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动力电池研究

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摘要

摘要:能源短缺和环境污染是现今世界汽车工业发展面临的两大挑战,因此开展新能源汽车的研究已经刻不容缓。混合动力汽车较传统车而言,兼具内燃机车的特点又吸收了电动车的优势,在有效提高经济性和降低排放方面有很宽广的应用前景。作为混合动力汽车的关键部件,动力电池对整车动力性、经济性和安全性具有重大影响。

电动汽车动力电池系统的研究总体上可以分为电池组本身的机械系统集成和电池管理系统的研究。

为了满足混合动力汽车上的能量需求,车用电池组通常都是由几十个甚至上百个单体电池串联起来为电动汽车提供能量。由于生产工艺水平的制约,单体电池之间的性能在生产时就存在一定的差异性。而实际使用中连续的充放电循环导致的单体电池的差异,将使某些单体电池电量加速衰减。而电池组的实际可用电量是由单体电池的最小剩余电量决定的,因此这些差异将使电池组的可使用电量减少,甚至缩短电池的使用寿命。目前电池组在使用前的匹配要求较高,能减少一些不均衡性的影响,但是仍不能根本解决均衡性的问题。

本文阐述了动力电池的发展趋势,以及镍氢、镍镉、铅酸、锂离子、燃料电池的充放电特性分析,其中锂离子在今后动力电池发展领域将会产生领先于其它电池的优势。本文将采用锂离子电池展开研究,分析与比较集中电池衡与分散均衡的两种方法的均衡力度与效果。

关键词:动力电池,电池管理系统,电池均衡

 动力电池的应用历史及现状分析

1.1.1 电动汽车的概述

电动汽车可分为蓄电池电动汽车(EV)、燃料电池电动汽车(FCEV)、混合动力电动汽车(HEV)和太阳能电动汽车(SCEV)。

电动汽车的出现可追述到1881年。虽然电动汽车的出现比内燃机汽车早,但是电动汽车在性能、机动性等指标上远落后于内燃机汽车,电动汽车兴盛了一段时间,从1935 年到1955 年,电动汽车逐渐在公路上消失了。直到20 世纪60年代通用汽车公司和福特汽车公司相继推出了采用了新型技术的电动汽车,使电动汽车重新焕发了生机。

随着高性能的动力电池不断出现和新的交流电动机控制技术的进步,为电动车辆提供了性能更好的动力电池和效率更高的电动机。在20世纪70年代福特/通用电气公司共同研制了采用钠-硫电池为驱动能源的ETX-2“空中明星”电动汽车,福特汽车公司推出了“生态之星”电动小货车。在此之后的几十年间,各国电动汽车产业得到了不同程度的发展。其中美国、德国和日本的电动汽车发展由为迅猛。

美国电动汽车的研究和开发得到了美国政府的支持,投入了大量资金和科研力量。在美国三大汽车公司的共同推动下,以三大汽车公司为主导,利用其雄厚的技术开发力量和先进制造条件,开发车不同特点的电动汽车。同时充分利用汽车、机电、电子、控制和材料等行业的优势,分工开发电动汽车的各种总成和技术单元。推动了电动汽车迅速地发展和不断地改进提高。

德国政府十分重视环境保护,投入了大量的资金开发电动汽车。欧宝公司在1972年开始研制新型电动汽车。1981年欧宝公司和ABB公司合作研制电动汽车。20 世纪80 年代初期,BENZ 汽车公司生产出了电动大客车和商用电动汽车。1992 年德国政府在吕根岛建立欧洲电动汽车试验基地,对电动汽车和电动汽车的系统工程进行了长达4年的大规模试验,并有很多国家和城市都参与了吕根岛试验。

在日本政府的大力支持下,日本的电动汽车产业发展尤为迅速。2000 年日本电动汽车的产量达到了10万量,电动汽车保有量达到了20万量。1996 年以来,日本丰田汽车公司开发RAV4-EV电动汽车,日本本田汽车公司研制开发了Plus 电动轿车,日产汽车公司研制开发了ALTRA EVZ电动轿车。这些电动汽车都采用了当今高新技术,电动汽车的性能具有世界最高水平。

我国的电动汽车产业也得到了迅速地发展,198712月成立了中国电工技术学会电动车辆研究会,统筹规划了我国电动车辆单元技术的研究、开发和技术公关等工作,试制出了我国的第一批电动车辆。我国还在广东省汕头市南澳县建立了第一个电动汽车示范场地,对电动汽车进行了大量的研究和试验。1999年在北京举行了“第16届国际电动车会议暨展览会”,展会展出了跨世纪的电动车辆、高性能电池、新型控制装置等先进产品和先进技术,对发展我国电动汽车事业提供了各种宝贵信息和电动汽车的模式。推动了我国电动汽车的飞速发展。

