汽车新能源运用技术项目二.ppt

任务三其他类型动力蓄电池任务三其他类型动力蓄电池 任务四逆变器与变频器任务四逆变器与变频器 任务一电动机任务一电动机 任务二蓄电池任务二蓄电池 任务五空调与转向系统任务五空调与转向系统 蒸汽机启动了18世纪第一次产业革命以后，19世纪末到20世纪上半叶的第二次产业革命，使人类进入了电气化时代。20世纪下半叶的信息技术引发了第三次产业革命，使生产和消费从工业化向自动化、智能化时代转变；推动了新一代高性能电动机驱动系统与伺服系统的研究与发展。21世纪伊始，世界汽车工业又站在了革命的门槛上；电动车(包括纯电动车、混合动力汽车、燃料电池电动车)概念的提出，将会是未来世界汽车工业发展的新方向。本章将介绍电动汽车的电动机、动力电池等电动汽车的核心技术。任务一电动机任务一电动机 电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电动机，最早是采用了控制性能好和成本较低的直流电动机。随着电子技术、机械制造工艺技术及自动控制技术的发展，电动车(混合动力汽车)性能的提高，其在高负载下转速的限制、体积大等缺点逐渐暴露，取而代之的是交流异步电动机、永磁电动机、开关磁阻电动机以及新型的双凸极永磁电动机，上述电动机用于电动汽车上所表现出来的性能也是一个比一个优越。1.1.电动机的定义电动机的定义电动机(Motors)是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式闭合铝框形成磁电动力旋转转矩。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线(磁场方向)方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。2.2.负载性质负载性质负载性质是指负载类型及其机械特性，是连续运行的负载还是断续运行的负载，是恒定的转矩，还是变化的转矩，是恒转速运行还是变速运行等。在改变负载时，表示负载转速与驱动负载所需转矩之间的关系.称为负载的转矩转速特件，该特性是选择电动机的最基本因素。3.3.负载容量负载容量负载容量是根据对电动机功率和转矩的大小而确定的，电动机功率的选择应满足配套机械负载必需的容量，不要过大，也不可以过小。功率选得过大，不能充分发挥电动机效率，增加投资费用和运行费用，浪费电力；功率选得过小，会使电动机超负荷工作，电动机发热量大，绝缘寿命缩短。一、电动汽车电动机的相关概念一、电动汽车电动机的相关概念电动汽车驱动电动机种类如图2-1所示。二、电动汽车用电动机分类二、电动汽车用电动机分类1.1.按工作电源分类按工作电源分类根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。交流电动机与直流电动机相比较，交流电动机的体积小、重量轻、效率高，采用变频调速技术时，调速范围宽，可靠性约为直流电动机的6倍，维护保养费用低。交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。2.2.按结构及工作原理分类按结构及工作原理分类电动机按结构及工作原理可分为直流电动机、异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。3.3.按起动与运行方式分类按起动与运行方式分类电动机按起动与运行方式可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。4.4.按运转速度分类按运转速度分类电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机和调速电动机。5.5.按绝缘等级分类按绝缘等级分类电动机按绝缘等级分为Y级、A级、E级、B级、F级、H级、C级。见表2-1。6.6.按额定工作制分类按额定工作制分类电动机按额定工作制分连续、断续、短时工作制。1)连续工作制(S1)。电动机在铭牌规定的额定值条件下，保证长期运行。2)短时工作制(S2)。电动机在铭牌规定的额定值条件下，只能在限定的时间内短时运行。短时运行的持续时间标准有四种：10min、30min、60min及90min。3)断续工作制(S3)。电动机在铭牌规定的额定值条件下，只能断续周期性使用，用每周期10min的百分比表示。如：持续率FC25%；其中包括S4S10都属于几种不同条件的断续运行工作制。电动汽车驱动电动机主要包括直流电动机和交流电动机。目前广泛使用的交流电动机有交流感应电动机、开关磁阻电动机和永磁电动机(包括无刷直流电动机和永磁同步电动机)。1.1.