电动汽车的车载能量.ppt

第 六 章 电动汽车的车载能量源系统,现代电动汽车技术,主要内容,动力电池的种类及原理 铅酸蓄电池电动汽车动力电池的性能蓄电池的工作特性其它常用蓄电池超级电容超高速飞轮,电动汽车能量源,动力电池,燃料电池,超级电容,超高速飞轮,主要任务是提供驱动电能,能量存储系统,能量生成装置,1、动力电池的种类及原理,1.1 动力电池分类,根据容量的大小和输出功率的能力，动力电池可以分为能量型、功率型、能量/功率兼顾型动力电池。,（1）能量型动力电池,具有比较大的容量，能够提供比较持久的能源供给。通常用于纯电动汽车、中度和重度混合动力汽车。这种电池总能量在整车能源配置中占有较大的比列，常常超过10kW.h。,（2）功率型动力电池,容量通常比较小，可以提供瞬间大功率供电。主要用于电动工具、轻度混合动力电动汽车。在电动汽车中主要用于吸收制动回馈的能量，同时为车辆起动、加速工况提供瞬间的额外能量。,（3）能量/功率兼顾型动力电池,能量密度高，同时在SOC低时提供大功率的能力，在SOC高时能接受大功率，即要求电池具有高能量、大功率兼顾的特性。主要用于插电式混合动力汽车。,2、不同电动汽车电池的工作要求,1）电池要有足够的能量和容量。2）电池要能够实现深度放电而不影响其寿命，在必要时能实现满负荷甚至全负荷放电。3）需要安装电池管理系统和热管理系统，以显示电池组的剩余电量和实现温度控制。4）由于动力电池组体积和质量大，电池箱的设计、电池的空间布置和安装问题都需要认真研究。,（1）纯电动汽车电池的工作要求,（2）混合动力汽车对电池的工作要求,1）电池的峰值功率要大，能短时大功率充放电。2）循环寿命要长，达到1000次以上的深度放电循环和40万次以上的浅度放电循环。3）电池的SOC应尽可能保持在50%85%的范围内。4）需要配备电池管理系统和热管理系统。,2、铅蓄电池,2.1分类：,牵引电池（动力电池）和起动电池。,密封电池、开口电池、胶体电池。,按蓄电池的使用方向可分为：,按电池的物理结构可分为：,（1）开口电池,（2）密封电池,（3）胶体电池,胶体电池属于铅酸蓄电池的一种发展分类，最简单的做法，是在硫酸中添加胶凝剂，使硫酸电液变为胶态。,电液呈胶态的电池通常称之为胶体电池。,1、比功率要比常规铅酸电池大 20%以上；,特点：,不足：技术不够成熟、成本较高。,2、寿命一般也比常规铅酸电池长一倍左右；,3、高温及低温特性要好得多。,2.2 铅蓄电池的结构,1）电池的化学表达式,电池式：,（）负极材料|电解质|正极材料（）,如：,（）Zn|H2SO4|MnO2（）,（）Pb|H2SO4|PbO2（）,2.3 铅蓄电池的工作原理,2）蓄电池的化学反应式,（1）铅酸蓄电池放电反应：,铅酸蓄电池,放电反应：,充电反应：,蓄电池的放电过程,（2）铅酸蓄电池充电反应：,蓄电池的充电过程,2.4 铅蓄电池的特点,1）单体电压高，为2.0V。2）价格低廉。3）可制成小至1A.h大至几千安时的各种尺寸和结构的蓄电池。4）高倍率放电性能好，可用于车辆起动。5）高低温性能良好，可在-40C60C条件下工作。6）电能效率高达60%。7）易于浮充使用，没有“记忆”效应。8）易于确定荷电状态。,优点,缺点,1）比能量低，在电动汽车中所占的质量和体积较大，一次充电行驶里程短。2）使用寿命短，使用成本高。3）充电时间长。4）铅是重金属，存在污染。,3、电动汽车动力电池的性能,电池的容量是指充满电的电池在指定条件下放电到终止电压时输出的电量，单位：A.h。,电池的放电率、放电形式、终止电压和温度称为电池的放电制度。放电制度根据电池的使用情况而定。,电池容量可分为：理论容量、i小时率放电容量、额定容量、实际容量和剩余容量。,3.1 动力电池的性能参数,1）电池的放电制度,2）电池的容量,理论容量是假定电池中的活性物质全部参加成流反应，根据法拉第定律计算所能给出的电量。理论容量是电池容量的最大极限值。实际上，电池放出的容量只是理论容量的一部分。