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1、第二章纯电动汽车 蓄电池电动汽车 BatteryElectricVehicles BEV 纯电动汽车 锂离子电池 锂离子电池工作原理图 充电时锂离子从氧化物正极晶格脱出 通过锂离子传导的有机电解液后迁移嵌入到碳负材料负极 负极处于富锂态 正极处于贫锂态 同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极 保证负极的电荷平衡 放电时则恰好相反 锂从碳材料中脱出回到氧化物正极中 正极处于富锂态 锂离子电池性能 与传统的化学电源体系相比 它具有以下优点 1 比能量高 锂离子电池的比能量可达到200Wh Kg和300Wh L 约为传统锌锰 铅酸和镍镉电池的6倍 2 工作温度范围宽 可在 200C 750C环境温度
2、下工作 3 贮存性能好 锂一次电池通常可贮存5 10年 锂二次电池的自放电一般小于15 一年 约为常规铅酸 镍镉电池的1 10 锂离子电池性能 4 电压高3 6伏 一般为3 0伏以上 且放电电压平稳 5 自放电小 循环使用寿命长 6 无记忆效应 目前 作为一种应用趋势 锂离子动力电池越来越多地在电动汽车上得到应用 我国锂离子动力电池在电动汽车上的应用已列入国家高技术研究发展计划 863 计划 和国家 十五 计划 锂离子电池的组成 锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池 正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成 正极一般采用锂化合物LiXCoO2 LiXNiO2或LiMn2O4 负极采用锂一碳层间
3、化合物LiXC6 电解质为LiPF6和LiAsF6等有机溶液 经Li十在正负电极间的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和放电过程 在充电时 Li十正极脱嵌经过电解质嵌入负极 负极处于富锂状态 正极处于贫锂状态 放电时刚好相反 锂离子电池的数学模型 锂离子电池建模的基础是如何确定锂离子电池的电动势 内阻的特性函数 这些特性函数的确定是基于电池荷电状态值SOC StateofCapacity 变化关系的结果上得到的 充电特性 锂离子电池的荷电状态值 锂离子动力电池的两个基本特性 1 电池的容量与放电电流有关 放电电流越大 则在该电流下所能放出的有效容量就越少 这种特性简称容量特性2 电池的工作电压与放电
4、的深度有关 放电电流及放电深度越大 电池的工作电压下降得越多 这种特性我们简称为电压特性 电池能量模型建立的基础是电池的等效电路图 电池的容量特性将直接影响电动汽车的有效续驶里程 而它的电压特性则直接影响电动汽车的动力性 两者相互关联 相互影响 构成了电池的放电特性 放电特性 实验发现 锂离子电池在放电终止电压2 7V的条件下 放电电流越大电池的极化越大 电池的放电容量越小 但电池的静态电压与电池的放电深度的关系是基本保持不变的状态 锂离子电池以大电流放电 大于2C 的情况下 电池的放电曲线出现了电压先降低后升的现象 实例 在25 下 单体电池以不同倍率恒流充电到4 2V后 转恒压充电 当充电
5、电流小于恒流充电电流的10 时停止充电 实例 从图1a可知 单体电池的充电曲线分为恒流充电和恒压充电两部分 随着充电电流的增加 单体电池恒流充电容量所占比例减少 恒压充电容量所占比例增加 随着充电倍率的提高 单体电池恒流充电过程中的电压上升速率加快 充电平台也升高 当充电倍率达7 0C时 基本看不到LiMn2O4的特征充电平台 这主要是因电池在高倍率充电下电化学极化增大造成的 实例 由图1b可见 单体电池在不同倍率下的放电曲线的形状基本相似 放电初期和接近结束时的电压下降较快 放电中期的电压变化较小 呈现出放电平台 单体电池的1 0C放电平台保持在3 85V左右 随着放电倍率的增加 电池的放电