直流电动机直流电动机(DCM)(DCM)(1)定义直流电动机(Direct Current motor，DC Motor)将直流电能转换为机械能。电动机定子提供磁场，直流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变。(2)特点1)调速性能好。“调速性能”是指电动机在一定负载条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。2)起动转矩大。可以均匀而经济地实现转速调节，因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。3)高速性能不佳。由于存在电刷和换向器，其高速性能及可靠性受到影响。随着电力电子技术、自动控制技术和计算机技术的发展，直流电动机已逐步被交流电动机替代。(3)构造直流电动机的结构分为定子与转子两部分。其中，定子包括主磁极、机座、换向极、电刷装置等；转子包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴和风扇等。三、电动汽车常用的电动机三、电动汽车常用的电动机2.2.交流感应电动机交流感应电动机(Induction Motor)(Induction Motor)(1)定义交流感应电动机又称交流异步电动机，由定子绕组形成的旋转磁场与转子绕组中感应电流的磁场相互作用而产生电磁转矩驱动转子旋转的交流电动机(图2-2)。转子是可转动的导体，通常多呈鼠笼状。定子是电动机中不转动的部分，主要任务是产生一个旋转磁场。旋转磁场并不是用机械方法来实现的，而是以交流电通于数对电磁铁中，使其磁极性质循环改变，故相当于一个旋转的磁场。这种电动机并不像直流电动机有电刷或集电环，依据所用交流电的种类有单相电动机和三相电动机。单相电动机用于洗衣机、电风扇等，三相电动机则作为工厂的动力设备。(2)特点交流感应电动机具有结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、低转矩脉动和低噪声的特点，近年来被广泛应用于汽车。其最大缺点是驱动电路复杂，相对于永磁电动机而言，感应电动机(异步电动机)效率和功率密度偏低。(3)工作原理异步电动机定子上有三相对称的交流绕组。三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电动机气隙 空间产生旋转磁场，转子绕组的导体处于旋转磁场中，转子导 体切割磁力线，并产生感应电动势。转子导体通过端环自成闭 路，并通过感应电流。异步电动机的设计、生产特别要注意标 准化、系列化、通用化。3.3.永磁无刷电动机永磁无刷电动机与传统的电励磁电动机相比，永磁电动机特别是稀土永磁电动机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量小、损耗少、效率高以及电动机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，因此其应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。永磁无刷电动机可以看做是一台用电子换向装置取代机械换向的直流电动机。永磁无刷直流电动机主要由永磁电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路组成(图2-3)。无论是结构或控制方式，永磁直流无刷电动机与传统的盲流电动机都有很多相似之处：用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极；用具有多相绕组的定子取代电枢；用由固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。4.4.开关磁阻电动机开关磁阻电动机(1)定义开关磁阻电动机(Switched Reluctance Drive，SRD)是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术产品(图2-4)。它具有调速系统，兼具直流、交流两类调速系统的优点。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果，开关磁阻电动机，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域，产品功率范围lOW5MW，最大速度高达100000r/min。(2)特点开关磁阻电动机调速系统的性能特点主要表现在以下几方面：1)结构简单。电动机结构简单、成本低，可用于高速运转。