汽車新能源運(yùn)用技術(shù)項目三

1、任務(wù)三鎳氫電池任務(wù)三鎳氫電池 任務(wù)四鋰離子電池任務(wù)四鋰離子電池 任務(wù)一概述任務(wù)一概述 任務(wù)二鉛酸蓄電池任務(wù)二鉛酸蓄電池 任務(wù)五燃料電池任務(wù)五燃料電池 任務(wù)六太陽能電池任務(wù)六太陽能電池 任務(wù)七其他動力電池任務(wù)七其他動力電池 電池可以分為化學(xué)電池、物理電池和生物電池三大類。1.1.化學(xué)電池化學(xué)電池化學(xué)電池是利用物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)發(fā)電?；瘜W(xué)電池按工作性質(zhì)分為原電池、蓄電池、燃料電池和儲備電池。1)原電池原電池又稱一次電池，是指電池放電后不能用簡單的充電方法使活性物質(zhì)復(fù)原而繼續(xù)使用的電池，如鋅一二氧化錳干電池、鋰錳電池、鋅空氣電池、一次鋅銀電池等。2)蓄電池蓄電池又稱二次電池，是指電池在放電后可通過充電的

2、方法使活性物質(zhì)復(fù)原而繼續(xù)使用的電池，這種充放電可以達(dá)數(shù)十次到上千次循環(huán)。如鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。 任務(wù)一概述任務(wù)一概述一、電池分類一、電池分類3)燃料電池燃料電池又稱連續(xù)電池，是指參加反應(yīng)的活性物質(zhì)從電池外部連續(xù)不斷地輸入電池，電池就連續(xù)不斷地工作而提供電能。如質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、直接甲醇燃料電池、再生型燃料電池等。4)儲備電池儲備電池是指電池正負(fù)極與電解質(zhì)在儲存期間不直接接觸，使用前注入電解液或者使用其他方法使電解液與正負(fù)極接觸，此后電池進(jìn)入待放電狀態(tài)。如鎂電池、熱電池等?；瘜W(xué)電池按電解質(zhì)分為酸性電池

3、、堿性電池、中性電池、有機(jī)電解質(zhì)電池、非水無機(jī)電解質(zhì)電池、固體電解質(zhì)電池等。化學(xué)電池按電池的特性分為高容量電池、密封電池、高功率電池、免維護(hù)電池、防爆電池等?；瘜W(xué)電池按正負(fù)極材料分為鋅錳電池系列、鎳鎘鎳氫系列、鉛酸系列、鋰電池系列等。2.2.物理電池物理電池物理電池是利用光、熱、物理吸附等物理能量發(fā)電的電池，如太陽能電池、超級電容器、飛輪電池等。3.3.生物電池生物電池生物電池是利用生物化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的電池，如微生物電池、酶電池、生物太陽電池等。迄今已經(jīng)實用化的車用動力蓄電池有傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。在物理電池領(lǐng)域中，超級電容器也應(yīng)用于純電動汽車和混合動力汽車中。生物燃

4、料電池在車用動力中應(yīng)用前景也十分廣闊，以氫為燃料的燃料電池和氧化物燃料電池的研發(fā)已進(jìn)入重要發(fā)展階段。電池作為電動汽車的儲能動力源，在電動汽車上發(fā)揮著非常重要的作用，要評定電池的實際效應(yīng)，主要是看電池的性能指標(biāo)。電池的性能指標(biāo)主要有電壓、容量、內(nèi)阻、能量、功率、輸出效率、自放電率、使用壽命等，根據(jù)電池種類不同，其性能指標(biāo)也有差異。1.1.電壓電壓電壓分為端電壓、開路電壓、額定電壓、放電電壓、充電終止電壓和放電終止電壓等。1)端電壓電池的端電壓是指電池正極與負(fù)極之間的電位差。2)開路電壓電池在開路狀態(tài)下的端電壓稱為開路電壓，即電池在沒有負(fù)載情況下的端電壓。3)額定電壓額定電壓是指電池在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件

5、下工作時應(yīng)達(dá)到的電壓，鎳鎘電池和鎳氫電池的額定電壓為1.2V，鋰離子電池的額定電壓為3.6V。二、電池的性能指標(biāo)二、電池的性能指標(biāo)4)放電電壓電池的放電電壓是指電池接通負(fù)載后在放電過程中顯示的電壓，又稱工作電壓。在電池放電初始的工作電壓稱為初始電壓。5)充電終止電壓蓄電池充足電時，極板上的活性物質(zhì)已達(dá)到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，電池的電壓也不會上升，此時的電壓稱為充電終止電壓。鎳鎘電池的充電終止電壓為1.751.8V，鎳氫電池的充電終止電壓為1.5V，鋰離子電池的充電終止電壓為4.25V。6)放電終止電壓放電終止電壓是指電池在一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下放電時，電池的電壓將逐漸降低，當(dāng)電池再不宜繼續(xù)

6、放電時，電池的最低工作電壓稱為終止電壓。如果電壓低于放電終止電壓后電池繼續(xù)放電，電池兩端電壓會迅速下降，形成深度放電。這樣，極板上形成的生成物在正常充電時就不易再恢復(fù)，從而影響電池的壽命。放電終止電壓和放電率有關(guān)，放電電流直接影響放電終止電壓。在規(guī)定的放電終止電壓下，放電電流越大，電池的容量越小。鎳鎘電池的放電終止電壓一般在1.01.1V，鎳氫電池的放電終止電壓一般規(guī)定為1V，鋰離子電池的放電終止電壓為3.0V。2.2.容量容量電池在一定的放電條件下所能放出的電量稱為電池的容量。常用單位為安時(Ah)，它等于放電電流與放電時間的乘積。電池的容量可以分為理論容量、實際容量、標(biāo)稱容量和額定容量等。

7、1)理論容量理論容量是把活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第電磁感應(yīng)定律計算而得到的最高理論值。為了比較不同系列的電池，常用比容量的概念，即單位體積或單位質(zhì)量電池所能給出的理論電量，單位為Ah/L或Ah/kg。2)實際容量實際容量是指電池在一定條件下所能輸出的電量，它等于放電電流與放電時間的乘積，單位為Ah，其值小于理論容量。實際容量反映了電池實際存儲電量的大小，電池容量越大，電動汽車的續(xù)駛里程就越遠(yuǎn)。在使用過程中，電池的實際容量會逐步衰減。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：新出廠的電池實際容量大于額定容量值為合格電池。3)標(biāo)稱容量標(biāo)稱容量是用來鑒別電池的近似安時值。4)額定容量額定容量也稱保證容量，是按國家或有關(guān)部門頒布的標(biāo)

