先，其重復(fù)充放電幾十萬（傳統(tǒng)化學(xué)電池只有幾百到幾千次），使用壽命遠遠高于化學(xué)電池 ;二，超級電容器的充放電功率密度極高，瞬間可以釋放大量電力，滿足車輛更廣泛 的電力需求 ;三，工作環(huán)境更好適應(yīng)性，一般戶外溫度在 可穩(wěn)定正常工作（傳統(tǒng)電池一般為 ? 60℃）。當(dāng)然有優(yōu)勢還不足夠， 能量密度低 是限制超級電容器發(fā)展的主要瓶頸 。 所以現(xiàn)在主要應(yīng)用于汽車起動系統(tǒng)，軍用和少量公共交通工具，至于是否使用的家用電源， 還需繼續(xù)研究 。 飛輪電池是 20世紀 90年代提出的 一種新的電池 。 簡而言之， 飛輪是類似于能量產(chǎn)生的原理，旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)自己的充放電。 2010年 在 首次使用飛輪電池技術(shù)。這兩種型號的飛輪電池僅 作為 輔助能源使用 。 我們相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和 生產(chǎn)成本的進一步下降，飛輪電池的應(yīng)用前景 十分光明。 物電池 生物電池是將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能。生物能量代謝與氧化還原反應(yīng) 息息相關(guān) 。這些氧化還原反應(yīng)相互影響，相互依存，形成網(wǎng)絡(luò)， 從而進行 生物能量 的 代謝。 特點：與傳統(tǒng)化學(xué)電池相比 較 ，生物電池具有操作 和功能優(yōu)勢。 1）將底物直接轉(zhuǎn)換成電能，確保高能量轉(zhuǎn)換效率。 15 2）與現(xiàn)有的生物能源處理不同，生物電池可以在常溫常壓或甚至低溫環(huán)境條件下正常運行，并具有電池維護成本低，安全性強的優(yōu)點。 3）生物燃料電池產(chǎn)生的廢氣的主要成分是二氧化碳所以不需要處理。 4）具有生物相容性，可以直接植入人體內(nèi)。 5）在全國缺乏電力基礎(chǔ)設(shè)施的許多地區(qū)，生物燃料電池有更大的潛力需要被開發(fā)。 在今天化石燃料日益緊張，環(huán)境日益惡化，而生物燃料電池表現(xiàn)良好，為我們帶來光明的未來?，F(xiàn)實情況由于技術(shù)方面限制，生物電池的研究和使用仍處于初始階段。 為生物電池能夠更快地得到廣泛應(yīng)用，科學(xué)家們正在不斷努力 。 其前景非?？捎^，對混合動力電動汽車的發(fā)展具有推動作用，對解決環(huán)境和能源問題具有重要意義。 章小結(jié) 本章主要分析了 電動汽車的能源類型，對其中化學(xué)電池中的鋰離子電池，鉛酸電池，鎳氫電池的原理，使用壽命和影響因素進行仔細分析并對使用前景進行暢想。 16 3 混合動力電動汽車關(guān)鍵技術(shù) 動電動機及其控制技術(shù) 電動機的 研發(fā)主要集中在交流感應(yīng)電動機和永磁同步電動機。 在 高速均勻的行駛條件下，采用感應(yīng)電機驅(qū)動，經(jīng)常起動 ， 停機，低速運行的城市條件下，永磁同步電機驅(qū)動效率 高 ，控制技術(shù)包括大功率電子設(shè)備，轉(zhuǎn)換器，微處理器和電機控制算法。 驅(qū)動電機是電動汽車的關(guān)鍵部件，直接影響到車輛的動力和經(jīng)濟性。驅(qū)動電機主要包括直流電機和交流電機。目前，電動汽車廣泛 使用的是 交流電動機 。 電動機的發(fā)展趨勢如下： （ 1）電機體的永久磁化：具有高轉(zhuǎn)矩 、 高功率密度，高可靠性等特性的永磁電動機。中國 是 世界上稀土資源最豐富的國家，所以高性能永磁電機是中國汽車電機發(fā)展的重要方向。 （ 2）電機數(shù)字控制：出現(xiàn)專用芯片和數(shù)字信號處理器，促進電機的數(shù)字控制，提高電機系統(tǒng)的控制精度，有效降低系統(tǒng)尺寸。 （ 3）電機系統(tǒng)集成：通過 對 機電一體化和控制器 的 集成 可以減少占地面積，使用起來也更加方便相應(yīng)的成本也降低了。 力電池及其管理系統(tǒng) 混合動力汽車 電池的 性能直接影響驅(qū)動電機的性能 。 