其突出的优点是转子机械强度极高，可以用于超高速运转(如每分钟上万转)；在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便，绝缘结构简单。2)起动转矩大，起动电流低。控制器从电源侧吸收较少的电流，得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。起动电流小而转矩大的优点还可以延伸到低速运行段，因此本系统十分合适那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械。3)适用于频繁起停及正反向转换运行。本系统具有的高起动转矩、低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还要小。可控参数多使其制动运行能与电动机运行具有同样优良的转矩输出能力和工作特性，适用于频繁起停及正反向转换运行，次数可达1000次/h。4)可控参数多，调速性能好。可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采取不同控制方法和参数值，即可使之运行于最佳状态(如出力最大、效率最高等)，还可使之实现各种不同功能的特定曲线。如使电动机具有完全相同的四象限运行能力，并具有最高起动转矩和串励电动机的负载能力曲线。5)效率高，损耗小。本系统是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机绕组无铜损；另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。可通过机和电的统一协调设计，满足各种特殊使用要求。6)缺点：转矩脉冲大，噪声大，相对于永磁电动机而言，功率密度和效率偏低。5.5.永磁电动机永磁电动机永磁电动机包括反电动势为方波的无刷直流电动机和反电动势为正反弦波的永磁同步电动机。(1)无刷直流电动机无刷直流电动机具有高转矩密度、高功率密度、位置检测和控制方法简单、效率高等优点。但因换向电流难以达到理想状况，造成电动机存在一定程度的转矩脉动及振动噪声，因此较适合应用于减速系统和车速不高的电动汽车。(2)永磁同步电动机永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。(3)分类与特点永磁同步电动机的转子结构按定、转子的内外关系，可分为外转子结构和内转子结构。通常使用的内转子结构，又可分为三种：表面式、内置式和爪极式。爪极式结构一般只用于低性能的永磁同步电动机；表面式转子结构中的永磁体通常呈瓦片形状，位于转子铁心的外表面上，提供磁通的方向为径向；而内置式转子结构中的永磁体通常为条状，位于转子铁心的内部，提供的磁通方向和转子具体的结构形式有关。永磁同步电动机有如下的特点：1)高起动转矩、高过载能力。稀土永磁同步电动机起动转矩和过载能力均比三相异步电动机高出一个功率等级，最大起动转矩与额定转矩之比可达3.6倍，而一般异步电动机仅有1.6倍。2)运行效率高、节能效果尤为明显。永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流就可以显著提高功率因数(可达到1，甚至容性)，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，可以因总损耗降低而减小风扇(小容量电动机甚至可以去掉风扇)和相应的风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机提高2%8%。表2-2为电动汽车常用电动机的比较。电力驱动系统是电动汽车的心脏。电动汽车的电力驱动系统包括电动机驱动装置、机械传动装置。在电动机驱动装置中电动机是汽车驱动系统的核心。在确定电动汽车所采用的电动机时，首先应采用技术成熟，性能可靠，控制方便和价格便宜的现成的电动机。一般情况下，电动机性能必须充分满足单独用电力驱动模式行驶工况时的要求。电动机在低速时应具有大的转矩和超载能力；在高速运转时，应具有大的功率和有较宽阔的恒功率范围；有足够的动力性能来克服整车的各种阻力，保证其有良好的起动、加速性能和行驶速度及实现制动时的能量回收。因此，选择合适的电动机与电动汽车的性能有着至关重要的关系。1)电动汽车上所使用的电动机往往要求频率起动，频率加减速以及工作模式的频繁切换，这对电动机的响应性提出了更高的要求。2)在允许的范围内，应尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。丰田Prius由THS的274V提高到THS的500V，在尺寸不变的情况下，最高功率由33kW提高到50kW，最大转矩由350Nm提高到400Nm。