,i小时率放电容量是在恒流放电条件下，正好用i小时把充满电的电池放电到终止电压时能够放出的电量，通常用Ci表示。起动电池用C20表示，牵引电池用C5表示，电动汽车用电池用C3表示。,额定容量是指在规定条件下电池应放出的电量。额定容量是制造厂标明的安时容量，作为验收电池质量的重要技术指标。实际容量是指充满电的电池在一定条件下所能输出的电量，它等于放电电流和放电时间的乘积。剩余容量是指经过使用后，在指定的放电率和温度状态下可以从电池中放出的电量。,质量能量密度：电池单位质量所能输出的电能。W.h/kg体积能量密度：电池单位体积所能输出的电能。W.h/L,电池的能量是指在标准规定的放电制度下，电池所输出的电能，单位：W.h或kW.h。,3）电池的能量,4）能量密度,电池的荷电状态（SOC）描述电池剩余容量占额定容量的百分比。,电池的功率是指在一定的放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位：W或kW。单位质量的电池输出的功率为质量功率密度。W/kg单位体积的电池输出的功率为体积功率密度。W/L,5）电池的功率和功率密度,6）电池的荷电状态,7）蓄电池的放电深度（DOD）,即电池已经放出的电量与电池额定容量的比值。,(Depth of discharge),8）电池的循环使用寿命,以电池充电一次和放电一次为一个循环，按一定的测试标准，当电池容量降到某一规定值以前，电池经历的充放电循环的总次数。,9）抗滥用能力,电池对短路、过充电、过放电、机械振动、撞击、挤压以及遭受高温和着火等非正常使用情况的容忍程度。,4、蓄电池的工作特性,即蓄电池放电时的电压时间曲线。,4.1 蓄电池的放电特性,4.2 蓄电池的充电特性,蓄电池在充电时外特性，即充电时的电压时间曲线。,4.3 电动势,电池两极的电动势是根据电池反应通过热力学方法进行计算的理论值；开路电压是根据电池两极间电位差进行测定的实际测量值。,常用蓄电池的电动势、开路电压,4.4 蓄电池的内阻,电池内阻是电流通过电池内部时所受到的阻力。电池内阻包括欧姆电阻和极化电阻两种。,欧姆电阻：是电池内部本身固有的电阻，与电池内部组成有关；,极化电阻：是由于电流通过时产生的，与通过的电流强度有关。因此电池的内阻有时也称为电池的全电阻。,（1）定义,（2）内阻的测量,电池内阻可表示为开路电压与放电电压之差除以电流的商。,即,4.5蓄电池的放电电压,蓄电池的放电电压可用开路电压、放电电流和内阻表示：,4.6 蓄电池放电电流对电池容量的影响,蓄电池容量与放电电流的关系,4.7 温度对蓄电池容量的影响,4.8 自放电对电池容量的影响,4.9 极化现象,当电池充电或者放电时，正负极板和电解液的平衡状态遭到破坏，正负极之间的工作电压U偏离其电动势，这种现象叫做极化现象。,（1）欧姆极化,欧姆极化也称为纯电阻压降，是由极板电阻、隔板电阻、电解液电阻、桩头、连接条、汇流排以及它们的接触面电阻构成，所产生的电压降也称为内阻压降。,电池单体SOC-开路电压曲线,电池单体充放电全内阻曲线,（2）浓差极化,无电流通过时，蓄电池正负极的平衡电位是根据电解液内的离子浓度确定的。有电流通过时，由于发生电极反应，电极表面液层中的浓度发生变化，使得电极电位和平衡电极电位之间存在着一定的差距，这种电极电位的偏移称为浓差极化。,解决蓄电池浓差极化最有效的方法是促进电解液的流动。,（3）电化学极化,5、其它常用蓄电池,5.1 镉镍电池,应用广，其比能量可达55Wh/kg，比功率超过190W/kg。,特点：,1、快速充电快，循环使用寿命长。,2、购置成本高、使用成本低,注意：重金属镉造成环境污染,电池式：,（）Cd|KOH|NiOOH（）,放电反应：,充电反应：,5.2 镍氢电池,是一种取代镍镉蓄电池的产品。,NI-MH电池正极活性物质为氢氧化镍，负极活性物质为贮氢合金，电解液为氢氧化钾溶液。,1、不含镉、铜，不存在重金属污染问题。