插电式混合动力汽车用动力蓄电池探析

参考文献
1 朱家琏. 混合动力发展的一个重要方向 ———PHEV. 中国汽 车工程学会 , 2006. 10
2 M. Anderman. AABC204 Tutorial. San Francisco, 2004. 06 3 李 荐 ,钟 晖 ,钟海云. 超级电容器应用设计. 电源技术 , 2004. 06
新能源汽车
插电式混合动力汽车用动力蓄电池探析
王红梅 徐顺余 吴 兵 (上海汽车集团股份有限公司新能源汽车技术部 )
【摘要 】 重点讨论 4种动力储能源的优缺点及其在插电式混合动力汽车 ( PHEV )上的应用及前景 。介
绍了 PHEV新能源汽车的工作方式和优点 ,讲述铅酸电池 、镍氢电池 、锂电池 、超级电容储能元件的发展和在混 合动力电动汽车中的使用情况 ,并比较它们之间的特点和适用场所 。最后以 PHEV电池选择实例说明在选择电 池中的考虑因素 ,并对各种形式做比较和性能总结 。
simp le EV fo r examp le, the integrated calculate pa2 ram eters are obtained, the perform ance of the vacu2 um assist brake system is analyzed, and an interm it2 tent vacuum system is designed according to the re2 sult of calculation. B ased on road2test, the design of the electric vacuum assist brake system is reasona2 b le.
6 PHEV 电池选择实例
某燃料电池 PHEV 小轿车 ,整车整备质量为 2000 kg,设定最高车速为 150 km / h,纯电动续驶 里程为 40 km ,电池峰值功率为 58 kW ,设定巡航 速度为 50 km / h。
考虑轿车的空间布置 ,采用某公司功率密度 为 1300 W h / kg,能量密度为 75 W / kg的 30 Ah锂
4 锂电池
锂电池可分为锂离子电池和锂分子 (高聚合 物 )电池两种 。锂电池具有体积小 、质量能和质量 功率高 、电压高 、高安全性 (固态 ) 、环保性好和无 污染性等优点 。锂电池的能量密度 (体积能和质 量能 )几乎是镍镉电池的 1. 5 ～3 倍 ,也就是说在 相同大小能量的情况下 ,锂电池的体积和质量可 减小 1 /2左右 。单元电池的平均电压为 3. 6 V ,相 当于 3个镍镉或镍氢电池串接起来的电压值 。能 减少电池组合体的数量 ,从而因单元电池电压差 所造成的电池故障的概率可减少许多 ,大大延长 了电池组合体的寿命 。
收稿日期 : 2007 - 07 - 10
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决 。同时 ,电池价格必须低到使用时的花费能够 弥补购置时的费用 。这些都是 PHEV 的电池需要 攻克的难题 。
目前研究较多的电动汽车用动力电池有以下 几类 :铅酸电池 、锂离子电池 、镍氢电池 、超级电容 等 。表 1是上述几种动力电池的技术指标 。
【主题词 】 电动汽车 混合动力 蓄电池
1 插电式混合动力汽车 ( PHEV ) 介 绍
2006年 , PHEV 新能源汽车面世 , PHEV 是指 可以使用家用电源插座 (例如民用 220 V 电源 )对 混合动力系统中电池充电的汽车 ,这种混合动力 汽车在纯 电 动 工 作 模 式 下 可 以 有 较 长 行 驶 里 程 (30、50或 80 km 可依设计而异 ) ,需要时 ,仍可以 像混合动力汽车一样工作 。 PHEV 的主要优点是 :
·可以数十秒到数分钟内快速充电 ,而蓄电 池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几 乎不可能 。
·可以在很宽的温度范围内正常工作 ( - 40 ～ + 70 ℃) ,而蓄电池很难在高温特别是低温环 境下工作 ;超级电容器用的材料是安全无毒的 ,而 铅酸蓄电池 、镍镉蓄电池均具有毒性 ; 而且 ,超级 电容器可以任意并联使用来增加电容量 ,采取均 压措施后 ,还可以串联使用 。
离子电池 。电池电压范围为 260 ～410 V ,电池最 大充电倍率为 6 C,时间为 12 s;汽车回馈制动时 , 对电池最大放电倍率为 3 C,时间为 10 s。
经仿真验证 ,以上方案完全可行 。
7 结语
综上所述 , PHEV要求电池既具有纯电动模式 的高能量密度 ,又具有混合动力模式的高功率密度 , 同时寿命还需满足汽车要求 ,要求安全性好、成本 低。铅酸电池由于重量重 ,能量密度低而无法满足 要求 ;镍氢电池如果能降低重量 、减少体积 ,能够满 足混和动力电动汽车对电池的需求 ,但是依然无法 满足 PHEV 的要求 ;超级电容由于能量密度低 、体 积大、重量重而无法满足 PHEV 的要求 ;锂离子电 池 ,特别是磷酸铁锂电池的出现 ,在降低价格的同时 大大提高了电池的安全性 ,可以说锂离子电池是将 来 PHEV用电池的主要发展方向 。
A bstract
The advantage and disadvantage of 4 energy storage sources and their use on PHEV are dis2 cussed. The working method and advantage of PHEV are introduced, and the development and use of lead2 acid battery, nickel2 hydrogen battery, lithium batter2 y, and super capacitance are narrated and compared. In the end, the factors we should consider in the p rocess of choosing battery are exp lained by a batter2 y2choice examp le, and all kinds of form s are com 2 pared and the perform ance is concluded.
