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混合动力电动汽车能量管理策略研究
混合动力电动汽车能量管理策略研究
摘要:
随着全世界石油资源的日益枯竭和对环境保护力度的增加,迫使全球的汽车工业开发新能源的汽车,而把传统的燃油汽车和纯电动汽车的优点融入到新型汽车中成为当今热门。
都认为只有这样才是最适合当今社会的混合能源汽车,混合动力汽车性能的充分发挥与其采用的能量管理策略息息相关。
所使用的能源不光要满足汽车动力性能,还要减少污染物的排放。
因此,所使用的策略应当根据系统的特性和当时实际的运行工况来实现发动机和电机之间最佳的转矩分配,从而达到最优。
关键词:
混合动力汽车;能量管理系统;控制策略
ResearchonEnergyManagementStrategyofHybridElectricVehicle
Abstract:
Withtheincreasingdepletionofoilresourcesaroundtheworldandtheincreaseinenvironmentalprotectionefforts,forcingtheglobalautomotiveindustrytodevelopnewenergyvehicles,andthetraditionalfuelvehiclesandpureelectricvehiclesintothenewcarintotheadvantagesoftoday'spopular.Thinkthatonlythisisthemostsuitablefortoday'ssocietyofhybridenergyvehicles,hybridvehicleperformanceanditsfulluseoftheenergymanagementstrategyiscloselyrelated.Theenergyusedisnotonlytomeetthevehiclepowerperformance,butalsotoreducepollutantemissions.Therefore,thestrategyusedshouldbebasedonthecharacteristicsofthesystemandtheactualoperatingconditionstoachievethebesttorquebetweentheengineandthemotordistribution,soastoachievethebest.
Keywords:
hybridvehicle;energymanagementsystem;controlstrategy
目录
摘要I
Abstract.II
目录III
1绪论1
1.1引言1
1.2混合动力电动汽车发展概况1
1.3本文主要内容2
2混合动力电动汽车能源分析4
2.1化学电池4
2.1.1锂离子电池4
2.1.2镍氢电池10
2.1.3铅酸电池10
2.2物理电池13
2.3生物电池14
2.4本章小结15
3混合动力电动汽车关键技术16
3.1驱动电动机及其控制技术16
3.2动力电池及其管理系统16
3.3整车能量管理控制系统16
3.4先进控制技术的应用17
4混合动力电动汽车基本结构及其相应的控制策略18
4.1串联式混合动力电动汽车18
4.1.1驱动模式18
4.1.2优缺点18
4.1.3控制策略19
4.2并联式混合动力电动汽车20
4.2.1结构20
4.2.2驱动模式20
4.2.3优缺点20
4.2.4控制策略21
4.3混联式的电动汽车21
4.3.1结构22
4.3.2控制策略22
5总结和展望24
参考文献25
致谢26
1绪论
1.1引言
随着全球资源的减少和环保努力的发展,低排放,低功耗的新型车辆电力系统是全球汽车行业的发展趋势。
近年来,电动汽车不断发展壮大的同时还有很多问题没有解决。
怎样能够更加有效利用电池的能源、延长电池的使用寿命和能源回收等问题成为电动汽车发展的阻力。
而将传统燃料车和纯电动汽车的优势融合在一起的混合动力汽车则成为未来发展的方向。
