第2章-混合動力汽車的電能儲存裝置.ppt

混合動力汽車第1頁 2 1概述 電能儲能裝置的種類 儲存能量 向外傳送能量和從外部吸收能量的裝置稱為儲能裝置 混合動力汽車的電能儲存裝置可以分為二次電池 超級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 超級電容器 又叫電化學電容器 是新型雙電層電容器 具有電容量大的特點飛輪電池 亦稱飛輪儲能器 利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)儲存和釋放電能的裝置 混合動力汽車第2頁 電能儲存裝置的主要性能指標 比能量 單位質(zhì)量的電能儲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 汽車用電能行駛的距離越長 能量密度 單位體積電能儲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 汽車的載重量和車內(nèi)空間越大 比功率 單位質(zhì)量電能儲存裝置所具有電能的功率 單位為W kg KW kg 比功率越大 汽車加速 爬坡性能越好 最高車速越高 功率密度 單位體積電能儲存裝置具有的電能功率W L KW L 密度越大 汽車的載重量和車內(nèi)空間越大 壽命 使用時間的長短 放電循環(huán)次數(shù)的多少 單位為年 小時或循環(huán)次數(shù) 充放電效率 充入 輸出電能儲存裝置的電能占充電 放電時消耗電能的百分比 SOC 荷電狀態(tài) 是指剩余容量與全荷電容量的比值 混合動力汽車第3頁 第2代EV用電池參數(shù)與USABC中 長期目標的對比表 混合動力汽車第4頁 2 2二次電池的基本概念 開路電壓 電池不放電處于斷路狀態(tài)時 電池兩極之間的電位差電池內(nèi)阻 電流流過電池內(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 電池放電時電池兩極之間的電位差 也叫端電壓 它受電池放電時規(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間 分為理論 實際和標稱容量 1 二次電池主要性能指標 混合動力汽車第5頁 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 它影響電動汽車的行駛距離 分為標稱能量和實際能量 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 制造電池所耗費的所有費用 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 以及容量達不到規(guī)范要求時電池使用失效 這時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間 包括電池的存放時間 使用周期是指電池可供重復使用的次數(shù) 2 2二次電池的基本概念 1 二次電池主要性能指標 混合動力汽車第6頁 2 HEV和EV對動力電池的要求 電動汽車對動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 相對穩(wěn)定性好 5 使用成本低 6 安全性好 7 循環(huán)壽命長 混合動力汽車第7頁 混合動力汽車第8頁 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 輸出功率等與汽車續(xù)駛里程 車速等有密切關(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 混合動力汽車第9頁 3 二次電池的輸出電流 功率和效率的關(guān)系 混合動力汽車第10頁 2 3鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池自1859年發(fā)明以來 其使用和發(fā)展已有100多年的歷史 廣泛用作內(nèi)燃機汽車的起動動力源 電動汽車用鉛酸蓄電池要用于給電動汽車提供動力 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汽車動力電源在比能量 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 不適合于電動轎車 但由于其價格低廉 國內(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)劃的車輛和作為起動機和電子電器設(shè)備的電源 1 概述 混合動力汽車第11頁 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道路車輛用鉛酸蓄電池分為免維護蓄電池和閥控密封式蓄電池兩類 2 型號電動道路車輛用蓄電池以 電 的漢語餅音 D 表示 閥控密封式鉛酸蓄電池以 M 表示 免維護鉛酸蓄電池以 W 表示 如6DM55 表示單體電池為6只 額定容量為55Ah的電動車輛用閥控密封式鉛酸 3 其他規(guī)定 外形 重量 額定容量 見書本P49頁 混合動力汽車第12頁 2 鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu) 4 免維護鉛酸蓄電池免維護鉛酸蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢 電解液的消耗量非常小 在使用壽命內(nèi)基本不需要補充蒸餾水 它具有耐震 耐高溫 體積小 自放電小的特點 使用壽命一般為普通鉛酸蓄電池的兩倍 一般有兩種 a 在購買時一次性加電解液以后使用中不需要添加補充液b 電池本身出廠時就已經(jīng)加好電解液并封死 用戶根本就不能加補充液 混合動力汽車第13頁 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 電池為密封結(jié)構(gòu) 不會漏酸 也不會排酸霧 電池蓋子上設(shè)有溢氣閥 也叫安全閥 該閥的作用是當電池內(nèi)部氣體量超過一定值 即當電池內(nèi)部氣壓升高到一定值時 溢氣閥自動打開 排出氣體 然后自動關(guān)閉 防止空氣進入電池內(nèi)部 混合動力汽車第14頁 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) 混合動力汽車第15頁 3 鉛酸蓄電池的工作原理 鉛酸蓄電池是酸性蓄電池 其化學反應(yīng)式為充電時 把鉛板分別和直流電源的正 負極相連 進行充電電解 陰極的還原反應(yīng)為 混合動力汽車第16頁 3 鉛酸蓄電池的工作原理 陽極的氧化反應(yīng)為充電時的總反應(yīng)為隨著電流的通過 在陰極上變成蓬松的金屬鉛 在陽極上變成黑褐色的二氧化鉛 溶液中有生成 由于是可逆的過程所以放電時的總反應(yīng) 混合動力汽車第17頁 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 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 此時確認蓄電池已完全充電 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 混合動力汽車第18頁 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 混合動力汽車第19頁 