,特点：,2、比能量高。,电动汽车发展中期目标的主要能源之一。,5.3钠硫电池,5.4 锌空气电池,5.6 锂电池,根据电解质的不同,分为,锂聚合物电池PLB(Polymer lithium-ion battery),锂离子电池L IB(Lithium-ion battery),5.5 镍锌电池,1)锂离子电池,优点：,工作电压高，比能量高，循环寿命长，自放电率低，无记忆性，对环境无污染，能够制造成任意形状。,成本高，必须有特殊的保护电路，以防止过充电。,缺点：,2)锂聚合物电池,具有液态锂离子电池优良性能，聚合物锂离子电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点，也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题。,解决了液态锂离子电池的安全性问题，生产成本也较低。,优点：,缺点：,比功率差，快速充电性能差，制造工艺更复杂，要求更高，仍为实验室产品，目前除了寿命和价格外，其它性能可接近或达到USABC的商业化目标。,5.7 钠氯化镍电池（Na/NiCl2）,电池单体的额定电压2.5V。,NaNiCl2 电池也称为Zebra 电池,是1978 年南非ZebraPower System 公司的J.Coetzer 发明的。,比能量超过100Wh/kg,无自放电效应,耐过充、过放电,可快速充电(30 min50%SOC),安全可靠,但是工作温度高(250350),而且内阻与工作温度、电流和充电状态SOC 有关,因此需要有加热和冷却管理系统。,由美国能源部、电能研究所、福特、通用、克莱斯勒公司以及电池生产厂商联合成立的美国先进电池联合会（USABC），制定了电动汽车用蓄电池的中、长期性能指标。,蓄电池技术发展历史,1859年法国科学家普兰特发明了世界上第一只可充电电池铅酸电池；18891901年瑞典的扬格纳和美国的爱迪生先后研制成功镍铁电池和镍镉电池；20世纪80年代镍氢电池问世；20世纪90年代锂离子电池出现；目前，在电动车辆上普遍使用的电池有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。,蓄电池技术存在问题,能量密度低：铅酸电池3540Wh/kg、锂离子电池150Wh/kg、汽油1000012000 Wh/kg;快速充电接受能力差，充电时间长；电池价格昂贵：铅酸电池800.00RMB/12*85Ah,锂离子电池1200.00RMB/3.6*100Ah;汽车附件的使用受到限制；难于兼顾功率密度和能量密度。,6、超级电容,由于电动汽车频繁起动和停车，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161。事实上，电动汽车行驶中，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作出平衡，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。,超级电容是近几年才批量生产的一种无源器件，介于电池与普通电容之间，具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子（而不依靠化学反应）释放电流，从而为设备提供电源。,6.1 什么是超级电容,6.3 超级电容与传统电容的不同,电容是以将电荷分隔开来的方式储存能量的，储存电荷的面积越大，电荷被隔离的距离越小，电容越大。传统电容是从平板状导电材料得到其储存电荷面积的，只有将一很长材料缠绕起来才能获得大的面积，从而获得大的电容。另外传统电容是用塑料薄膜、纸张或陶瓷等将电荷板隔开。这类绝缘材料的厚度不可能做得非常簿。超级电容是从多孔碳基电极材料得到其储存电荷面积的，这种材料的多孔结构使它每克重量的表面积可达2000平方米。而超级电容中电荷分隔的距离是由电解质中的离子大小决定的，其值小于10埃。