20071025日第五届北京国际节能环保汽车展览会开幕,未来的两种主要汽车动力——电动力和氢动力成为本届展会的绝对主角,主流汽车企业都展出了自己的混合动力、纯电动以及燃料电池汽车,电池、电机及控制器等关键零部件配套企业参展甚众。但相对于远水难解近渴、更类似于概念型的氢燃料电池动力,离现实及产业化更近的混合动力、纯电动更受人们的关注和重视。哈飞展出了它们最新的哈飞赛豹纯电动轿车,赛豹纯电动轿车整车与天津清源电动车辆有限公司合作开发,电池则由天津力神提供。哈飞的下一步规划是往产业化方向发展,将在2008 年形成纯电动轿车的小规模运营。吉利控股集团上海华普汽车此次展出了其基于超级电容的高性价比混合动力轿车。华普采用的超级电容储能装置具有高功率性、高可靠性、高一致性和体积小、重量轻等优点,这一储能装置的性价比比使用镍氢电池或锂电池等动力电池更高。据了解,这款超级电容混合动力轿车的发动机、ECU、电机控制器及超级电容等关键总成都由国内的优秀供应商与华普联合完成,国产化率近100%

1.1.2 动力电池在电动汽车中的应用历史及现状分析

动力电池在电动汽车中的应用历史悠久[2],较早应用在电动汽车中有普通铅酸电池、钠-( Na − S )电池等动力电池。早在1881年的巴黎国际电器博览会上,法国人古斯塔夫.特鲁夫就利用两个木盘装载了6个铅酸电池,使用两台电动机为驱动,造出了世界上第一辆电动三轮车。从此开创了铅酸电池在电动车中的应用历史。在随后的100多年间,铅酸电池的制造技术日趋成熟,制造技术不断换代,出现了阀控铅酸电池(VRLA)和水平式铅酸电池等高性能的动力铅酸电池,这些高性能的铅酸动力电池已经被大量的应用在电动汽车上。

-( Na S )电池在电动汽车中的应用也较早,早在20世纪70年代美国和欧洲的一些国家就开展了钠-硫电池电动汽车的研究和开发工作,钠硫蓄电池容量大、质量轻,但使用寿命较短,并且正负极板物质必须处于高温熔融状态(300350)。为此必须有特殊的加热装置。因为安全问题,钠-硫电池逐步被淘汰。

到了80年代中期由AEG公司研究及试制钠-氯化镍(2 Na NiC)电池也被应用到电动汽车中。该电池俗称Zebra 电池,是由南非Zebra Battery Markering公司的J-Coetger博士发明。到目前为止,Zebra电池已经由AEG公司研制了三代Zebra 电池,Zebra电池在轿车、货车和大客车上得到了广泛的应用。

随着动力电池制造技术的不断发展,出现了多种新型的高性能动力电池。其主要代表有:镍-( Ni-MH )电池、锂离子(Lithium-ionization)、锂聚合物(Lithium-Polymer)电池及质子交换膜燃料电池(PEMFC)。镍-( Ni-MH)电池是90 年代发展起来的一种新型绿色电池。日本从事电动汽车用Ni-MH 电池开发的代表性厂家为松下公司和丰田公司。美国的Ovonic公司和美国USABC(美国先进电池联合体)也正在积极开发研制Ni-MH电池。中国的镍-( Ni-MH )电池技术也处于国际先进水平。

锂离子电池于1989 年问世,1990 年由日本索尼公司首先推向市场的一种新型高能量蓄电池。锂离子电池的比能量和比功率高,充放电性能好,已在便携式信息产品中获得推广应用;并且,由于具有工作电压高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等其它动力电池无与伦比的优越性,现已经成为世界公认的电动汽车动力电池的研发重点。

燃料电池从1839年问世以来,已经经过了160多年的发展。直到20世纪60年代,燃料电池作为航空器的动力源,才得到了实际的应用。1993年加拿大的巴拉德公司纯氢-空气型2405kW电池组,成功的进行了公共汽车行驶试验,证实了燃料汽车可以与燃油汽车等同的性能。而后的许多厂家都开始了燃料电池的研究。如日本的丰田汽车公司、德国大众奔驰公司、戴姆勒- 克莱斯勒公司等,可以认为21世纪初燃料电池开始实用化,2010年前后燃料电池驱动的汽车将会相当普及。目前有五种燃料电池,由于质子交换膜燃料电池能在常温下工作,所以成为研究最为活跃,进展也最快的燃料电池,目前汽车上用的燃料电池多为质子交换膜燃料电池。

目前,在动力电池研究领域还出现了超容量电容器和飞轮电池等新型的动力电池技术。超容量电容器是一种高能量的储能元件,称为电蓄能器。目前,超容量电容器已开始应用于电网的负载调配和电动汽车的动力装置以及其他需要的不间断电(UPS)。飞轮电池是利用飞轮的旋转惯性矩来贮存能量的,属电力机械电池,在高真空及高速旋转条件下,应用磁浮悬机理,可获得大能量。飞轮电池用于电动汽车一次充电可续行580950km ,使用寿命可达25年以上,美国已完成样品试验。