由于汽车内部空间紧张，往往要求电动机系统体积小、质量轻，以及具有较高的功率密度和工作效率等性能要求。3)相对于传统电动机相比，电动汽车所使用的电动机系统的工作环境更加恶劣，干扰更大，从而要求它具有更高的可靠性、抗振性和抗干扰性；需要有45倍的过载，以满足短时加速行驶与最大爬坡的要求(一般的工业电动机只要2倍即可)。四、电动汽车电动机的选用策略四、电动汽车电动机的选用策略4)传统电动机一般工作在额定工作点附近，而电动汽车电动机的工作范围相对较宽，却由于电动机工作模式的特殊性，额定功率这个参数对于电动机而言，没有特大意义。5)现在混合动力汽车上主要采用能够实现变频、调速的高转速电动机，高速电动机的转速可以达到1000012000r/min。在高速运转时，有更大的功率和有较宽阔的恒功率范围，体积较小和质量较小，但要求装置高精度的高速轴衬，需要用高品质的材质来制作，并要保证高效率的冷却。表2-3列出了电动汽车中不同电动机的优、缺点。由于存在上述区别，车用驱动电动机应满足如下要求：1)体积小，质量轻。2)在整个运行范围内的高效率。3)低速大转矩特性及宽范围恒功率特性。4)良好的环境适应性和高可靠性。5)价格低。丰田普锐斯丰田普锐斯(Pruis)(Pruis)电动汽车电动机电动汽车电动机丰田公司油电电动系统的电动机中采用了交流同步原动机。该装置一直到高旋转带都可高效地产生高转矩，同时可任意控制转速和产生的转矩。另外，它还拥有小型、轻量、高效等特点，具有优秀的动力性能，可进行顺畅的起动、加速等各种操作。丰田普锐斯(Pruis)电动汽车电动机构造及性能曲线如图2-5所示。丰田普锐斯(Pruis)电动汽车电动机采用三相交流方式，能根据行驶情况准确地控制旋转磁场和旋转磁石的角度；将转子内的永久磁石排列成理想的V字形；电动机的最大电压为500V，最大输出功率为50kW，最大转矩为400Nm。任务二蓄电池任务二蓄电池早在1873年，英国人首先制造了使用蓄电池作为储能装置的电动汽车，但由于燃油发动机汽车的综合性能大大提高，而蓄电池技术发展缓慢，电动汽车才逐渐被燃油发动机所取代。然而，长期以来随着能源问题、环境问题的日益严峻，能实现“当地零排放”的电动汽车又一次成为了人们关注的焦点。在目前的电动汽车上，车载动力源一般都是各式各样的蓄电池，利用周期性的充电来补充电能。一、蓄电池的定义与分类一、蓄电池的定义与分类1.1.蓄电池的定义蓄电池的定义蓄电池(Battery)指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间。2.2.蓄电池的记忆效应和消除方法蓄电池的记忆效应和消除方法如果蓄电池属镍镉蓄电池，长期不彻底充、放电，会在蓄电池内留下痕迹，降低蓄电池容量，这种现象被称为蓄电池记忆效应。消除记忆的方法是把蓄电池完全放电，然后重新充满。放电可利用放电器或具有放电功能的充电器，然后，要确保蓄电池能重新充满。应依照说明书的指示来控制时间，重复充、放电两至三次，这样就可以清除蓄电池的记忆效应。3.3.蓄电池的分类蓄电池的分类蓄电池的分类有不同的方法，大体上可分为四大类：(1)按电解液种类分类1)碱性蓄电池，电解质主要以氢氧化钾水溶液为主的蓄电池：如：碱性锌锰蓄电池(俗称碱锰蓄电池或碱性蓄电池)、镉镍蓄电池，镍氢蓄电池等。2)酸性蓄电池，主要以硫酸水溶液为介质，如锌锰干蓄电池(有的消费者也称为酸性蓄电池)、海水蓄电池等。3)有机电解液蓄电池，主要以有机溶液为介质的蓄电池，如锂蓄电池、锂离子蓄电池等。(2)按工作性质分类一次蓄电池，又称原蓄电池，即不能再充电的蓄电池，如锌锰干蓄电池，锂原蓄电池等；二次蓄电池，即可充蓄电池，如镍氢蓄电池、锂离蓄电池、镉镍蓄电池等；不可充电的蓄电池称为一次性蓄电池，它只能将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学能，或者还原性能极差。(3)按储存方式分类蓄电池习惯上指铅酸蓄电池，也称为可充电的二次性蓄电池。它能将电能转变成化学能储存起来，在使用时再将化学能转换成电能，它是可逆的。燃料蓄电池，即活性材料在蓄电池工作时才连续不断地从外部加入蓄电池，如氢氧燃料蓄电池等；储备蓄电池，即蓄电池储存时不直接接触电解液，直到蓄电池使用时，才加入电解液，如镁化银蓄电池又称海水蓄电池等。(4)按蓄电池所用正、负极材料分类按蓄电池所用正、负极材料划分包括锌系列蓄电池，如锌锰蓄电池、锌银蓄电池等；镍系列蓄电池，如镉镍蓄电池、氢镍蓄电池等；铅系列蓄电池，如铅酸蓄电池等；锂离子蓄电池、锂锰蓄电池；二氧化锰系列蓄电池，如锌锰蓄电池、碱锰蓄电池等；空气(氧气)系列蓄电池，如锌空蓄电池等。图2-6为化学蓄电池的分类。