巨大的表面积加上电荷之间非常小的距离，使得超级电容有很大的电容。一个超级电容单元的电容值，可以从一法拉至几千法拉。,6.3 超级电容的特性,体积小，容量大，电容量比同体积电解电容容量大3040倍充电速度快，10秒内达到额定容量的95%充放电能力强失效开路，过电压不击穿，安全可靠超长寿命，可长达40万小时以上充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，真正免维护电压类型：容量范围：0.1F-1000F,6.4 超级电容&电池的比较,超低串联等效电阻（LOW ESR），功率密度(Power Density)是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电，（一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上）超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆效应，免维护，可密封温度范围宽-40+70，一般电池是-2060,6.5 两类超级电容器,启动型超级电容器：即轻型的超级电容器，可以输出几秒到几十秒的瞬间大电流，承担设备启动所需要的大功率电能，常用于各类电动汽车和重型机械设备中，单体容量50F以上，50000F以下，可几个到几百个串联使用，组件电压从12VDC直到700VDC以上。牵引型超级电容器：即重型的超级电容器，可以连续几分钟到几十分钟输出较高强度的电流，在许多场合可以替代传统的蓄电池承担设备驱动所需的电能供应工作，常用于各类电动汽车、机械设备、太阳能系统和电子电器中，单体容量最高可达到100000F以上，可以几个到几百个串并联使用，组件电压从12VDC直到800VDC以上。,6.6 超级电容的应用,作为固定线路电动汽车的主电源，提供短途行驶所需要的能量；作为燃料电池电动车的辅助动力电源，与燃料电池主电源形成混合动力，提供瞬间大功率（启动、爬坡、加速时）并回收刹车能量，起到重要的功率平衡作用；作为车辆、机械、船舶等设备中燃油发动机的辅助电源，形成油电混合动力，大幅度降低燃油的消耗、提高发动机峰值功率并减少有害气体排放；作为电池型电动工具的主电源，提供短时驱动的能量；作为太阳能、风能发电系统中的永久性蓄能装置；作为电站直流操作电源、高压环网功率补偿电源等；在电子电器（汽车音响、仪器仪表、家用电器、手机、电脑、数码相机）中作为备用电池或主电池。,一次电源(主电源)的大小可满足车辆连续平均功率的要求来选择，超级电容与一次电源并联使用。超级电容与一次电源组合在一起应用，主电源的体积、容量、重量、成本都得到降低，也使电池寿命延长。超级电容用来对付起步、加速等尖峰功率的要求，当车辆制动时超级电容吸收制动能量，有利于提高能量利用效率。在车辆中使用超级电容还可改善安全气囊发火、座位安全带系紧、电动门锁门窗以及要求快速响应道路情况的动力悬架等的性能。,6.7 超级电容在电动车辆中的使用,超级电容器也属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离，两块极板之间为真空（相对介电常数为1）或一层介电物质（相对介电常数为）所隔离，电容值为：C=A/3.6 d 10-6(F)其中A为极板面积，d为介质厚度所储存的能量为：E=1/2 C（V）2,6.8 超级电容技术原理,其中C为电容值，V为极板间的电压降。可见，若想获得较大的电容量、储存更多的能量，必须增大面积A或减少介质厚度d。双电层电容器中，采用活性炭材料制作成多孔电极，同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层，相当于两个电容器串联，如图所示：,6.9 超级电容器的优缺点,优点：在很小的体积下达到法拉级的电容量；无须特别的充电电路和控制放电电路；和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题缺点：如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路。