论文部分内容阅读
[摘 要]电动汽车是指全部或者部分由电池带动电动机驱动的汽车，本文分析了混合动力电动汽车所采用的新型绿色环保电池MH一Ni电池的工作原理、电池的电压特性，提出电动汽车电池组电压控制的方法，通过测量各个电池在不同时间段内对平均电压的偏移及各个电池在此段时间内的电压变化可以评估出电池性能的好坏，从而有效地增加电动车电池组的续驶里程及无故障工作时间，提高电池使用寿命。
[关键词]MH一Ni电池 电压特性 电池寿命 混合动力
中图分类号：U467.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）04-0264-01
电动汽车是指全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，电动汽车与传统的汽油汽车对比，它不单纯是发动机的简单替换，其设计、加工、材料以及电气、控制系统都要相应地做出改变，使整车参数合理匹配。这意味着以汽车工业为国民经济支柱的世界发达国家的工业体系面临着重大的调整，选择发展电动汽车为我国汽车工业发展的新的增长点，对于改变我汽车工业的落伍状况、促进经济发展、增强国家实力具有现实的战略意义，而不仅仅只是环境保护和节约能源的问题。电动汽车包括纯电动汽车EV（Electric Vehide），混合动力电动汽车HEV（Hybrid Vehide）和燃料电池汽车FCEV（Fuel Cell Electric Vehicle）三种类型。混合动力电动汽车可以分为串联式混合动力电动汽车、并联式混合动力电动汽车和混联式混合动力电动汽车三种类型。串联式混合动力电动汽车和并联式混合动力电动汽车技术难度较低，但性价比较低，混联式混合动力电动汽车它能较好地将燃油汽车与电动汽车的优点有机地统一起来，也将燃油汽车和电动汽车的技术力量统一起来。电池的体积、重量、成本较低，发动机总在最高效率下工作，具有很好的燃料经济性，加速性和平稳性也很好是目前研究的主要方向。混合动力电动汽车驱动系统主要由蓄电池、能量转换换器、电机组成。蓄电池是电动汽车的动力源，能量转换器用于将电池直流电源转换成驱动电机需要的直流电或交流电，由控制系统控制电机需要的电流或电压以改变车辆行驶速度。目前在电动汽车上使用的电池主要有：铅酸电池、镍钙电池、钠硫电涟、锌空气電池、镍氢电池、锂聚合物电池等。对电动汽车用蓄电池的主要性能指标要求包括：容量、熊量密度、功率、自放电率、循环使用寿命，蓄电池的造价等，根据这些要求目前最适合用于电动汽车的电池为镍氢电池（MH一Ni电池）。MH—Ni电池是90年代发展起来的一种新型绿色电池。其比能量较大，过充电和过放电性能好，可以进行快充，能带电充电，并且与镉镍电池有很好的互换性。正极是氢氧化镍，负极是储氢合金，电解质是氢氧化钾溶液。单元电压为6V和12V。其化学反应方程式为：
2NiOOH+KOH+H2=2Ni（OH）2+KOH
镍氢蓄电池内部是高压状态，正极和负极生成的氢氧重新生成水，不会出现气体累积产生爆炸燃烧的危险。过充只产生大量热量，即由电能转成热能，氧化金属M，降低M的吸氢能力，减少了镍氢蓄电池的使用寿命。镍氢电池的内阻一般都非常小，而且不是某个固定的常数。它会随电池的SOC、温度、使用时间等发生变化。当温度比较低时，电化学反应不易发生，反应阻抗就相对偏离；当温度比较高时，物质的电化学反应活跃，反应阻抗就相对偏低。在蓄电池小电流充放电时，电池的内阻可以忽略。但是在大电流充放电时电压会有一个很明显的升降压现象。在充电起始阶段，电池端电压迅速上升，随着时间的延长，电池电压上升减缓，电池的容量与电池的端电压有一定的对应关系，通常，充电电流增加，或温度升高，电池电压将升高，随着放电的进行，总的趋势是随着放电时间的延续电池的端电压不断下降。
镍氢蓄电池电动势与蓄电池内阻、端电压、放电电流的关系如下：
Rf=（E—Uf）/If
其中：
Rf一蓄电池的内阻
E一蓄电池的电动势
Uf一蓄电池的端电压
If一蓄电池的放电电流
在电动汽车行驶过程中，负载是不断变化的，因此放电电流也是不断变化的，这使得检测端电压需要非常高的检测频率。另外，在放电过程中电动势值也难以确定，因此在实际中难以通过上面的公式来计算蓄电池的内阻。镍氢蓄电池内阻的计算涉及到蓄电池的内部模型问题，不同的内阻模型有不同的计算方法，而且，随着模型的复杂计算内阻也随之困难化。因此，通过计算内阻来估计剩余容量非常困难。一般蓄电池的最大单体电压在1.4V左右，继续充电电动势反而会有所下降。电极的电势不但与离子的活度有关，而且还依赖于蓄电池内部的压力。