8、準(zhǔn)，保證電流在一定的放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的容量。按照IEC標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，鎳鎘和鎳氫電池在(205)條件下，以0.1C充電16h后以0.2C放電至1.0V時所放出的電量為電池的額定容量，以C表示；鋰離子電池在常溫、恒流(1C)、恒壓(4.2V)條件下充電3h后再以0.2C放電至2.75V時所放出的電量為電池的額定容量。5)荷電狀態(tài)荷電狀態(tài)(SOC)是電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值。反映電池容量的變化。SOC1即表示電池充滿狀態(tài)。隨著電池的放電，電池的電荷數(shù)逐漸減少，此時電池的充電狀態(tài)，可以用SOC的百分?jǐn)?shù)的相對量來表示電池中電荷的變化狀態(tài)。一般電池放電高效率區(qū)

9、為(50%80%)SOC。3.3.內(nèi)阻內(nèi)阻電池的內(nèi)阻是指電流流過電池內(nèi)部時所受到的阻力。電池內(nèi)阻越大，電池自身消耗掉的能量越多，電池的使用效率越低。內(nèi)阻很大的電池在充電時發(fā)熱很厲害，使電池的溫度急劇上升，對電池和充電器的影響都很大。隨著電池使用次數(shù)的增多，由于電解液的消耗及電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)活性的降低，電池的內(nèi)阻會有不同程度的升高。4.4.能量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Wh或kWh。它影響電動汽車的行駛距離。1)理論能量理論能量是電池的理論容量與額定電壓的乘積，指一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下，電池所輸出的能量。2)實際能量實際能量是電池實際容量與平均工作電壓的乘

10、積，表示在一定條件下電池所能輸出的能量。3)比能量比能量也稱質(zhì)量比能量，是指電池單位質(zhì)量所能輸出的電能，單位是Wh/kg。常用比能量來比較不同的電池系統(tǒng)。比能量有理論比能量和實際比能量之分。理論比能量是指1kg電池反應(yīng)物質(zhì)完全放電時理論上所能輸出的能量；實際比能量是指1kg電池反應(yīng)物質(zhì)所能輸出的實際能量。由于各種因素的影響，電池的實際比能量遠(yuǎn)小于理論比能量。電池的比能量是綜合性指標(biāo)，它反映了電池的質(zhì)量水平。電池的比能量影響電動汽車的整車質(zhì)量和續(xù)駛里程，是評價電動汽車的動力電池是否滿足預(yù)定的續(xù)駛里程的重要指標(biāo)。4)能量密度能量密度也稱體積比能量，是指電池單位體積所能輸出的電能，單位是Wh/L。5

11、.5.功率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W或kW。電池的功率決定了電動汽車的加速性能和爬坡能力。1)比功率單位質(zhì)量電池所能輸出的功率稱為比功率，也稱質(zhì)量比功率，單位為W/kg或kW/kg。2)功率密度單位體積電池所能輸出的功率稱為功率密度，也稱體積比功率，單位為W/L或kW/L。6.6.輸出效率輸出效率動力電池作為能量存儲器，充電時把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，放電時把電能釋放出來。在這個可逆的電化學(xué)轉(zhuǎn)換過程中，有一定的能量損耗。通常用電池的容量效率和能量效率來表示。1)容量效率容量效率是指電池放電時輸出的容量與充電時輸入的容量之比，即式中，c為電池的

12、容量效率；C放為電池放電時輸出的容量；C充為電池充電時輸入的容量。影響電池容量效率的主要因素是副反應(yīng)。當(dāng)電池充電時，有一部分電量消耗在水的分解上。此外，自放電、電極活性物質(zhì)的脫落、結(jié)塊、孔率收縮等也降低容量輸出。2)能量效率能量效率也稱電能效率，是指電池放電時輸出的能量與充電時輸入的能量之比，即式中，w為電池的能量效率；W放為電池放電時輸出的能量；W充為電池充電時輸入的能量。影響能量效率的原因是電池存在內(nèi)阻，它使電池充電電壓增加，放電電壓下降。內(nèi)阻的能量損耗以電池發(fā)熱的形式損耗掉。7.7.自放電率自放電率自放電率是指電池在存放期間容量的下降率，即電池?zé)o負(fù)荷時自身放電使容量損失的速度。自放電率用

13、單位時間容量降低的百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為式中，Ca為電池存儲前的容量(Ah)；Cb為電池存儲后的容量(Ah)；T為電池存儲的時間，常用日、月計算。8.8.放電倍率放電倍率電池放電電流的大小常用“放電倍率”表示，即電池的放電倍率用放電時間表示或者說以一定的放電電流放完額定容量所需的小時數(shù)來表示，由此可見，放電時間越短，即放電倍率越高，則放電電流越大。放電倍率等于額定容量與放電電流之比。根據(jù)放電倍率的大小，可分為低倍率(7.0C)。例如：某電池的額定容量為20Ah，若用4A電流放電，則放完20Ah的額定容量需用5h，也就是說以5倍率放電，用符號C/5或0.2C表示，為低倍率。9.9.使用壽命使用壽

14、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(dá)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(fù)使用的次數(shù)。除此之外，成本也是一個重要的指標(biāo)。電動汽車發(fā)展的瓶頸之一就是電池價格高。電動汽車對動力電池的要求主要有：(1)比能量高。為了提高電動汽車的續(xù)駛里程，要求電動汽車上的動力電池盡可能儲存多的能量，但電動汽車又不能太重，其安裝電池的空間也有限，這就要求電池具有高的比能量。(2)比功率大。為了能使電動汽車在加速行駛、爬坡能力和負(fù)載行駛等方

15、面能與燃油汽車相競爭，就要求電池具有高的比功率。(3)循環(huán)壽命長。循環(huán)壽命越長，則電池在正常使用周期內(nèi)支撐電動汽車行駛的里程數(shù)就越多，有助于降低車輛使用期內(nèi)的運(yùn)行成本。(4)均勻一致性好。對于電動汽車而言，電池組的工作電壓大多均應(yīng)達(dá)到數(shù)百伏，這就要求至少有幾十到上百只電池的串聯(lián)。為達(dá)到設(shè)計容量要求，有時甚至需要更多的單體并聯(lián)。由于電池組的使用性能會受到性能最差的某些單節(jié)電池的制約，因此設(shè)計上要求各電池單體在容量、內(nèi)阻、功率特性和循環(huán)特性等方面具有高度的均勻一致性。(5)高低溫性能好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。電動汽車作為一種交通工具，要求電池既要在北方冬天極冷的氣溫下，又要在南方夏天炎熱環(huán)境中長期穩(wěn)定地工

16、作。在最惡劣的氣候條件下，電池的工作溫度可能要從40變到60，甚至80。因此，要求電池應(yīng)當(dāng)具有良好的高低溫特性。三、電動汽車對動力電池的要求三、電動汽車對動力電池的要求(6)安全性好。能夠有效避免因泄漏、短路、撞擊、顛簸等引起的起火或爆炸等危險事故發(fā)生，確保汽車在正常行駛或非正常行駛過程中的安全。(7)價格低廉。包括材料來源豐富，電池制造成本低，以降低整車價格，提高電動汽車的市場競爭力。(8)綠色、環(huán)保。要求電池制作的材料與環(huán)境友好、無二次污染，并可再生利用。1991年，美國先進(jìn)電池開發(fā)聯(lián)合體(USABC)對電動汽車用動力電池制定的開發(fā)目標(biāo)，見表2-1。目前，雖然有些電池的性能參數(shù)已經(jīng)超過了開