6、平台随之下降 容量也随之减少 放电倍率增加到6 0C时 放电平台降低至3 57V左右 放电容量为1 0C容量的91 继续增加放电倍率到12 0C 放电平台保持在3 31V左右 放电容量接近1 0C容量的62 可用容量 电池容量 t 蓄电池放电时间 n Peukert常数 对于不同的电池取值不同 电池的可利用系数 电池荷电状态 电池的荷电状态值k简记作soc 也可用百分量来计量 锂电池内阻的数学模型 表示为以电池荷电状态值的函数 电池端电压的计算如下 缺点 1 锂离子电池在充电时正极中的锂离子溶出太多回不到原来的状态致使电池放电时锂离子不能填充到正极的通道 表现为电池充电充不进去造成永久性破坏
7、这样我们就必须采取措施限制充电电压的方式来控制锂离子的溶出量 2 锂离子电池放电放到终点时 内部物质就会发生质变 即负极上的石墨层中的锂离子全部脱落 下次充电时 没有锂离子的负极石墨层就不能保证回路通畅 所以要采取措施控制放电电压的大小 3 如果不慎使电池短路或者过大的冲放电电流会使电池内部温度过高而耗损能量 这样会缩短放电时间 所以要进行过电流保护 从以下三方面进行注意 1 锂离子电池具有较大的内阻 无法实现快速充电或者放电 高速率充电或放电将致使电池温度超过允许的范围 引发安全隐患 因此 要严格限制锂离子电池充放电速率 严格控制锂离子电池的工作温度 2 电池进入恒压充电阶段后 要严格控制电
8、池的充电电压 防止出现过压充电或欠压充电 3 放电过程中 要防止电池出现深度放电 当电池的端电压低于电池的放电终止电压时 要立即停止电池的放电工作 超级电容 由于电动汽车频繁启动和停车 使得蓄电池的放电过程变化很大 在正常行驶时 电动汽车从蓄电池中吸取的平均功率相当低 而加速和爬坡时的峰值功率又相当高 一辆高性能的电动汽车的峰值功率与平均功率之比可达到16 1 用于加速和爬坡时所消耗的能量占到总能耗的2 3 在现有的电池技术条件下 蓄电池必须在比能量和比功率以及比功率和循环寿命之间做出平衡 而难以在一套能源系统上同时追求高比能量 高比功率和长寿命 为了解决电动汽车续驶里程与加速爬坡性能之间的矛
9、盾 可以考虑采用两套能源系统 其中由主能源提供最佳的续驶里程 而由辅助能源在加速和爬坡时提供短时的辅助动力 辅助能源系统的能量可以直接取自主能源 也可以在电动汽车刹车或下坡时回收可再生的动能 选用超级电容作辅助能源已引起广泛关注 超级电容的特点 在近期内 超级电容极低的比能量使得它不可能单独用作电动汽车能量源 但使用超级电容作辅助能量源具有显著优点 在电动汽车上使用的最佳组合为电池 超级电容混合能量系统 从而使得电动汽车对电池的比能量和比功率要求分离开来 电池设计可以集中于对比能量和循环寿命要求的考虑 而不必过多地考虑比功率问题 由于超级电容的负载均衡作用 电池的放电电流得到减少从而使电池的可
10、利用能量 使用寿命得到显著提高 而且与电池相比 超级电容可以迅速高效地吸收电动汽车制动产生的再生动能 由于超级电容的载荷均衡和能量回收作用 车辆的续驶里程得到极大地提高 但该系统应对电池 超级电容 电动机和功率逆变器等作综合控制和优化匹配 功率变换器及其控制器的设计应充分考虑到电动机和超级电容之间的匹配 超高速飞轮 超高速飞轮是实现电动汽车储能要求的一种有效方式 它具有高比能量 高比功率 长循环寿命 高能量效率 能快速充电 免维护和良好的性能价格比等优点 在混合储能系统中 若飞轮用作辅助能量源 则飞轮在车辆匀速行驶和再生制动时以机械形式实施充电储能而在车辆启动 加速或爬坡时进行发电并输出峰值功率 除了可以做主能源的负载均衡装置之外 超高速飞轮也可单独用作电动汽车的能量源 超高速飞轮问题 与固定储能装置不同 超高速飞轮用作电动汽车的储能装置面临两大问题 首先 当车辆转弯或产生颠簸偏离直线行驶时 飞轮将会产生陀螺力矩 陀螺力矩将严重影响车辆的操纵性能 其次 若飞轮出现故障 以机械能形式存储在飞轮中的能量就会在短时间内释放出来 相应地 产生的大功率输出将对车辆会产生巨大破坏 作业 1动力电池的发展状态ysbycwl