,7、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。除了可以作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。,7.1 超高速飞轮的特点,超高速飞轮主要具有以下特点：比能量高、比功率高、电能和机械能之间的转化效率高，成为远期储能装置的一种选择。首先，减弱了对电池比能量和比功率之间的要求，有利于优化电池的比能量密度和循环寿命设计；其次，由于飞轮的负载均衡作用，降低了电池的输出功率以及放电电流，电池的可利用能量、使用寿命得到了提高；最后，在车辆低功率行驶以及再生制动时，飞轮可以高效率地实现补充充电。由于负载均衡装置和主能源之间的协调工作和再生制动时的能量回收，车辆的续驶里程明显提高。,超高速飞轮还可以像蓄电池和燃料电池一样，作为独立的能源系统向电动汽车供电，并有可能成为电动汽车应用的远期目标。飞轮有望具有比其他任何电池都高的比能量和比功率，甚至有可能超过内燃机，另外，飞轮的使用寿命不受限制（至少高于车辆寿命）解决了其他能量源存在的使用寿命有限的问题。,7.2 超高速飞轮的设计,发展能够应用于电动汽车的超高速飞轮，其主要技术包括：能够承受超高速运行的高效双向转换的电机和功率变换器高强度飞轮；能够将电能和机械能进行。与传统质量飞轮不同的是，超高速飞轮重量轻而转速极高，下面从飞轮所储存的能量E的计算公式出发进行分析：式中 J 为转动惯量；为飞轮转速。由上式可见，飞轮的机械储能量与转动惯量成正比，而与转速的平方成正比。提高飞轮转速所增加的储能量完全可以弥补由于飞轮转动惯量降低相同的倍数引起的储能量的降低。,飞轮材料,虽然飞轮转速越高，储能量越大，但受飞轮转子材料抗张强度的限制，飞轮转速不能无限提高。由于作用在飞轮上的最大应力与飞轮的几何形状、比密度和工作转速有关，最佳设计是选用/比值高的材料作飞轮转子，这是由于飞轮的理论比能量与该比值成正比。右表罗列了一些可用作超高速飞轮转子的复合材料的特性参数。,7.3 超高速飞轮用作电动汽车的储能装置面临两大问题,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；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，相应的，产生的大功率输出将对车辆会产生巨大破坏。比如，若1kWh 的飞轮失效，在15 s内将产生7203600 kW的功率输出，因此故障抑制一直是超高速飞轮用于电动汽车面临的巨大障碍。,减小陀螺力矩的一个简单措施是使用多个小型飞轮，并把它们连接成组，一半以顺时针旋转，另一半以逆时针旋转，理论上，作用在电动汽车上的总陀螺力矩为零。但实际上，这些飞轮的分布排列以及协调工作还存在许多问题。另外，这些飞轮总的比能量和比功率可能会小于单个飞轮的比能量和比功率。目前，已经出现了一种新型的故障抑制措施，该措施采用增大飞轮转子边缘的厚度，而不是按照等应力设计原则减小飞轮的边缘厚度，当飞轮转子出现故障时，转子边缘较厚的部分就会首先脱落，起到保险丝的作用。,7.4 超高速飞轮综述,基于目前的技术现状，整体式超高速飞轮系统可达到10150 Wh/kg的比能量和 210 kW/kg的比功率。LLNL开发的超高速飞轮（转子直径20cm，高30cm）最高转速可达 60,000 rpm，储能1kWh 最大输出功率100 kW。飞轮电池进一步的发展集中在优化飞轮整体质量、体积和成本，并实现在电动汽车上的实用化。但由于存在上述提到的两大问题（陀螺力矩和故障抑制），超高速飞轮用于电动汽车还有很长的路要走。,谢谢大家！,每讲一帖,多见者博，多闻者智，拒谏者塞，专己者孤。,