17、發(fā)目標(biāo)，但距離大規(guī)模推廣應(yīng)用還有很多問題需要解決，電動汽車動力電池普遍存在安全性得不到保障、電池容量滿足不了續(xù)駛里程的需要、電池循環(huán)壽命短、電池質(zhì)量和尺寸較大、電池價格昂貴等問題，這些問題都有待進(jìn)一步解決。2010年，工信部頒發(fā)了先進(jìn)動力電池系統(tǒng)規(guī)格和等級：工作溫度：2055；儲存和運(yùn)輸溫度：4080；比能量90Wh/kg(以電池包總體計)；最大放電倍率5C；最大充電倍率3C；循環(huán)壽命2000次(單體),1200次(系統(tǒng))。 任務(wù)二鉛酸蓄電池任務(wù)二鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池的應(yīng)用歷史最長，也是最成熟、成本售價最低廉的蓄電池。它已實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，但比能量低，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里程較短

18、，自放電率高，循環(huán)壽命低，不適合現(xiàn)代電動汽車發(fā)展的需要。隨著鉛酸蓄電池技術(shù)的發(fā)展，適合電動汽車使用的各種新型鉛酸蓄電池不斷出現(xiàn)，其性能不斷提高。尤其是第三代閥控式密封鉛酸蓄電池(Valveregulated Lead Acid Battery，VRLA)，比能量達(dá)到50Wh/kg，比功率達(dá)到500W/kg，循環(huán)壽命大于900次。一、電動汽車用鉛酸蓄電池的發(fā)展動態(tài)一、電動汽車用鉛酸蓄電池的發(fā)展動態(tài)VRLA蓄電池具有下列結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：(1)用新板柵材料，負(fù)極板柵采用鉛鈣合金，以提高析氫過電位，正極板柵用鉛基多元合金，用于改善點(diǎn)特性。(2)改變正、負(fù)極板活性物質(zhì)電化當(dāng)量配比，設(shè)計為以負(fù)極板容量相對于正極

19、板過剩。(3)電池為貧液設(shè)計。電池蓋上裝單向節(jié)流閥，使電池處于密封狀態(tài)，遇到異常情況時排氣閥打開排出氣體。經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)的VRLA蓄電池具有下列新功能：無酸霧逸出；無需定期進(jìn)行補(bǔ)水；比能量大；自放電?。桓〕鋲勖L。目前，這種蓄電池已應(yīng)用在輕度混合的混合動力汽車上。先進(jìn)鉛酸蓄電池聯(lián)盟(Advanced Leadacid Battery Consortium，ALABC)組織了澳大利亞CSIRO、美國Hawker公司對VRLA動力電池進(jìn)行了幾年的攻關(guān)，提出了解決方案，并在豐田Prius、本田Insight等混合動力汽車上作了兩年多的道路運(yùn)行試驗，證明性能良好，成功地用卷繞式VRLA電池代替了NiMH

20、電池。世界各國的電動汽車用新型VRLA鉛酸蓄電池的進(jìn)展如下。(1)日本公司開發(fā)的電動汽車用新型VRLA蓄電池，其電壓規(guī)格有單體2V和4V，采用貧液式和極板水平設(shè)計。板間距很小，不會出現(xiàn)電解液分層，脫落物質(zhì)向下移動有極板擋住，電池底部無脫落物堆積。(2)德國陽光公司的電動汽車用鉛酸蓄電池采用膠體電解質(zhì)設(shè)計，經(jīng)檢測其6V、160Ah電池的預(yù)期壽命可達(dá)到4年，具有熱容量大、溫升小等優(yōu)點(diǎn)。(3)美國Arias公司于1994年推出雙極性電動汽車用鉛酸蓄電池，其結(jié)構(gòu)技術(shù)獨(dú)特。這種電池的工作電流只垂直于電極平面而通過薄的雙電極，所以具有極小的歐姆電阻。(4)美國BPC公司開發(fā)的雙極性電動汽車用鉛酸蓄電池技術(shù)

21、參數(shù)為：組合電壓為180V，電池容量為60Ah，放電率比能量為50Wh/kg，循環(huán)壽命可達(dá)到1000次。(5)瑞典OPTIMA公司推出的卷式電動汽車用鉛酸蓄電池，產(chǎn)品容量為56Ah，啟動功率可達(dá)到95kW，比普通的195Ah的VRIA蓄電池啟動功率還要大，而體積小1/4。由于鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)，一些專家學(xué)者和相關(guān)企業(yè)已經(jīng)開始把目光轉(zhuǎn)向其他的動力電池研究，他們認(rèn)為鉛酸蓄電池將逐步退出電動汽車市場。近年來，為適應(yīng)儲能與動力的需要，國外鉛酸蓄電池新技術(shù)不斷問世，如嵌入電容電極的“超級電池”使電池的功率特性提高；泡沫碳板柵使電池的比能量增加；新組分鉛合金使電池的循環(huán)壽命可長達(dá)數(shù)千次；環(huán)保型生產(chǎn)工藝正在改

22、變鉛酸蓄電池“污染環(huán)境”的形象。美國總統(tǒng)奧巴馬宣布撥款24億美元支持美國48個項目發(fā)展“下一代電池和電動汽車”，其中用于電池及其材料生產(chǎn)的為15億美元。細(xì)觀其內(nèi)容，鉛酸蓄電池也在“下一代電池”內(nèi)。只不過該計劃支持的是“超級電池”。所謂“超級電池”是將超級電容器與鉛酸蓄電池的并聯(lián)使用(可稱“外并”)，進(jìn)化為“內(nèi)并”，就是將雙電層電容器的高比功率、長壽命的優(yōu)勢融合到鉛酸蓄電池中，在保持“外并”提高功率、延長電池壽命優(yōu)點(diǎn)的同時，又能簡化電路，提高比能量，并降低總費(fèi)用?！俺夒姵亍眱?nèi)的用鉛量也比現(xiàn)有鉛酸蓄電池大為減少，再有了政府的支持，鉛酸蓄電池依然具有市場競爭力。目前我國鉛酸蓄電池技術(shù)的研究主要集中

23、在三個方面，一是鉛酸蓄電池的基礎(chǔ)研究，包括近年來發(fā)展的許多鉛酸蓄電池新技術(shù)泡沫炭板柵、泡沫鉛板柵、新型負(fù)極添加劑、超級電池新技術(shù)、鉛碳電池新技術(shù)、雙極陶瓷隔膜電池等；二是鉛酸蓄電池環(huán)境治理和職業(yè)衛(wèi)生，鉛酸蓄電池生產(chǎn)中的污染是有治理技術(shù)的，也是能夠治理的；三是鉛酸蓄電池的具體應(yīng)用。2010年4月召開的首屆全國鉛酸蓄電池新技術(shù)研討會指出：全球鉛酸蓄電池市場目前仍處于穩(wěn)定增長階段。鉛酸蓄電池產(chǎn)品如此長盛不衰，除技術(shù)成熟、性價比高、安全可靠、功率特性和原料再生性好等突出優(yōu)點(diǎn)外，還與它在競爭中技術(shù)不斷提高密切相關(guān)。雖然我國近幾年也引進(jìn)了一些鉛酸蓄電池新裝備，但鉛酸蓄電池新技術(shù)的研發(fā)在國內(nèi)受到冷落，與國外