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 混合動力汽車第20頁 6鉛酸蓄電池的性能指標 FT7C HEVVRLABattery 混合動力汽車第21頁 7鉛酸蓄電池的不足 1 比能量低 在電動汽車中所占的質(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 充電時間長 4 鉛是重金屬 存在污染 鉛毒 酸霧 銻和砷 鎘 混合動力汽車第22頁 2 4鎳氫電池 鎳氫電池是90年代發(fā)展起來的一種新型電池 它的正極活性物質(zhì)主要由鎳制成 負極活性物質(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 無污染 被譽為 綠色電源 混合動力汽車第23頁 1鎳氫電池的發(fā)展動態(tài) 三洋電機株式會社生產(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 后來為本田Accord采用 美國的Cobasys公司開發(fā)了容量為12 60Ah的一系列高功率鎳氫電池 質(zhì)量比功率達到550 600W kg 體積比功率達到1200 1400W l 峰值比功率可達1000W kg 比能量在50 70Wh kg 使用溫度在60 時能量效率仍保持在80 90 充電功率也超過500W kg 混合動力汽車第24頁 1鎳氫電池的發(fā)展動態(tài) 德國Varta公司開發(fā)的超高功率鎳氫電池 HEV 10UHPcells 功率密度已達到1000W kg 但其比能量僅為40Wh kg 法國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)對應(yīng)的比功率為900W kg 體積比功率達2500W l 混合動力汽車第25頁 1鎳氫電池的發(fā)展動態(tài) 我國也有很多單位一直從事混合動力汽車用鎳氫電池的研究 90年代初 中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所長期從事鎳氫電池及相關(guān)材料的研究和開發(fā) 北京有色總院 中山電池公司 湖南神舟科技 春蘭集團 鞍山三普等單位均從不同角度做過大量積極有益的工作 取得了很大的進展 目前占世界民用電池市場的22 混合動力汽車第26頁 2鎳氫電池的特點與組成 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 負極 極板 隔板 電解液 混合動力汽車第28頁 3鎳氫電池的特點 1 比功率高 2 循環(huán)次數(shù)多 3 無污染 4 耐過充過放 5 無記憶效應(yīng) 6 使用溫度范圍寬 7 安全可靠 混合動力汽車第29頁 4鎳氫電池的工作原理 混合動力汽車第30頁 5鎳氫電池的充放電特性 通常電池在一定電流下進行充電和放電時都是使用曲線來表示電池的端電壓和溫度隨時間的變化 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 其放電倍率為0 2C 混合動力汽車第31頁 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 混合動力汽車第32頁 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 混合動力汽車第33頁 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 混合動力汽車第34頁 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 混合動力汽車第35頁 2 3 6鎳氫電池SOC估計 電池SOC的估計模型 混合動力汽車第36頁 1 電池SOC估計的神經(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輸入變量 輸出變量為電池的SOC值 2 3 6鎳氫電池SOC估計 混合動力汽車第37頁 2 卡爾曼濾波器的信號模型與輸出方程的確定 由SOC的定義可知 聯(lián)立上述三個方程得 2 3 6鎳氫電池SOC估計 混合動力汽車第38頁 令在等式兩邊對時間求導得令并考慮系統(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 為測量噪聲 2 3 6鎳氫電池SOC估計 混合動力汽車第39頁 對以上兩個方程進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 混合動力汽車第40頁 其中和可以在實驗中獲得 這樣就可以根據(jù)控制信號和測量輸出估計狀態(tài)變量 即電池的SOC值 2 3 6鎳氫電池SOC估計 混合動力汽車第41頁 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 無記憶效應(yīng) 無污染 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 混合動力汽車第42頁 2 4 1鋰離子電池的發(fā)展動態(tài) 2006年1月 江森控制在全球開始研發(fā)和制造用于混合動力和電動汽車的鋰離子電池 三洋電機2008年5月28日宣布 向德國大眾集團供應(yīng)混合動力汽車用鋰離子充電電池系統(tǒng) 我國在鋰離子電池方面的研究水平 有多項指標超過了USABC提出的長期目標所規(guī)定的指標 目前已經(jīng)把鋰離子電池作為電動汽車用動力電池的重要發(fā)展目標 混合動力汽車第43頁 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 混合動力汽車第44頁 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 負極 10 負極引線 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 混合動力汽車第45頁 我國自主開發(fā)的電動汽車用鋰離子電池 2 4 2鋰離子電池的分類與構(gòu)造 混合動力汽車第46頁 2 4 3鋰離子電池的特點 鋰離子電池有許多顯著特點 它的優(yōu)點主要表現(xiàn)為 1 工作電壓高 2 比能量高 3 循環(huán)壽命長 4 自放電率低 5 無記憶性 6 對環(huán)境無污染 7 能夠制造成任意形狀 混合動力汽車第47頁 2 4 3鋰離子電池的特點 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的價格高 但按單位瓦時的價格來計算 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 必須有特殊的保護電路 以防止過充 混合動力汽車第48頁 2 4 4鋰離子電池的工作原理 電池在充電時 鋰離子從正極材料的晶格中脫出 通過電解質(zhì)溶液和隔膜 嵌入到負極中 放電時 鋰離子從負極脫出 通過電解質(zhì)溶液和隔膜 嵌入到正極材料晶格中 在整個充放電過程中 鋰離子往返于正負極之間 混合動力汽車第49頁 2 4 4鋰離子電池的工作原理 鋰離子電池工作原理圖 混合動力汽車第50頁 2 4 4鋰離子電池的工作原理 正 負極的電化學反應(yīng)為總反應(yīng)為 混合動力汽車第51頁 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 電池溫度過高會損壞電池