4.4.蓄电池主要性能指标蓄电池主要性能指标1)比能量。指单位质量的电能储存装置所能输出的能量，单位为J/kg、Wh/kg、kWh/kg。比能量越高，汽车用电能行驶的距离越长。2)能量密度。指单位体积电能储存装置所能输出的能量，单位为Wh/L、kWh/L。能量密度越高，汽车的载质量和车内空间越大。3)比功率。指单位质量电能储存装置所具有电能的功率，单位为W/kg、kW/kg。比功率越大，汽车加速、爬坡性能越好，最高车速越高。4)功率密度。指单位体积电能储存装置具有的电能功率，单位为W/L、kW/L。密度越大，汽车的载质量和车内空间越大。5)寿命。指使用时间的长短、放电循环次数的多少。单位为年、小时或循环次数。6)充放电效率。指充入/输出电能储存装置的电能占充电/放电时消耗电能的百分比。SOC(荷电状态)是指剩余容量与全荷电容量的比值。7)自放电率。指蓄电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得蓄电池容量损失的速度，自放电率用单位时间(月/年)内蓄电池容量下降的百分数来表示。8)按一定标准规律的放电。当蓄电池的容量降到某一个规定值以前，就要停止继续放电，然后需要充电才能继续使用(锂离子动力蓄电池充放电控制在40%70%之间)。随着充放电次数的增加，蓄电池中的化学活性物质会发生老化变质，逐渐削弱其化学功能，使得蓄电池的充电和放电效率逐渐降低，最后蓄电池丧失全部功能而报废。蓄电池充电和放电的循环次数与蓄电池的充电和放电形式、蓄电池的温度和放电深度有关，放电深度“浅”时，有利于延长蓄电池的寿命。1.1.动力蓄电池的定义动力蓄电池的定义动力蓄电池即为工具提供动力来源的电源，多指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。动力蓄电池组是电动汽车的关键装备，它储存的电能、质量和体积，对电动汽车的性能起到决定性的影响。2.2.动力蓄电池的分类动力蓄电池的分类电动汽车的动力蓄电池可以分为二次蓄电池、超级电容器和飞轮蓄电池三大类。1)二次蓄电池也称可充电蓄电池，主要有铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子蓄电池、镍金属氢化物蓄电池。2)超级电容器又叫电化学电容器，是新型双电层电容器，具有电容量大的特点。3)飞轮蓄电池亦称飞轮储能器，是利用飞轮高速旋转储存和释放电能的装置。二、电动汽车常用的蓄电池二、电动汽车常用的蓄电池目前，电动汽车用动力蓄电池已经经过了三代的发展。第一代电动汽车用蓄电池都是铅酸蓄电池，由于铅酸蓄电池的比能量和比功率不能满足电动汽车动力性能的要求，所以就进一步发展了阀控铅酸蓄电池、铅布蓄电池等，使得铅酸蓄电池的比能量有所提高。第二代的高能蓄电池有镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、钠硫蓄电池、锂离子蓄电池等。第二代动力蓄电池的比功率和比能量都比能量都比铅酸蓄电池高出很多，大大提高了电动汽车的动力性和续驶里程。但是第二代动力蓄电池依然是电能化学能电能的化学反应过程中储存和供给电能，有一些特殊使用条件和一定的局限性，其中有些高能蓄电池还需要复杂的蓄电池管理系统和温度控制系统，各种蓄电池对充电技术还有不同的要求。而且第二代蓄电池在使用一定的次数后会出现老化甚至报废的情况，几乎或者完全丧失充放电能力，并且会造成污染。这无疑又增加了电动汽车的使用成本。第三代蓄电池是以燃料蓄电池为主的蓄电池，燃料蓄电池直接将燃料的化学能转化成电能，能量转变的效率高，比能量和比功率高，并且燃料蓄电池在能量转化过程可以连续进行，反应过程能够有效地控制，是比较理想的燃料蓄电池电动汽车用蓄电池。但是燃料蓄电池的燃料往往有毒有害，而且价格昂贵，需要对车辆进行额外的设计，增加了设计和制造成本。除此以外，飞轮储能器、超级电容也是常见的电动汽车车载动力源。飞轮储能器是电能机械能电能转换装置，可以瞬间输出很高的功率。而超级电容具备了电能电位能电能转换的能力，而且其充放电时间比起传统蓄电池来说有很大的提高。以上种种装置都有自己的优缺点，但是综合现有技术条件以及相关技术成本，现代电动汽车普遍使用先进的高能蓄电池作为其动力源。动力蓄电池组一般是给直流电，然后经过变频器或逆变器转换成频率和电压幅值可调的交流电，供给驱动电动机来驱动车辆行驶。纯电动汽车所采用的动力蓄电池组，要求有较大的比能量，而电动汽车所采用的动力蓄电池组，则要求有较大的比功率，两种蓄电池在性能方面各有侧重。现在的动力蓄电池都是使用高能蓄电池，使电动汽车的动力性能不断提高，一次充电后的续驶里程也不断地延长。3.3.