24、的差距逐漸拉大。中國鉛酸蓄電池存在三方面問題：壽命不長，污染嚴(yán)重，比能量和比功率不高。目前我國鉛酸蓄電池未來努力方向是：延壽、摘帽、加力。延長壽命是鉛酸蓄電池節(jié)能減排的最有效途徑。未來人類依賴的是可再生能源，必須要通過規(guī)模儲能來調(diào)節(jié)可再生能源的連續(xù)性和穩(wěn)定性，就迫切需要長壽命電池，這樣才能最有效地降低蓄電池成本，推動可再生能源的發(fā)展。二是要摘掉污染的帽子。要嚴(yán)格控制生產(chǎn)許可證的發(fā)放，以高度的社會責(zé)任心，舍得必要的投入來治理污染，那些只搬遷工廠而不治理污染的做法很不好。鉛酸蓄電池的污染還發(fā)生在落后的冶煉和廢舊電池的再生中，一些有效的新的回收技術(shù)應(yīng)當(dāng)工程化和產(chǎn)業(yè)化。三是要提高比功率、比能量和其他性

25、能。在過去電動自行車的大發(fā)展當(dāng)中，鉛酸蓄電池大顯神威，鉛酸蓄電池要全面提高性能，才能在前景廣闊的電動汽車中大顯身手，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。我們要抓住這歷史性的機(jī)遇，就必須在技術(shù)上有突破?？傊广U酸蓄電池在各類電池的競爭中站住腳跟，要在中國消除對鉛酸蓄電池的偏見，就要使鉛酸蓄電池技術(shù)不斷進(jìn)步。鉛酸蓄電池由于其價格低廉，目前主要應(yīng)用在速度不高、路線固定、充電站設(shè)立容易規(guī)劃的電動車輛上。1.1.鉛酸蓄電池的分類鉛酸蓄電池的分類鉛酸蓄電池分為免維護(hù)鉛酸蓄電池和閥控密封式鉛酸蓄電池。1)免維護(hù)鉛酸蓄電池免維護(hù)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(bǔ)充蒸餾

26、水。它具有耐振、耐高溫、體積小、自放電小的特點(diǎn)。使用壽命一般為普通鉛酸蓄電池的兩倍。市場上的免維護(hù)鉛酸蓄電池也有兩種：一種是在購買時一次性加電解液以后使用中不需要添加補(bǔ)充液；另一種是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(bǔ)充液。2)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(hù)，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(也稱安全閥)，該閥的作用是當(dāng)電池內(nèi)部氣體量超過一定值，即當(dāng)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(jìn)入電池內(nèi)部。閥控密封式鉛酸蓄電池分為AGM和GEL(膠體)電池兩種。AGM采用吸附式玻

27、璃纖維棉(absorbed glass mat)作隔膜，電解液吸附在極板和隔膜中，電池內(nèi)無流動的電解液，電池可以立放工作，也可以臥放工作；膠體(GEL)以SiO2作凝固劑，電解液吸附在極板和膠體內(nèi)，一般立放工作。如無特殊說明，閥控密封式鉛酸蓄電池皆指AGM電池。電動汽車使用的動力電池一般是閥控密封式鉛酸蓄電池。二、鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu)二、鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu)2.2.鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)鉛酸蓄電池的基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。它由正負(fù)極板、隔板、電解液、溢氣閥、外殼等部分組成。極板是鉛酸蓄電池的核心部件，正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛，負(fù)極板上的活性物質(zhì)為海綿狀純鉛。隔板是隔離正、負(fù)極

28、板，防止短路；作為電解液的載體，能夠吸收大量的電解液，起到促進(jìn)離子良好擴(kuò)散的作用；它還是正極板產(chǎn)生的氧氣到達(dá)負(fù)極板的“通道”，以順利建立氧循環(huán)，減少水的損失。電解液由蒸餾水和純硫酸按一定比例配制而成，主要作用是參與電化學(xué)反應(yīng)，是鉛酸蓄電池的活性物質(zhì)之一。電池槽中裝入一定密度的電解液后，由于電化學(xué)反應(yīng)，正、負(fù)極板間會產(chǎn)生約為2.1V的電動勢。溢氣閥位于電池頂部，起到安全、密封、防爆等作用。1.1.鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)鉛酸蓄電池有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)除鋰離子電池外，在常用蓄電池中，鉛酸蓄電池的電壓最高，為2.0V；(2)價格低廉；(3)可制成小至1Ah大至幾千安時的各種尺寸和結(jié)構(gòu)的蓄電池；

29、(4)高倍率放電性能良好，可用于引擎啟動；(5)高低溫性能良好，可在4060條件下工作；(6)電能效率高達(dá)60%；(7)易于浮充使用，沒有“記憶”效應(yīng)；(8)易于識別荷電狀態(tài)。三、鉛酸蓄電池的特點(diǎn)三、鉛酸蓄電池的特點(diǎn)2.2.鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)鉛酸蓄電池有以下缺點(diǎn)：(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。鉛酸蓄電池使用時，把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的過程叫放電。在使用后，借助于直流電在電池內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能而儲蓄起來，這種蓄電過程稱作充電。鉛酸蓄電池是酸性蓄電池，其化學(xué)

30、反應(yīng)式為PbOH2SO4=PbSO4H2O充電時，把鉛板分別和直流電源的正、負(fù)極相連，進(jìn)行充電電解，陰極的還原反應(yīng)為PbSO42e=PbSO24陽極的氧化反應(yīng)為PbSO4十2H2O=PbO24HSO242e充電時的總反應(yīng)為2PbSO42H2O=PbPbO22H2SO4四、鉛酸蓄電池的工作原理四、鉛酸蓄電池的工作原理隨著電流的通過，PbSO4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H2SO4生成，如圖3-2所示。放電時蓄電池陰極的氧化反應(yīng)為由于硫酸的存在，Pb2立即生成難溶解的PbSO4。陽極的還原反應(yīng)為同樣，由于硫酸的存在，Pb2也立即生成PbSO4。放電時總的反應(yīng)為蓄

31、電池充電的時候，隨著電池端電壓的升高，水開始被電解，當(dāng)電池電壓每單體達(dá)到約2.39V時，水的電解不可忽視。水電解時陽極和陰極的化學(xué)反應(yīng)式分別為陽極給出電子，陰極得到電子，從而形成了回路電流。端電壓越高，水的電解也越激烈，此時充入的大部分電荷參加水電解，形成活性物質(zhì)很少。1.1.鉛酸蓄電池的放電特性鉛酸蓄電池的放電特性在鉛酸蓄電池不放電的情況下，蓄電池中的活性物質(zhì)微孔中的電解液H2SO4的密度與極板外的電解液密度相同。鉛酸蓄電池開始放電，活性物質(zhì)表面的電解液密度立即下降，而極板外的電解液是緩慢地向活性物質(zhì)表面擴(kuò)散，不能立即補(bǔ)償活性物質(zhì)表面電解液的密度，隨著放電過程的進(jìn)行，活性物質(zhì)表面的電解液密度