它用于激勵電動機并向動力系輸出峰值功率，另一個是吸收制動器的再生能量并將其儲存。再生 能量 對于提高混合動力汽車的整體效率非常重要 [11]。 車能量管理控制系統(tǒng) 17 圖 主要功能是進行整車功率控制和工作模式的切換控制 [12]。 根據(jù)駕駛員的操作，確定駕駛員的意圖，以滿足司機的需要 的前提之下，合理分配 電機，發(fā)動機，電池的等功率組件的功率輸出，利用最佳管理，使有限燃料發(fā)揮最大的作用。車輛在最大恢復(fù)制動時的動能如何能夠確保安全的制動距離和車輛穩(wěn)定性，這是再生制動恢復(fù)系統(tǒng)中難以解決的難題之一。 而 制動恢復(fù)系統(tǒng)和防抱死系統(tǒng)的 相互配合 可以完美的 解決這個問題。 進控制技術(shù)的應(yīng)用 隨著電子科技的發(fā)展和電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，越來越多的電子產(chǎn)品應(yīng)用到了汽車上音樂，車載電視的應(yīng)用使得人們可以在旅途之余可以放松身心，為旅途帶來許多歡樂。還有電子導(dǎo)航等等設(shè)備的安裝提升了汽車的各種性能會為帶來更多便利。新舊 控制技術(shù)的結(jié)合將使未來的 汽車的性能更加優(yōu)越 。 18 19 4 混合動力電動汽車基本結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的控制策略 國際電子技術(shù)委員會 (稱混合動力車輛的定義：“在特定的工作條件下，可以從兩種或兩種以上的能量存儲器、能量源或能量轉(zhuǎn)化器中獲取驅(qū)動 汽車的能量 。其中至少有一種存儲器或轉(zhuǎn)化器要安裝在汽車上?；旌蟿恿﹄妱悠囍辽儆幸环N能量存儲器、能量源或能量轉(zhuǎn)化器可以傳遞電能。串聯(lián)式只有一種能量轉(zhuǎn)化器可以提供驅(qū)動力，并聯(lián)式則不止一種能量轉(zhuǎn)化器提供驅(qū)動力 ”。 現(xiàn)在，大部分 是在傳統(tǒng)發(fā)動機車中添加高性能動力電池作為蓄電裝置，通過電 網(wǎng) 發(fā)電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能。根據(jù) 連接關(guān)系， 聯(lián)和混合 三種基本類型 。 聯(lián)式混合動力電動汽車 發(fā)動機，發(fā)電機，電池組，驅(qū)動電機和控制器 是構(gòu)成串聯(lián)式的主要部件。 發(fā)動機僅用于發(fā)電，發(fā)電機產(chǎn)生的電力供給電機，電機驅(qū)動車輛。發(fā)動機和發(fā)電機 則 被集成到作為輔助動力單元的系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)動機輸送的動力超過車輛所需時，該系統(tǒng)能夠擴展車輛的里程。 除此之外， 電池也可以 作為 單獨的電動機來提供電力來驅(qū)動汽車，使汽車處于零污染狀態(tài)。 動模式 把 發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生的電力和輸出功率， 全部 輸出到電機 中來 驅(qū)動 行駛。電機是唯一的驅(qū)動模式。只有電機直接連接到驅(qū)動軸（與純電動車相同），并且發(fā)動機直接連接到發(fā)電機以產(chǎn)生電能來驅(qū)動電動機或為電池充電。車輛運行時的驅(qū)動力由電動機輸出，電動機將存儲在電池中的電能轉(zhuǎn)換成 驅(qū)動 車輪 轉(zhuǎn)動 的機械能。當(dāng)電池的充電狀態(tài)（ 低到預(yù)定值時，發(fā)動機開始對電池充電。發(fā)動機和驅(qū)動系統(tǒng)不以將發(fā)動機所經(jīng)受的車輛的瞬態(tài)響應(yīng)最小化的方式機械連接在一起。瞬態(tài)響應(yīng)的減少允許發(fā)動機 在 最佳燃料噴射和點火控制 時執(zhí)行 ，以在最佳工作點附近 進行工作 。 缺點 串聯(lián)式的優(yōu)點： (1)發(fā)動機 可以可根據(jù)運行工況長時間保持 在 一個相對 穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。 