蓄电池充放电的时候，一方面是由于电池内阻而产生升降压，还有一个原因就是电池极化。在长时间持续充电条件下，电池的极化电压累计到一定程度就不会继续升高。这时候即便继续充电，电池电压只会缓慢升高，电池内部会形成很高的极化电压，充放电结束，随着离子的自由均匀扩散，极化电压会逐渐消失，并伴随自放电现象，充放电时蓄电池电池极化和内阻现象关系如下：
充电：U=E+η+ +η-+I*r
放电：U= E-η+ +η-+I*r
其中：η+、η-从分别表示蓄电漶的正负极的超电势（包括电化学极化和浓度极化）；r表示电池内阻。
同一个电池组的各个单体电池在相同的充放电电流下，各个单体电池的性能大多数是相近的，但还有些电池的性能存在不一致，这就是“木桶效应"，即电池组的性能是由电池组中性能最坏的电池决定的。这就需要我们通过两种方式来解决一是电池在装车前进行匹配，第二在电动汽车运行过程中当发现电池工作状态不正常时，采取相应的措施，例如充电或者更换，实现电池之间的平衡。电动汽车车蓄电池由一般200—300个镍氢蓄电池串联而成，具体情况需要根据电机功率决定，总电压约300伏左右。而且蓄电池的充、放电过程是非常复杂的电化学反应过程，并且每次充电或放电的方式都具有不可重复性特别是在蓄电池的寿命不确定的情况下如何发现电池工作状态是不是正常是问题的关键。
开始电压变化量△u加权评比判断电池性能
图：测试运行流程
本文采用测量各个电池在此段时间内对平均电压的偏移及各个电池在此段时间内的电压变化可以估计出电池性能的好坏，其运行流程如图。在电池组充放电时，每5分钟对各单电池计算一次同一时间内的电压变化△u进行一次测试。充放电过程分别采取不同的测试标准。将各时间段内的电压变化二值（充电时为上升值，放电时为下降值）与此段时间内电压变化最小值（充电时为上升值，放电时为下降值）之差的加权和作为电池自运行以来的性能评估依据，加权和越小表明以电压变化为测试标准时的电池性能越好。同时，每500ms计算一次各单电池电压与平均电压的差值，偏离平均电压大的电池性能较差，给出电池在充放电过程中所反映出的电池性能的好坏程度一个最终评判值。
通过实验室反复实验，最后得出该办法可行，能够在很大程度上提高单块电池受损检测，提高整体电池组的使用寿命，是一种科学的检测办法。
参考文献
[1] 王震坡，孟祥峰.电动汽车动力电池成组应用现状及研究趋势，新材料产业，2007.08
[2] 徐顺刚，王金平，许建平.一种延长电动汽车蓄电池寿命的均衡充电控制策略，中国电机工程学报，2012.03
[3] 林成涛，李腾，田光宇，陈全世.电动汽车用锂离子动力电池的寿命试验，电池，2010.01.
[关键词]MH一Ni电池 电压特性 电池寿命 混合动力
中图分类号：U467.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）04-0264-01
电动汽车是指全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，电动汽车与传统的汽油汽车对比，它不单纯是发动机的简单替换，其设计、加工、材料以及电气、控制系统都要相应地做出改变，使整车参数合理匹配。这意味着以汽车工业为国民经济支柱的世界发达国家的工业体系面临着重大的调整，选择发展电动汽车为我国汽车工业发展的新的增长点，对于改变我汽车工业的落伍状况、促进经济发展、增强国家实力具有现实的战略意义，而不仅仅只是环境保护和节约能源的问题。电动汽车包括纯电动汽车EV（Electric Vehide），混合动力电动汽车HEV（Hybrid Vehide）和燃料电池汽车FCEV（Fuel Cell Electric Vehicle）三种类型。混合动力电动汽车可以分为串联式混合动力电动汽车、并联式混合动力电动汽车和混联式混合动力电动汽车三种类型。串联式混合动力电动汽车和并联式混合动力电动汽车技术难度较低，但性价比较低，混联式混合动力电动汽车它能较好地将燃油汽车与电动汽车的优点有机地统一起来，也将燃油汽车和电动汽车的技术力量统一起来。电池的体积、重量、成本较低，发动机总在最高效率下工作，具有很好的燃料经济性，加速性和平稳性也很好是目前研究的主要方向。混合动力电动汽车驱动系统主要由蓄电池、能量转换换器、电机组成。蓄电池是电动汽车的动力源，能量转换器用于将电池直流电源转换成驱动电机需要的直流电或交流电，由控制系统控制电机需要的电流或电压以改变车辆行驶速度。目前在电动汽车上使用的电池主要有：铅酸电池、镍钙电池、钠硫电涟、锌空气電池、镍氢电池、锂聚合物电池等。对电动汽车用蓄电池的主要性能指标要求包括：容量、熊量密度、功率、自放电率、循环使用寿命，蓄电池的造价等，根据这些要求目前最适合用于电动汽车的电池为镍氢电池（MH一Ni电池）。MH—Ni电池是90年代发展起来的一种新型绿色电池。其比能量较大，过充电和过放电性能好，可以进行快充，能带电充电，并且与镉镍电池有很好的互换性。正极是氢氧化镍，负极是储氢合金，电解质是氢氧化钾溶液。单元电压为6V和12V。其化学反应方程式为：