32、繼續(xù)下降，結(jié)果導(dǎo)致蓄電池的端電壓下降，如圖3-3中AB段所示。五、鉛酸蓄電池的充放電特性五、鉛酸蓄電池的充放電特性蓄電池繼續(xù)放電，在活性物質(zhì)表面的電解液濃度下降的同時，極板外的電解液向活性物質(zhì)表面擴(kuò)散，補(bǔ)充了活性物質(zhì)表面的電解液的濃度并保持了一定的濃度，活性物質(zhì)表面的電解液的濃度變化緩慢，使蓄電池的端電壓也隨即保持穩(wěn)定，如圖3-3中BC段所示。蓄電池繼續(xù)放電，極板外的電解液的整體濃度也逐漸降低，在活性物質(zhì)表面的電解液的濃度也隨之降低。又由于電解液和活性物質(zhì)被消耗，其作用面積也不斷地減小，結(jié)果是蓄電池的端電壓也隨著下降，如圖3-3中CD段所示。在放電末尾階段，正、負(fù)電極上的活性物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镻b

33、SO4，PbSO4的生成使活性物質(zhì)孔隙率降低，使活性物質(zhì)與H2SO4的接觸更加困難，并且由于PbSO4使不良導(dǎo)體蓄電池的內(nèi)阻增加，當(dāng)蓄電池的端電壓達(dá)到D點(diǎn)后，蓄電池的端電壓急劇下降，達(dá)到所規(guī)定的終止電壓。蓄電池的放電與放電電流有密切關(guān)系，大電流放電時，蓄電池的電壓下降明顯，平緩部分縮短，曲線的斜率也很大，放電時間縮短；隨著放電電流的減小，蓄電池的電壓呈下降趨緩，曲線也較平緩，放電時間延長。這種放電特性對蓄電池的正確使用有重要的意義。2.2.鉛酸蓄電池的充電特性鉛酸蓄電池的充電特性在蓄電池充電開始后，首先活性物質(zhì)表面的PbSO4轉(zhuǎn)換為Pb，并在活性物質(zhì)表面附近生成H2SO4，蓄電池的端電壓迅速地

34、上升，如圖3-4中AB段所示。當(dāng)達(dá)到B點(diǎn)以后，活性物質(zhì)表面和微孔內(nèi)的H2SO4濃度平緩地增加，蓄電池的端電壓上升也比較緩慢，如圖3-4中BC段所示。隨著充電過程繼續(xù)進(jìn)行，達(dá)到充電量90%左右，反應(yīng)的極化增加，蓄電池的端電壓明顯地再次上升，如圖3-4中CD段所示，這時蓄電池的端電壓達(dá)到D點(diǎn)，蓄電池的兩極開始大量析出氣體。超過D點(diǎn)以后進(jìn)行的電解過程，蓄電池的端電壓又達(dá)到一個新的穩(wěn)定值。蓄電池充電還受到充電電流條件的影響，充電電流越大，活性物質(zhì)的反應(yīng)越快，反應(yīng)生成的H2SO4速度越快，濃度增加越快，蓄電池的端電壓上升越快。一般來說用較大的電流來充電時，固然可以加快充電過程，但能量的損失也大，在充電終

35、期大部分的電能用于產(chǎn)生熱量和分解水。另外，用較大的電流來充電時在電極上的電流的分布也越加不均勻，電流分布多的部分活性物質(zhì)的反應(yīng)越快，電流分布少的部分活性物質(zhì)不能充分轉(zhuǎn)化。所以，在蓄電池充電的后期應(yīng)減少充電電流。另外，蓄電池充電時蓄電池端電壓的變化，是隨充電時電流強(qiáng)度變化而變化，電流強(qiáng)度大，蓄電池端電壓也高，電流強(qiáng)度小，蓄電池端電壓也較低。蓄電池的充電可以分為常規(guī)充電和快速充電兩種。1.1.蓄電池常規(guī)充電方法蓄電池常規(guī)充電方法蓄電池的常規(guī)充電方法主要有恒流充電法、分段電流充電法、恒壓充電法、恒壓限流充電法等。1)恒流充電法恒流充電法是通過調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方式使充電電流

36、強(qiáng)度保持不變的充電方法。該方法控制簡單，但由于蓄電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使析氣過甚，此時電能不能有效轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，多變?yōu)闊崮芟牡袅?。因此，常選用階段充電法。恒流充電曲線如圖3-5所示，充電電流選擇10小時率或20小時率。恒流充電法能使蓄電池充電比較徹底，但需經(jīng)常調(diào)節(jié)充電電壓，且充電時間較長。六、鉛酸蓄電池的充電方法六、鉛酸蓄電池的充電方法2)分段電流充電法在充電過程中，為更有效地利用電能而用逐漸減小電流的方法?？紤]到蓄電池具體情況，一般分為數(shù)段進(jìn)行充電，如二階段充電法和三階段充電法。(1)二階段充電法。二階段充電法采用

37、恒電流和恒電壓相結(jié)合的方法快速充電，如圖3-6所示。首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。(2)三階段充電法。三階段充電法在充電開始和結(jié)束時采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。3)恒壓充電法充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電，如圖3-7所示。由于充電初期蓄電池電動勢較低，充電電流很大

38、，隨著充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少，因此，只需簡易控制系統(tǒng)。這種充電方法電解水很少，避免了蓄電池過充電。但在充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，造成蓄電池報廢。恒壓充電很少使用，只有在充電電源電壓低而電流大時采用。如汽車行駛過程中，蓄電池就是以恒壓充電法充電的。4)恒壓限流充電法為了克服恒壓充電法中初期電流過大，而使充電設(shè)備不能承受的缺點(diǎn)，常采用恒壓限流充電法來代替恒壓充電法。在充電第一階段，用恒定的電流充電；在蓄電池電壓達(dá)到一定電壓后，維持此電壓恒定不變，轉(zhuǎn)為第二階段的恒壓充電過程，當(dāng)充電電流下降到一定值后，繼續(xù)維持恒壓充電大約1h即可停止充電。2.2.蓄電池快

39、速充電法蓄電池快速充電法為了能夠最大限度地加快蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速率，縮短蓄電池達(dá)到滿充狀態(tài)的時間，同時保證蓄電池正負(fù)極板的極化現(xiàn)象盡量地少或輕，提高蓄電池使用效率。快速充電技術(shù)近年來得到了迅速發(fā)展。1)蓄電池快速充電的原理由蓄電池的化學(xué)反應(yīng)原理可知，蓄電池在充放電的過程中要產(chǎn)生氧氣。在密封式鉛酸蓄電池中，這些正極產(chǎn)生的氧氣可以通過隔膜和氣室被負(fù)極吸收，整個化學(xué)反應(yīng)變成一個循環(huán)的反應(yīng)形式，從而達(dá)到免維護(hù)的目的。但它的內(nèi)壓是有限的，致使陰極吸收速率也是有限的。如果充電電壓過高，正極產(chǎn)生氧氣的速率過快，吸收速率跟不上氧氣的產(chǎn)生速率，長時間之后必然造成電池失水，從而誘發(fā)蓄電池的微短路、硫酸化等失效現(xiàn)象