20 （ 2） 從整體結(jié)構(gòu)上看，只有發(fā)電機一電動機的電力系統(tǒng)，其特點更加趨近于電動汽車。 缺點 ： （ 1）其各自功率的組裝大，形狀較大，質(zhì)量也較大，在中小型電動車布局上有一些困難 。 （ 2）在發(fā)動機中發(fā)電機電機驅(qū)動系統(tǒng)在能量轉(zhuǎn)換過程中的能量損失較大。 所以 ，發(fā)動機輸出的能量輸出低于內(nèi)燃機的能量輸出。 串聯(lián)混合動力系統(tǒng)更適用于大型客車，布局更 加適合在 復(fù)雜的道路和山路 條件下 運行。在城市高環(huán)境要求下，汽車起動和低速，可以將發(fā)動機關(guān)閉到純電狀態(tài)，使汽車滿足零排放要求。隨著電池技術(shù)的發(fā)展，存儲能源性能不斷提高，串聯(lián)混合動力汽車使用的發(fā)動機數(shù)量越來越少，最終達到純電動汽車的目標。 圖 制策略 由于串聯(lián)混合動力的發(fā)動機與車輛的行駛狀況沒有直接的關(guān)系 。 因此能源管理策略的主要目標是使發(fā)動機工作效率和排放面積最大 [13]。 除 此 之 外，為了優(yōu)化能量分配的總體效率，驅(qū)動系統(tǒng)，發(fā)動機，電動機和發(fā)電機的動力傳動系統(tǒng)應(yīng)共同考慮。串聯(lián)混合動力汽車一般采用恒溫策略，電力跟蹤策略，能源管理策略三大基本策略的基本規(guī)律。恒溫策略具有發(fā)動機效率高，排放低的優(yōu)點。缺點 ： 由于 頻繁 的進行充放電， 使得 發(fā)動機 產(chǎn)生 動態(tài)損耗 ， 造成 轉(zhuǎn)換效率 變 低。在整個車輛的功率要求下，發(fā)動機跟 據(jù) 功率跟蹤策略 。 發(fā)動機 負載再不斷上升過程中 ，發(fā)動機排放減少 但效率 21 也降低了 。 不僅 結(jié)合了 兩種 策略的優(yōu)勢。 又 根據(jù)發(fā)動機負荷特性圖，設(shè)定 了 高效率工作區(qū)域 。 動力電池 應(yīng)當(dāng) 根據(jù)動力電池的充放電特性進行設(shè)定狀態(tài)范圍并設(shè)定一套合理的 控制 策略 。 根據(jù)電力和 分發(fā)揮發(fā)動機和動力電池的高效率區(qū)域，實現(xiàn)最高的整體效率。 聯(lián)式混合動力電動汽車 構(gòu) 并聯(lián)混合動力汽車主要由發(fā)動機，發(fā)電機，電池組，電機控制器等組成 ， 串聯(lián)混合動力電動車是不同的，發(fā)動機和發(fā)電機以機械能疊加的方式驅(qū)動汽車，可以結(jié)合成不同的動力學(xué)模型。因此，采用低功率發(fā)動機和電 /發(fā)電機，使得整個動力系統(tǒng)的組裝尺寸，質(zhì)量都較小，成本較低，行駛時間也可以比串聯(lián)混合動力車更長，但布局結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜 ，形式的實現(xiàn)也是多樣化的，其特點更接近于內(nèi)燃機車。并聯(lián)混合動力系統(tǒng)通常用于小型混合動力電動車輛。 圖 動模式 在并聯(lián)混合動力驅(qū)動系統(tǒng)中，發(fā)動機和電動機通過扭矩耦合裝置直接連接到驅(qū)動軸上。 電動 機可用于平衡發(fā)動機的負載，使其能夠在高效率區(qū)域工作，因為發(fā)動機通常為滿載（中等速度），燃油經(jīng)濟性最好。當(dāng)車輛在較小的道路負荷下運行時，常規(guī)車輛發(fā)動機的燃料效率相對較差，并且現(xiàn)在可以關(guān)閉并聯(lián)混合動力車輛的發(fā)動機，并且僅使用電動機來驅(qū)動車輛或增加負載 的發(fā)動機使電機作為發(fā)電機，將電池充電以供以后使用（即在駕駛汽車的同時進行充電）。由于平 衡條件下 發(fā)動機下穩(wěn)定的高速駕駛具有較高的效率，因此在高速公路上駕駛具有較好的燃油經(jīng)濟性。 缺點 22 優(yōu)點：（ 1）提高了能量的利用率。（ 2）由于電機輔助驅(qū)動，發(fā)動機功率參數(shù)選擇可適當(dāng)減少。