电动汽车常用的蓄电池电动汽车常用的蓄电池在电动汽车上使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池、镍氢蓄电池(MHNi)和锂离子蓄电池。例如，克莱斯勒：ESX2采用铅酸蓄电池，丰田Prius和本田Insight用镍氢蓄电池，日产Tino用锂离子蓄电池。1)铅酸蓄电池铅酸蓄电池如图2-7所示。铅酸蓄电池可分为两类：注水式铅酸蓄电池和阀控式铅酸蓄电池。前者廉价但需要经常维护；后者可通过安全控制阀自动调节密封蓄电池体内充电或工作异常产生的多余气体，免维护。铅酸蓄电池作为纯电动汽车动力电源在比能量、深放电循环寿命、快速充电等方面均比镍氢蓄电池、锂离子蓄电池差，不适合于电动轿车。但由于其价格低廉，应用定位在速度不高、路线固定、充电站设立容易规划的车辆和作为起动机和电子电器设备的电源。电动道路车辆用蓄电池以“电”的汉语拼音“D”表示。阀控密封式铅酸蓄电池以“M”表示；免维护铅酸蓄电池以“W”表示。如6DM55，表示单体蓄电池为6只、额定容量为55Ah的电动车辆用阀控密封式铅酸蓄电池。铅酸蓄电池的不足：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；使用寿命短，使用成本高；铅是重金属，存在污染(铅毒、酸雾、锑和砷、镉)；充电时间长。图2-8为可溶性玻璃纤维铅酸蓄电池。(2)镍氢蓄电池镍氢蓄电池是20世纪90年代发展起来的一种新型蓄电池。它的正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要由储氢合金制成，是一种碱性蓄电池。镍氢蓄电池具有高比能量，高功率，适合大电流放电，可循环充放电，无污染，耐过充过放，无记忆效应，使用温度范围宽，安全可靠等特点，被誉为“绿色电源”。目前，镍氢蓄电池主要应用于混合电动车。全球镍氢蓄电池70%以上在中国生产，中国镍氢蓄电池企业主要包括超霸、豪鹏、比亚迪、环宇、科力远、力可兴、三普、迪生、三捷、量能、格瑞普等。日本企业松下、汤浅、三洋已将小型镍氢蓄电池生产转移到中国，大型镍氢蓄电池已主要由松下生产。大功率的镍氢蓄电池也使用在油电混合动力车辆中，最佳的例子就是丰田的Prius，该车使用了特别的充放电程序，使蓄电池充放电寿命可足够车辆使用10年。其他使用镍氢蓄电池的混合动力车辆有福特汽车的Ford Escape、雪佛兰的Chevrolet Malibu(图2-9)、本田的Honda Civic Hybrid。从目前车用蓄电池的发展来看，镍氢蓄电池可能是电动汽车动力能源的首选蓄电池，它已经规模化生产性能稳定，其在质量比、体积比、功率、蓄电池寿命和重复充放电次数方面均已达到USABC(美国先进蓄电池联合会)性能指标。从产品规模化、生产程度和发展前景看，有可能成为电动汽车用蓄电池的潜在竞争者，其容量大、体积质量小的优点正符合现代电动汽车的要求。(3)锂离子蓄电池锂离子蓄电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池。锂离子蓄电池具有工作电压高，比能量高，充放电寿命长，无记忆效应，无污染，快速充电，自放电率低，工作温度范围宽，安全可靠和能够制造成任意形状等优点，主要集中在大容量、长寿命和安全性三个方面。图2-10为我国自主开发的锂离子蓄电池。我国已成为仅次于日本的锂离子蓄电池生产大国，未来几年会在材料、技术、工艺和装备等方面取得突破性进展，“汽车级”的锂离子蓄电池将批量进入市场，服务于即将快速发展的电动车行业。锂离子蓄电池的负极是储锂材料，正极是含锂的过渡金属化合物LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等，电解质是锂盐的有机溶液或聚合物。锂离子蓄电池也有一些不足，主要表现在以下两方面：1)成本高。主要是正极材料LiCoO2的价格高，但按单位瓦时的价格来计算，已经低于镍氢蓄电池，与镍镉蓄电池持平，但高于铅酸蓄电池。2)必须有特殊的保护电路，以防止过充电。图2-11为奔驰S400 Blue Hybrid上的锂离子蓄电池。表2-4列出了动力蓄电池种类性能对比。丰田普锐斯丰田普锐斯(Pruis)(Pruis)电动汽车蓄电池电动汽车蓄电池镍氢蓄电池拥有最高的输入输出密度，且轻型、耐用。安装在普锐斯轿车油电混合动力系统上的高输出镍氢蓄电池(图2-12)具有高输入输出密度(每质量的输出)和重量轻、寿命长等特点；无需利用外界电源进行充电，也无需定期交换。全新设计了电极材料及单蓄电池(一个镍氢蓄电池)之间的连接结构，减少了镍氢蓄电池的内部电阻，因此，安装在普锐斯Prius上的蓄电池单元实现了约540W/kg的输入输出密度，居世界最高水平。