1.2 动力电池测控技术国内外现状分析

动力电池的安全性和成本直接影响到了电动汽车的推广,延长动力电池的使用寿命是降低使用成本的最有效的途径之一。为了有效地维护电池性能的良好,延长电池使用寿命,就必须对动力电池的使用进行管理和控制。为此,国内外在动力电池测控技术即电池管理这个课题上投入的大量的人力物力,并在此基础上开展了广泛的研究。动力电池运行状况测控系统已经成为众多公司和研究机构的技术开发重点。

1.2.1 国外动力电池测控技术研究现状

国外各大汽车生产厂商及研究机构在动力电池测控技术的研究上投入了较多的人力和物力,成功地开发出了多种动力电池测控系统。其中Skand-Instrument实验室就于1992 年为皇家澳大利亚海军潜艇舰队研发了第一套动力电池监测系统[8],并于1995 年完成了第二代电池监测系统的研究;德国Mentzer Electronic GmbH Werner Retzlaff 为首设计的 BADICHEQ 系统;德国的B.Hauck 设计的 BATTMAN 系统;美国通用汽车公司生产的电动汽车EV1 上的电池管理系统;美国Aerovironment 公司开发的SmartGuard 系统(Long--Life Battery Using Intelligent Modular Control System);美国AC Propulsion 公司开发的名为BatOpt的高性能电池管理系统;日本青森工业综合研究中心从1997 年开始至今,仍在继续进行动力电池测控系统实际应用的研究。下面介绍几种主要的动力电池测控系统及其功能:

1Skand-Instrument AS 电池管理系统各功能模块

1) 单体电池单元电压、温度测量模块;

2) 数据通讯模块;

3) 数据通讯接口单元模块;

4) PC 与软件单元模块;

5) 电池充电均衡单元模块;

6) 电池参数显示及故障报警单元模块。

2BADICHEQ 系统的功能

1) 能同时对 20 个单体动力电池单元进行电压测量;

2) 能进行动力电池组总电流和及电池温度测量;

3) 通过检测电池单元的运行状况对主充电机的充电电流进行控制;

4) 使用单独的充电机对单个电池进行均衡充电;

5) 能储存历史数据并与 PC 机进行数据通信;

6) 显示最差电池单元的剩余电量、电池电流、实际电池电量以及异常报警。

3 BATTMAN 系统

BATTMAN 动力电池测控系统在扩展性方面做的比较好,它通过改变硬件的跳线和在软件上增加选择参数的办法,来实现对不同型号动力电池组的管理。此管理系统在很大程度上方便了对各种不同型号动力电池组的测控,满足了不同状况的需求。

4EV1 电池管理系统

通用汽车公司推出的 EV1 电动汽车由26 个铅酸蓄电池供电,放电深度 80%,电池寿命是450 个深放电周期,113 公里市内行驶里程(美国环保局指标,USA EPASchedule),145 公里高速公路行驶里程(美国环保局指标,USA EPASchedule)。EV1 的电池管理系统由以下四个组成部分:

1) 动力电池模块(用于汽车驱动和其它用电系统);

2) 软件 BPMBattery Pack Module);

3) 电池组热系统;

4) 电池组高压断电保护装置(High Voltage Disconnect)。

其中EV1 的电池管理系统的核心是 BPM。其功能如下:

1) 对单体电池单元进行电压监测;

2) 对电池组电流进行分流采样;

3) 电池组的充电过压压保护;

4) 对电池组的温度进行采样;

5) 对电池组进行均衡控制充电;

6) 过放电报警并降低电动汽车行驶性能;

7) 电量或里程计算。

1.2.2 国内动力电池测控技术研究现状

我国在十五期间设立电动汽车重大专门研究项目,经过几年的发展,在动力电池测控系统方面的研究取得很大的突破,与国外水平也较为接近。在国家863计划2005年第一批立项研究课题中就分别有北京理工大学承担的7200混合动力轿车用镍氢动力电池组及测控模块;湖南神舟公司承担的EQ6110混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其测控模块;苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池轿车用高功率型锂离子动力电池组及其测控系统;北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客车用锂离子电池及测控模块等课题。

1.3 本论文主要研究内容

主要研究内容如下:

1)      动力电池种类及其充放电特性,包括镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、铅酸电池、燃料电池。

2)      锂离子电池的平衡方式,单节电池作为动力源往往电压和功率达不到要求,需要多节电池级联,级联带来了各单节电池的平衡和均衡和保护等问题,本文针对锂离子电池平衡方式进行分析研究。

3)      电池组均衡电路及效果分析。

1.4 本章小结

本章首先概述了电动汽车的历史和现状,简要叙述了动力电池在电动汽车中的应用历史和现状,并对国外及国内动力电池测控技术进行了简扼地说明。最后提出了本课题的主要研究目标和研究内容。

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