40、，損害蓄電池的質(zhì)量和使用壽命。同時，高速率充電時蓄電池的極化會造成蓄電池內(nèi)部壓力上升、蓄電池溫度上升、蓄電池內(nèi)阻升高等，這不僅會縮短蓄電池壽命，而且有可能對蓄電池造成永久性傷害。同時也使蓄電池可接受的充電電流下降，蓄電池不可能充到標(biāo)稱容量。蓄電池的這一化學(xué)反應(yīng)原理是制定快速充電方法的依據(jù)?？焖俪潆娨敕皆O(shè)法加快蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速率(提高充電電壓或電流等)，使之充電速度得到最大的提高；快速充電又要保證負(fù)極的吸收能力，使負(fù)極能夠跟得上正極氧氣產(chǎn)生的速率，同時要盡可能地消除蓄電池的極化現(xiàn)象。這一原理也表明，蓄電池的快速充電的速率是有上限的，不可能無限制的提高蓄電池的充電速率。要想提高蓄電池的化學(xué)反應(yīng)

41、速率，有兩種方式：一是改進(jìn)蓄電池的結(jié)構(gòu)以降低內(nèi)阻和提高反應(yīng)離子的擴(kuò)散速率；二是改進(jìn)蓄電池的充電方法，允許加大充電電流，縮短充電時間。2)幾種快速充電方法(1)脈沖式充電法。脈沖充電法首先是用脈沖電流對蓄電池充電，然后停充一段時間，如此循環(huán)，如圖3-8所示。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應(yīng)時間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。(2)變電流間歇充電法。變電流間歇充電法

42、是建立在恒流充電和脈沖充電的基礎(chǔ)上，如圖3-9所示。其特點(diǎn)是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。充電前期的各段采用變電流間歇充電的方法，保證加大充電電流，獲得絕大部分充電量。充電后期采用定電壓充電段，獲得過充電量，將蓄電池恢復(fù)至完全充電態(tài)。通過間歇停充，使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。(3)變電壓間歇充電法。變電壓間歇充電法如圖3-10所示。與變電流間歇充電方法不同之處在于第一階段的不是間歇恒流，而是間歇恒壓。比較圖3-9和圖3-10可

43、以看出，圖3-10更加符合最佳充電的充電曲線。在每個恒電壓充電階段，充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降，符合蓄電池電流可接受率隨著充電的進(jìn)行逐漸下降的特點(diǎn)。蓄電池剩余容量的多少一般用蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)來描述。蓄電池荷電狀態(tài)是無量綱的量，既可以反映蓄電池剩余的電量，也可以反映蓄電池消耗的電量。蓄電池荷電狀態(tài)估算是蓄電池管理系統(tǒng)的核心部分，也是蓄電池管理技術(shù)的難點(diǎn)之一。電動汽車蓄電池在使用過程中表現(xiàn)為高度非線性，這使得準(zhǔn)確估算蓄電池荷電狀態(tài)具有很大難度。目前國內(nèi)外蓄電池常用的荷電狀態(tài)估計的方法主要有放電實驗法、安時計量法、開路電壓法、負(fù)載電壓法、電化學(xué)阻抗頻譜法、內(nèi)阻法、線性模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡

44、爾曼濾波法等。1.1.放電實驗法放電實驗法放電實驗法是最可靠的蓄電池SOC估計方法，采用恒定電流進(jìn)行連續(xù)放電，放電電流與時間的乘積即為剩余電量。放電實驗法在實驗室中經(jīng)常使用，適用于所有電池，但它也存在缺點(diǎn)：一是花費(fèi)時間長，二是要必須中斷蓄電池正在進(jìn)行的工作。放電實驗法不適合行駛中的電動汽車，但可以用于電動汽車蓄電池的檢修。七、鉛酸蓄電池七、鉛酸蓄電池SOCSOC估計估計2.2.安時計量法安時計量法安時(Ah)計量法是目前最常用的蓄電池SOC估計方法。假設(shè)放電(或充電)起始狀態(tài)為SOC0，那么當(dāng)前狀態(tài)(tk時刻)的SOCk表示為式中，Ce為蓄電池額定容量；I為蓄電池電池電流；為蓄電池充放電效率。

45、3.3.開路電壓法開路電壓法蓄電池的開路電壓在數(shù)值上接近蓄電池電動勢。鉛酸蓄電池電動勢是電解液密度的函數(shù)，電解液密度隨電池放電成比例降低，用開路電壓可估計蓄電池SOC。開路電壓法的顯著缺點(diǎn)是需要蓄電池長時靜置，以達(dá)到電壓穩(wěn)定，蓄電池狀態(tài)從工作恢復(fù)到穩(wěn)定，需要幾個小時甚至十幾個小時，這給測量造成困難；靜置時間如何確定也是一個問題，所以該方法只適用于電動汽車駐車狀態(tài)。在充電初期和末期用開路電壓法估計蓄電池SOC效果好，一般常與安時計量法結(jié)合使用。4.負(fù)載電壓法負(fù)載電壓法蓄電池放電開始瞬間，電壓迅速從開路電壓狀態(tài)進(jìn)入負(fù)載電壓狀態(tài)，在蓄電池負(fù)載電流保持不變時，負(fù)載電壓隨蓄電池SOC變化的規(guī)律與開路電壓

46、隨蓄電池SOC的變化規(guī)律相似。負(fù)載電壓法的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崟r估計蓄電池組的蓄電池SOC，在恒流放電時，具有較好的效果。實際應(yīng)用中，劇烈波動的蓄電池電壓給負(fù)載電壓法應(yīng)用帶來困難。解決該問題，要儲存大量電壓數(shù)據(jù)，建立動態(tài)負(fù)載電壓和蓄電池SOC的數(shù)學(xué)模型。負(fù)載電壓法很少應(yīng)用到實際車輛上，但常用來作為蓄電池充放電截止的判據(jù)。5.電化學(xué)阻抗頻譜法電化學(xué)阻抗頻譜法電化學(xué)阻抗表示蓄電池電壓與電流之間的傳遞函數(shù)，通常是一個復(fù)數(shù)變量。測量蓄電池阻抗有恒流和恒壓兩種模式。在恒流模式下，當(dāng)電池以電流I放電或充電時，將頻譜為f的正弦電流i疊加在I上，得到電壓響應(yīng)v，蓄電池阻抗定義為式中，Z(f)為蓄電池阻抗；Imax為最