另外，还使用车辆加速时的放电、减速时的再生制动器以及用发动机行驶时产生的剩余能量来进行充电，从而累积充电放电电流，使充电状态保持稳定不会出现放电过多或多余充电等现象，使用寿命非常长。目前，蓄电池能量管理技术是混合动力汽车的关键技术之一。通常，能量管理技术决定了蓄电池的使用寿命以及充放电速度等技术指标，为此需要根据蓄电池的储能情况进行能量的管理。如何准确地对蓄电池的荷电状态(soc)进行辨识将是一个研究的难点和关键点。蓄电池能量管理系统直接检测及管理电动汽车的储能蓄电池运行全过程，包括蓄电池充放电过程管理、蓄电池温度检测、蓄电池电压电流检测、电量估计、单体蓄电池故障诊断等方面。在实际应用中，如何根据采集到的每块蓄电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，建立每块蓄电池剩余能量的较精确的数学模型，以及电动汽车储能蓄电池的快速充电技术及均衡充电技术，将是未来研究的重点和关键技术，其蓄电池性能的好坏将直接影响混合动力汽车的实际使用。蓄电池系统作为电动汽车的动力源，承担电动汽车全部或者部分动力输出，其性能优劣直接影响电动汽车的动力性能和续驶里程。电动汽车蓄电池组在工作过程中常因充放电时间过长而产生过充电过放电现象，不仅影响了蓄电池的使用性能，缩短了蓄电池的使用寿命，而且减少了电动汽车的续驶里程，降低了整车性价比；同时若不能及时精确地采集到单体蓄电池和整组蓄电池包的工作参数(如电压、电流、温度、剩余电量等)，还影响到整车优化控制策略，降低蓄电池安全性能，甚至引发汽车爆炸。因此蓄电池管理系统作为蓄电池系统的核心部分，在整个电动汽车的研究发展和使用过程中具有举足轻重的作用。三、蓄电池能量管理技术三、蓄电池能量管理技术典型蓄电池管理系统(如图2-13所示)主要由数据采集、中央处理器(CPU)、均衡管理、热管理和数据通信等模块组成。其工作过程如下：1)通过数据采集模块获取蓄电池电路中的重要数据(如单体蓄电池和蓄电池组电流、电压和温度等)。2)将获取的数据发送给中央处理器进行分析和处理。3)比对数据库记录，发出程序控制和变更指令；将实时数据发送到数据显示器，同时，对应的执行模块做出动作，对蓄电池组进行调控。(1)数据采集数据采集是蓄电池管理系统中最重要和最基本的功能，SOC估计和均衡管理等都是以采集到的数据为依据进行工作的，通常需要采集电压信号、电流信号和温度信号。锂离子蓄电池对电压和温度比较敏感，因此必须采集每个单体蓄电池电压，采样周期为1s，采集精度要达到0.1V；同时，还要监测单体蓄电池温度，采集周期为1s，采集精度为0.5。而对电流信号只需采集整个蓄电池组的电流，采样周期为1s，采集精度为1%。对于锂蓄电池、铅酸蓄电池和氢镍蓄电池，电压和温度的采集精度要求较低，只需对蓄电池电压和温度成对或成组采集。(2)荷电状态(SOC)估计蓄电池管理系统的核心课题之一就是SOC估算，一般由CPU模块进行计算。目前最常用SOC估算方法是安培法，其他的还包括开路电压法、内阻法、神经网络法、卡尔曼滤波法等。1)安培法。由于不考虑蓄电池内部结构、状态等方面的变化，因而操作方便、简单。但该方法对电流的测量精度不高，随着时间的推移，SOC累计误差将会不断加大。2)开路电压法。利用蓄电池开路电压与SOC的近似线性关系来测试稳定状态下蓄电池的SOC，在汽车行驶过程中不宜单独使用。3)内阻法。根据蓄电池的内阻与SOC之间的联系来预测SOC，由于蓄电池的内阻受多方面的因素影响，因此测量结果可信度不高，实际应用较少。4)神经网络法。主要用于模拟蓄电池动态特性来估算SOC，但此方法需要大量参考数据供神经网络进行学习，而且数据和训练方法要求较高，容易产生误差。5)卡尔曼滤波法。将蓄电池看作动力系统，SOC作为一个系统内部状态，将蓄电池的非线性状态空间模型线性化由于纠正误差能力强，该方法用于电流波动剧烈的混合动力汽车，缺点在于对系统处理速度要求较高。(3)蓄电池的充电技术目前，蓄电池采用的充电方式主要有，恒流充电、恒压充电、衰减充电、脉冲充电、快速充电。通过快速充电，有效地缩减蓄电池充电时间，同时为了增加蓄电池使用寿命，其充电曲线必须最优化。在混合动力系统中应用时，需要采用快速充电。目前快速充电法主要有分级恒流充电法、脉冲充电法、定化学反应状态法、变电流间歇/恒电压充电法以及变电压间歇充电法等。采用传统的慢速充电法，纯电动汽车充满一次电要几个小时。这虽然能够保证相对较长的续驶里程，但由于要安装许多蓄电池，增加了车重和成本，对蓄电池一致性的要求也较高。现在，快速充电蓄电池技术具有寿命长(可充电2000次以上)、没有记忆性、可以大容易充电及放电等特点，在几分钟内就可充70%80%的电。东芝可急速充电锂离子技术，即是快速充电技术的其中之一，这为纯电动汽车的商业化提供了技术支持。