2NiOOH+KOH+H2=2Ni（OH）2+KOH
镍氢蓄电池内部是高压状态，正极和负极生成的氢氧重新生成水，不会出现气体累积产生爆炸燃烧的危险。过充只产生大量热量，即由电能转成热能，氧化金属M，降低M的吸氢能力，减少了镍氢蓄电池的使用寿命。镍氢电池的内阻一般都非常小，而且不是某个固定的常数。它会随电池的SOC、温度、使用时间等发生变化。当温度比较低时，电化学反应不易发生，反应阻抗就相对偏离；当温度比较高时，物质的电化学反应活跃，反应阻抗就相对偏低。在蓄电池小电流充放电时，电池的内阻可以忽略。但是在大电流充放电时电压会有一个很明显的升降压现象。在充电起始阶段，电池端电压迅速上升，随着时间的延长，电池电压上升减缓，电池的容量与电池的端电压有一定的对应关系，通常，充电电流增加，或温度升高，电池电压将升高，随着放电的进行，总的趋势是随着放电时间的延续电池的端电压不断下降。
镍氢蓄电池电动势与蓄电池内阻、端电压、放电电流的关系如下：
Rf=（E—Uf）/If
其中：
Rf一蓄电池的内阻
E一蓄电池的电动势
Uf一蓄电池的端电压
If一蓄电池的放电电流
在电动汽车行驶过程中，负载是不断变化的，因此放电电流也是不断变化的，这使得检测端电压需要非常高的检测频率。另外，在放电过程中电动势值也难以确定，因此在实际中难以通过上面的公式来计算蓄电池的内阻。镍氢蓄电池内阻的计算涉及到蓄电池的内部模型问题，不同的内阻模型有不同的计算方法，而且，随着模型的复杂计算内阻也随之困难化。因此，通过计算内阻来估计剩余容量非常困难。一般蓄电池的最大单体电压在1.4V左右，继续充电电动势反而会有所下降。电极的电势不但与离子的活度有关，而且还依赖于蓄电池内部的压力。
蓄电池充放电的时候，一方面是由于电池内阻而产生升降压，还有一个原因就是电池极化。在长时间持续充电条件下，电池的极化电压累计到一定程度就不会继续升高。这时候即便继续充电，电池电压只会缓慢升高，电池内部会形成很高的极化电压，充放电结束，随着离子的自由均匀扩散，极化电压会逐渐消失，并伴随自放电现象，充放电时蓄电池电池极化和内阻现象关系如下：
充电：U=E+η+ +η-+I*r
放电：U= E-η+ +η-+I*r
其中：η+、η-从分别表示蓄电漶的正负极的超电势（包括电化学极化和浓度极化）；r表示电池内阻。
同一个电池组的各个单体电池在相同的充放电电流下，各个单体电池的性能大多数是相近的，但还有些电池的性能存在不一致，这就是“木桶效应"，即电池组的性能是由电池组中性能最坏的电池决定的。这就需要我们通过两种方式来解决一是电池在装车前进行匹配，第二在电动汽车运行过程中当发现电池工作状态不正常时，采取相应的措施，例如充电或者更换，实现电池之间的平衡。电动汽车车蓄电池由一般200—300个镍氢蓄电池串联而成，具体情况需要根据电机功率决定，总电压约300伏左右。而且蓄电池的充、放电过程是非常复杂的电化学反应过程，并且每次充电或放电的方式都具有不可重复性特别是在蓄电池的寿命不确定的情况下如何发现电池工作状态是不是正常是问题的关键。
开始电压变化量△u加权评比判断电池性能
图：测试运行流程
本文采用测量各个电池在此段时间内对平均电压的偏移及各个电池在此段时间内的电压变化可以估计出电池性能的好坏，其运行流程如图。在电池组充放电时，每5分钟对各单电池计算一次同一时间内的电压变化△u进行一次测试。充放电过程分别采取不同的测试标准。将各时间段内的电压变化二值（充电时为上升值，放电时为下降值）与此段时间内电压变化最小值（充电时为上升值，放电时为下降值）之差的加权和作为电池自运行以来的性能评估依据，加权和越小表明以电压变化为测试标准时的电池性能越好。同时，每500ms计算一次各单电池电压与平均电压的差值，偏离平均电压大的电池性能较差，给出电池在充放电过程中所反映出的电池性能的好坏程度一个最终评判值。
通过实验室反复实验，最后得出该办法可行，能够在很大程度上提高单块电池受损检测，提高整体电池组的使用寿命，是一种科学的检测办法。
参考文献
[1] 王震坡，孟祥峰.电动汽车动力电池成组应用现状及研究趋势，新材料产业，2007.08
[2] 徐顺刚，王金平，许建平.一种延长电动汽车蓄电池寿命的均衡充电控制策略，中国电机工程学报，2012.03
[3] 林成涛，李腾，田光宇，陈全世.电动汽车用锂离子动力电池的寿命试验，电池，2010.01.