47、大電流；Vmax為最大電壓。電化學(xué)阻抗頻譜是用來估計電池SOC的有效工具，用實部與虛部表示電化學(xué)阻抗頻譜得到乃奎斯特圖；用幅值與相角表示電化學(xué)阻抗頻譜得到博德圖。不同的蓄電池SOC，蓄電池的乃奎斯特圖和博德圖中各曲線的差異具有一定的規(guī)律性，這成為估計蓄電池SOC的依據(jù)。雖然在應(yīng)用電化學(xué)阻抗頻譜法估算蓄電池SOC方面做了大量的研究工作，但因這項技術(shù)目前仍存在爭議，故很少應(yīng)用到實際中。6.6.內(nèi)阻法內(nèi)阻法蓄電池內(nèi)阻有交流內(nèi)阻(常稱為交流阻抗)和直流內(nèi)阻之分，它們都與SOC有密切關(guān)系。蓄電池交流阻抗為蓄電池電壓與電流之間的傳遞函數(shù)，是一個復(fù)數(shù)變量，表示蓄電池對交流電的反抗能力，用交流阻抗儀來測量。蓄

48、電池交流阻抗受溫度影響大，是對蓄電池處于靜置后的開路狀態(tài)，還是對蓄電池在充放電過程中進(jìn)行交流阻抗測量，存在爭議，所以很少用于實車上。直流內(nèi)阻表示蓄電池對直流電的反抗能力，等于在同一很短的時間段內(nèi)，電池電壓變化量與電流變化量的比值。實際測量中，將蓄電池從開路狀態(tài)開始恒流充電或放電，相同時間里負(fù)載電壓和開路電壓的差值除以電流值就是直流內(nèi)阻。鉛酸蓄電池在放電后期，直流內(nèi)阻明顯增大，可用來估計蓄電池的SOC。直流內(nèi)阻的大小受計算時間段影響，若時間段短于10ms時，只有歐姆內(nèi)阻能夠檢測到；若時間段較長，內(nèi)阻將變得復(fù)雜。準(zhǔn)確測量蓄電池單體內(nèi)阻比較困難，這是直流內(nèi)阻法的缺點(diǎn)。內(nèi)阻法適用于放電后期蓄電池SOC

49、的估計，可與安時計量法組合使用。7.7.線性模型法線性模型法線性模型法是基于電流、電壓、SOC變化量和上一個時間點(diǎn)的SOC值間的關(guān)系建立的線性方程，方程具體表達(dá)式為 式中，SOCi為當(dāng)前時刻的SOC值；SOCi為SOC的變化量；Vi、Ii分別為當(dāng)前時刻的電壓與電流。k0k3為利用參考數(shù)據(jù)，可通過最小二乘法得到其值，無物理意義。上述模型適用于小電流放電且蓄電池SOC變化緩慢的情況，對測量誤差和錯誤的初始條件有很高的魯棒性。8.8.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法蓄電池是高度非線性的系統(tǒng)，對其充放電過程很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性的基本特性，并具有并行結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)能力，對于外部激勵，能給出相應(yīng)的輸

50、出，所以能夠模擬蓄電池的動態(tài)特性來估算蓄電池SOC。估計電池SOC常采用三層典型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即輸入層、中間層和輸出層。輸入、輸出層神經(jīng)元個數(shù)根據(jù)實際問題的需要來確定，一般為線性函數(shù)，常用電壓、電流、累積放出電量、溫度、內(nèi)阻及環(huán)境溫度等作為輸入變量；中間層神經(jīng)元個數(shù)取決于問題的復(fù)雜程度及分析精度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法適用于各種電池，缺點(diǎn)是需要大量的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，估計誤差受訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法的影響很大。9.9.卡爾曼濾波法卡爾曼濾波法利用卡爾曼濾波方法估算蓄電池SOC的研究是在近幾年才開始的，卡爾曼濾波的一個顯著特點(diǎn)是用狀態(tài)空間的概念來描述其數(shù)學(xué)模型。卡爾曼濾波另一個新穎特點(diǎn)是它的解是遞歸計算的，而且可不

51、加修改地應(yīng)用于平穩(wěn)和非平穩(wěn)環(huán)境。鎳氫電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型綠色電池，具有高能量、長壽命、無污染等特點(diǎn)，因而成為世界各國競相發(fā)展的高科技產(chǎn)品之一。相對鉛酸蓄電池，鎳氫電池在能量體積密度方面提高了3倍，在比功率方面提高了10倍。2010年12月10日的Automotive News(汽車新聞)引用了一位豐田高層人士的話指出，在未來10年內(nèi)豐田仍會堅持使用老一代的鎳金屬電池，12年的批量化生產(chǎn)已經(jīng)證明了鎳氫電池的有效性和安全性，雖然在未來鎳氫電池終會被鋰離子電池取代，但鋰離子電池更適合插電式和純電動汽車使用，而混合動力汽車需要電池有快速充電和放電性能，在這點(diǎn)上鎳氫電池的優(yōu)點(diǎn)依然明顯

52、。目前鎳氫電池用于電動汽車主要在日本、美國、德國和法國進(jìn)行開發(fā)。日本從事電動汽車用鎳氫電池開發(fā)的主要代表性廠家為松下電池公司。松下成功開發(fā)了純電動汽車用的高能型電池組和混合動力汽車用的高功率型電池組，并且將電池成本降到500美元/(kWh)左右。豐田“普銳斯”、“雷克薩斯LS600h”等混合動力汽車均采用鎳氫充電電池。 任務(wù)三鎳氫電池任務(wù)三鎳氫電池一、電動汽車用鎳氫電池的發(fā)展動態(tài)一、電動汽車用鎳氫電池的發(fā)展動態(tài)日本豐田FCHVadv型車為燃料電池混合動力汽車，配備了燃料電池和鎳氫電池，其中鎳氫電池為電動機(jī)的起動及燃料電堆起動提供電能，一次充滿氫的續(xù)駛里程為830km左右。美國Ovonic公司在

53、美國先進(jìn)電池開發(fā)聯(lián)合體(USABC)的資助下開展電動汽車用MHNi蓄電池的開發(fā)，研制水平達(dá)到了USABC制定的中期發(fā)展目標(biāo)。美國Ovonic公司生產(chǎn)的混合動力汽車用鎳氫動力電池在世界眾多汽車廠家有著廣泛的使用，如豐田Prius、Camry、本田Civic、Insigtlt、福特Fusion、Escape、雷克薩斯RX400h、保時捷Cayenne等。Ovonic公司2011年3月份制定車用鎳氫電池技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖，提出了“Half the size，Half the cost”(體積減半，耗費(fèi)減半)的口號。未來鎳氫電池的研究重點(diǎn)集中在三個方面：儲氫合金的改進(jìn)；穩(wěn)定高比容量正極材料Ni(OH)2的制