但是也有学者对于蓄电池的快速充电提出疑问，认为快速充电时的过充电和过放电有可能会恶化各蓄电池在蓄电池组内协同工作的环境，造成蓄电池组整体的瓦解崩溃。现在许多企业在这方面积极进行研发，也有所进展。2005年参考消息报导内华达州有企业研制出纳米蓄电池，只需6min就能充满电，每次充电后的使用时间能达到目前充电蓄电池的10倍，使蓄电池充电次数量高达到2万次，所提供的电流强度最大能到现在的3倍。(4)均衡管理电动汽车车用蓄电池都是由多个蓄电池组成的蓄电池组，由于单个蓄电池在制造过程中性能存在分散性和使用过程中蓄电池内部环境的不均匀性，因此随着使用时间的增加，单个蓄电池之间的性能差异将逐渐增加，从而影响蓄电池寿命，甚至还会产生大量的热量引起蓄电池燃烧或爆炸等危险，因此需要对蓄电池单体进行均衡管理，尽量保持蓄电池单体的一致性，并对蓄电池单体电压和能量进行检测，防止过充和过放。对于锂离子蓄电池，常用的均衡方案主要有电阻方案、开关电容方案、独立充电方案。而对于铅酸蓄电池和氢镍蓄电池，常用的方法有涓流充电均衡法、电阻并联均衡法、放电均衡法、电感均衡法。(5)热管理蓄电池性能发挥好坏与蓄电池的温度密切相关：温度过高时，蓄电池能量和容量可以充分利用，但是蓄电池寿命会缩短；温度过低时，蓄电池的内阻和极化电压增加，放电能力下降，使得蓄电池的实际可用容量减小，能量利用效率下降。因此，需要创造条件对蓄电池组的工作温度进行主动式管理，使得蓄电池工作在最佳温度范围内。通常，锂离子蓄电池工作温度范围：充电时为1045，放电时为3055；铅酸蓄电池和氢镍蓄电池工作温度范围：充电时为1050；放电时为2060。他们的最佳工作温度范围为2040。以客车上常用的磷酸铁锂蓄电池为例，其工作温度要求在60以下，夏天外界气温已高达40左右，加上发热量大、散热条件差等因素，蓄电池很容易过热，超出安全的温度范围，蓄电池很容易被损坏，甚至影响人身安全。因此，增加蓄电池温度检测及保护措施具有重要意义。(6)数据通信蓄电池工作时，蓄电池运行时的相关信息需按要求上报。对于用在电动汽车蓄电池管理系统上的电池组而言，一方面要上报信息到蓄电池管理系统，为其他系统提供所需的数据，同时接受其他系统提供的信息，为制定合理的蓄电池管理方案提供依据；另一方面，各蓄电池组之间需要进行数据交互，通过这些信息最终确定采用何种通信手段，从而了解蓄电池的容量和性能，保证蓄电池安全可靠地运行。目前，应用到蓄电池管理系统中的主要通信手段有SMBUS总线、CAN总线、RS232总线和RS485总线虽然电动汽车蓄电池管理技术目前已经得到了比较充分的发展，并且形成了多个大公司相对垄断的局面，但是，由于电动汽车巨大的开发市场，针对电动汽车蓄电池管理技术的不同要求，仍不断有新公司凭借自身特色技术进入该市场。如果在未来能合理有效地解决蓄电池本身和蓄电池管理系统方面的技术难题，电动汽车必将得到更大的发展 任务三其他类型动力蓄电池任务三其他类型动力蓄电池超级电容器是一种新型储能装置，具有充电时间短，使用寿命长，温度特性好，节约能源和绿色环保等特点。超级电容器用途广泛。超级电容器(Supercapacitor，Ultracapacitor)又叫双电层电容器(Electrical DoubleLayer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor，EC)、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程中并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此，超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近(图2-14)。一、超级电容器一、超级电容器(1)充放电时间超级电容器可以快速充放电，峰值电流仅受其内阻限制，甚至短路也不是致命的。实际上峰值电流决定于电容器单体大小，对于匹配负载，小单体可放10A，大单体可放1000A。另一个放电率的限制条件是热，反复地以剧烈的速率放电将使电容器温度升高，最终导致断路。超级电容器的电阻阻碍其快速放电，超级电容器的时间常数在12s，完全给阻容式电路放电大约需要510s，也就是说，如果短路放电需要510s(由于电极的特殊结构，它们实际上得花上数个小时才能将残留的电荷完全释放)。图2-15为超级电容器外观。(2)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；和蓄电池相比过充、过放电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