·具有纯电动车 ( EV )的全部优点 ,一周 4～5 天可用纯电动模式驾车上班 ,周末仍可以用燃料电 池或者内燃机为主的混合动力模式作长途行驶 。
·具有接受外部公用电网对车载电池组充电 的能力 ,可以在家里对电池组充电 ;减少去加油站
加油次数 ,可降至每月 1～2次 。 ·车辆使用成本低 ,用 PHEV 的纯电动模式
表 1 (W h / kg) 比功率 (W / kg) 10 s, 23 ℃, 50% SOC 比功率 (W / kg) 10 s, - 20 ℃, 50% SOC 充电功率 (W / kg) 10 s, 23 ℃, 50% SOC
热管理要求 管理系统要求 2010年 (年产 > 10万只 ) 成本 (元 / kW h)
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铅酸 电池
2 30
锂离子 电池
3. 6 60 ～80
镍氢 电池
1. 2 40
400 3000 1300
250
400
250
200 适中 一般
140
1200
高 高
2000
高 一般
1100 600
超级 电容 1. 8
5 > 3000
> 500
> 3000 一般
高 2. 5万
在上述各种电池中 ,镍氢电池 、锂离子电池既 可以 用 作 EV 电 池 , 也 可 以 用 作 混 合 动 力 车 (HEV )电源 。目前用于 PHEV 电源仅有锂离子电 池。
锂离子电池是所有可充电电池中综合性能最 优的一种电池 。与其他电池相比 ,锂离子电池应 用于电动汽车和 PHEV ,在容量 、功率方面均具有 较大的优势 。
当前 ,锂离子电池存在的主要问题是 :快充放 电性能差 、价格高和过充放电保护等 。在过充或
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过放的状态下 ,锂电池可能会发生火灾或爆炸。 必须使用电池管理系统 ,从而增大了电池的成本 和体积 。
上下班 ,燃料费可大大降低 。 ·基础设施中的公用电网已经存在 ,无须新
建 ,并可利用晚间低谷电对电池充电 ,改善电厂发 电机组效率 。
·减少温室气体和各种有害排放物 。 ·降低对石化燃料的依赖 。 尽管 PHEV 在各方面都表现出了良好的发展 前景 ,但目前其研制仍然面临着很多技术上的挑 战 ,特别是电池技术 。首先 , PHEV 需要高能量密 度的电池 。其次 ,由于 PHEV 要求在低 SOC 时有 大功率输出 ,在高 SOC时有大功率输入 ,这必然对 电池的寿命产生巨大挑战 。动力蓄电池 ,特别是 锂离子电池在安全方面存在一定隐患 ,如起火 、燃 烧 、爆炸 。而且电池回收问题还没有完全得到解
5 超级电容
超级电容器是一种电容量可达数千法拉的电 容器 。尽管超级电容器能量密度是蓄电池的 5% 或更少 ,但是这种能量的储存方式可以应用在蓄 电池不足之处与短时高峰值电流之中 。相比电池 来说 ,超级电容器有以下优势 :
·电容量大 ,目前单体超级电容器的最大电 容量可达 5000 F。
·充放电寿命很长 ,可达 50万次 ,或 9万 h, 而蓄电池的充放电寿命很难超过 1000次 ;可以提 供很高的放电电流 ,如 2700 F的超级电容器额定 放电 电 流 不 低 于 950 A , 放 电 峰 值 电 流 可 达 1680 A ,一般蓄电池通常不能有如此高的放电电 流 ,一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电 流下的使用寿命将大大缩短 。
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因此 ,随着电动汽车技术的发展及环境需求 , 铅酸电池正逐渐被其他蓄电池所取代 。