54、備與O2控制；電解液的重新分配。德國Varta公司開發(fā)的超高功率鎳氫電池功率密度已達(dá)到1000W/kg，但其比能量僅為40Wh/kg。這種電池也很好地適應(yīng)了42V汽車電氣系統(tǒng)的需求，它不但放電功率高，脈沖充電功率也高達(dá)1100W/kg(單體電池水平)，而且在低溫25時脈沖充電功率還能達(dá)到500W/kg。法國Saft公司的4/5SF型(41mm93mm)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，功率密度達(dá)2500W/L。在鎳氫電池領(lǐng)域，我國在技術(shù)和資源上均具有優(yōu)勢，我國的氫氧化鎳性能世界領(lǐng)先，稀土資源豐富，具有得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢。目前，在國內(nèi)

55、鎳氫電池領(lǐng)域，春蘭集團(tuán)與科力遠(yuǎn)成為主要的競爭對手。除上述兩家外，包鋼稀土、中炬高新及天津藍(lán)天高科也在生產(chǎn)鎳氫電池，而廈門鎢業(yè)、吉恩鎳業(yè)則是鎳氫電池材料供應(yīng)商。2007年春蘭動力電池制造公司通過對所生產(chǎn)電池的上百次實驗，掌握了電池最新封裝技術(shù)，各項性能指標(biāo)達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)，從而為高能動力鎳氫電池的輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系統(tǒng)化，提供了高可靠性、可管理性、經(jīng)濟(jì)性的整體解決方案。春蘭首先解決了高能動力鎳氫電池的儲氫技術(shù)，其次解決了散熱、放電效果、穩(wěn)定性等一系列技術(shù)問題。另外，春蘭采用了國際一流的生產(chǎn)設(shè)備，并在這種電池上應(yīng)用了一種達(dá)到歐盟環(huán)保要求的無毒高密度封裝材料。經(jīng)測試，應(yīng)用最新封裝技術(shù)的春蘭高能動力

56、鎳氫電池，能量密度高，質(zhì)量比能量最大已達(dá)84.5Wh/kg；放電性能強(qiáng)，其單體電池1.2V 16Ah常溫下以不同倍率進(jìn)行放電，放電平臺穩(wěn)定，在12C倍率下的放電平臺在1V以上，3C放電容量可達(dá)額定容量的90%以上；循環(huán)壽命長，按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18332.22001進(jìn)行單體電池80%DOD循環(huán)壽命測試，循環(huán)壽命大于1300次。使用過程中不需要進(jìn)行維護(hù)，也無任何物質(zhì)泄出，即使出現(xiàn)短路、跌落、加熱、振動等現(xiàn)象也不會爆炸、燃燒。由于封裝技術(shù)十分先進(jìn)，因而，春蘭高能動力鎳氫電池比其他同類型電池質(zhì)量輕、體積小、功率大、能量高，進(jìn)行組合后，模塊化和系統(tǒng)集成效果好，電源管理靈敏，可靠性、經(jīng)濟(jì)性十分顯著。目

57、前，春蘭研發(fā)的42V超大容量和500A以上大電流高能動力鎳氫電池組及管理系統(tǒng)，已應(yīng)用于長春、武漢、無錫、天津、聊城、株洲、上海等地的城市混合動力公交車上，已成功地進(jìn)行了示范運(yùn)行，并全面通過了國家發(fā)改委電動車管理動力電池強(qiáng)制檢測標(biāo)準(zhǔn)。配置了春蘭高能動力鎳氫電池的電動車，還大量出口到法國、意大利、德國等節(jié)能和環(huán)保要求相當(dāng)嚴(yán)格的歐盟國家。湖南神舟科技股份有限公司也是一家專業(yè)從事大功率和超大功率鎳氫動力電池的研究、開發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)。研制的高功率40Ah鎳氫電池的連續(xù)充電電流可達(dá)4C，連續(xù)放電電流可達(dá)8C；在2045的溫度范圍內(nèi)能夠適應(yīng)大電流連續(xù)充放電工作；單體電池1C充電80%SOC、2C

58、放電100%DOD的循環(huán)壽命超過3100次，且在壽命期內(nèi)，容量高于40Ah的循環(huán)次數(shù)達(dá)2700次，單組電池裝車運(yùn)行已累計超過10萬km。其8Ah的鎳氫電池主要與轎車配套，比能量為45Wh/kg，比功率為800W/kg，電池的循環(huán)壽命超過400次。江蘇奇能電池有限公司(中澳合資企業(yè))采用國內(nèi)外最先進(jìn)的設(shè)備和一流的綠色環(huán)保技術(shù)，使用國內(nèi)外高質(zhì)量的原材料，專業(yè)生產(chǎn)鎳氫高功率型電池，產(chǎn)品生產(chǎn)過程實施嚴(yán)格的質(zhì)量管理辦法進(jìn)行質(zhì)量控制。產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，循環(huán)使用壽命長，功率性能卓越，高低溫充放電效率高，可廣泛應(yīng)用在混合型電動汽車、電動自行車、助動車、高爾夫車、老人代步車和電動工具等領(lǐng)域。奇能動力鎳氫電池項目

59、主要生產(chǎn)混合動力汽車電源系統(tǒng)，也是國家重點(diǎn)鼓勵發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)項目。雖然鎳氫電池在技術(shù)上取得了很大突破，但仍有不少因素制約其實際應(yīng)用，包括高溫性能、儲存性能、循環(huán)壽命、電池組管理系統(tǒng)、熱管理和價格等。1.1.鎳氫電池的分類鎳氫電池的分類按照外形，鎳氫電池可以分為：方形鎳氫電池和圓形鎳氫電池。2.2.鎳氫電池的結(jié)構(gòu)鎳氫電池的結(jié)構(gòu)鎳氫電池主要由正極、負(fù)極、極板、隔板、電解液等組成。鎳氫電池正極是活性物質(zhì)氫氧化鎳，負(fù)極是儲氫合金，用氫氧化鉀作為電解質(zhì)，在正負(fù)極之間有隔膜，共同組成鎳氫單體電池。在金屬鉑的催化作用下，完成充電和放電的可逆反應(yīng)。鎳氫電池的極板有發(fā)泡體和燒結(jié)體兩種，發(fā)泡體極板的鎳氫電池在出

60、廠前必須進(jìn)行預(yù)充電，且放電電壓不能低于0.9V，工作電壓也不太穩(wěn)定，特別是在存放一段時間后，會有近20%的電荷流失，老化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，為避免發(fā)泡鎳氫電池老化所造成的內(nèi)阻增高，鎳氫電池在出廠前必須進(jìn)行預(yù)充電。經(jīng)過改進(jìn)的燒結(jié)體極板的鎳氫電池，其燒結(jié)體極板本身就是活性物質(zhì)，不需要進(jìn)行活性處理，也不需要進(jìn)行預(yù)充電，電壓平衡、穩(wěn)定，具有低溫放電性能好、不易老化和壽命長的優(yōu)點(diǎn)。二、鎳氫電池的分類與結(jié)構(gòu)二、鎳氫電池的分類與結(jié)構(gòu)鎳氫電池的基本單元是單體電池，按使用要求組合成不同電壓和不同電荷量的鎳氫電油總成。圖3-11所示的是我國自主研發(fā)的電動汽車用鎳氫電池。鎳氫電池具有無污染、高比能、大功率、快速充放電、耐