作为一种新的多能源汽车,怎样有效的利用汽车能源管理系统对汽车进行能源管理是其发展的首要问题。
混合动力汽车的性能与能源管理战略息息相关。
因此,研究混合动力汽车的能源管理体系和控制策略是非常重要的。
电动汽车近些年来解决了能源危机和车辆的排放量的问题,并且开发了新型的清洁能源汽车。
虽然目前电动汽车有两个或者更多的能源来源,通过能源管理战略来协调相互之间的运行,更多部件(如发动机,发电机,电机)和一种或多种能源转换技术(如燃料,电池,飞轮)为一体,根据驾驶条件的不同来切换不同的运行模式,充分发挥内燃机车和电动汽车的优势从而实现低排放,提高燃油经济性,但同时还要考虑到汽车的驾驶舒适性和车辆动力性能。
作为车辆的关键性能,多能源管理战略已成为全球汽车行业的研发重点[1]。
1.2混合动力电动汽车发展概况
混合动力汽车是两种或更多能源的汽车[2]。
具有比能量(单位质量燃料能量)和比功率(单位质量燃料功率)的优点,显著提高了常规内燃机排放和燃油经济性能,使电动车辆行驶范围大大增加。
20世纪90年代,世界汽车业巨头专注于纯电动汽车和混合动力汽车的发展,以掌握未来汽车的主动性。
日本丰田汽车公司首先在1997年12月将混合型汽车市场在日本建立,随后在2000年初开始开拓北美市场,而月产量从刚开始的1000辆到2000辆,到后来的三年销售量达4.5万台,实现巨大突破到最后甚至出现了产品供不应求的情况,各大汽车厂商为之震惊。
然而丰田,本田,日产等大公司都不甘心落后其他竞争对手,分别开发了自己的混合动力汽车,并且取得了显著成效。
1999年底,本田开始销售“Insight”。
Insight并行电动车配备了本田的IMA(综合摩托车)混合动力系统和无级变速器,是一款全新的跑车,被美国环保局排为2001年美国十大节能汽车排名第一,第二则是丰田汽车公司研发的普锐斯。
在欧洲,许多汽车制造商纷纷推出了具有自己专利技术的混合动力汽车。
其中法国Berlinge就是代表之一,它的价格可以与燃油车进行竞争达到国际先进水平。
德国的几个知名零部件公司也都与大型汽车公司开始合作开发。
90年代来,美国政府加强与企业之间的技术合作,重点关注了混合动力电动汽车,由能源部、交通运输部和国防部在内的大量投资公司及有关部门热衷于开展混合动力汽车的研究工作。
1993年美国总统和三家汽车公司总裁联合推出了“新一代汽车合作伙伴计划”,目的是开发新型的节能汽车。
如今已经开发出的各种形式的混合动力电动车在HEV性能模拟、集成电源模块等技术领域取得了显着成绩。
随着电池和电机技术的不断成熟、电子控制元件的发展和成本的降低以及能源使用效率和对环境的影响等因素,HEV在生产成本和类似汽油车辆的价格相比将进一步减少,使用循环平均成本有可能低于汽油车。
我国政府也很重视HEV的发展。
“技术研究”是国家科委“八五”科技的重点攻关项目。
关于电动汽车技术研究在1996年这个项目通过了国家计委,教育委员会和机械部的验收;在关键技术,特别是在对混合动力电动汽车研究中,许多科研单位也对了混合模式和控制策略进行了研究,还对参数匹配和性能预测研究开展了准备工作。
“九五”期间中国电动汽车三大关键技术领域(电池,电机,电子控制系统)都已经实现突破。
科技部将汽车工业列为“十五”国家重大科技攻关项目。
在“十五”期间,国家投资巨大来支持电动汽车的前瞻性研究。
国家科技“十五”计划制定的目标是:
发展EV、HEV电池,能源管理系统和驱动控制等关键技术,努力赶上世界的先进水平,HEV发展是国家高科技研发计划(863计划)的主要研究课题之一。
专家认为,中国电动汽车的发展应将传统汽车和电动汽车转型为混合动力汽车的历史机遇为目前中国汽车发展的重点,首先要完成批量生产再实现产业化,实现突破。
1998年,清华大学和厦门金龙公司开发了混合动力电动公交车。
广华大学和广州电动公司合作开发了混合动力公交车和公交车测试车辆是串联结构,仍处于初级转换阶段;东风汽车公司承接“863”混合动力开发项目已经完成,并已推出混合动力电动公交车,车辆性能良好;得到了国家有关部门的支持。
1.3本文主要内容
本文针对混合动力电动汽车的能源和管理系统进行分析,提出不同模式下的管理策略进行分析。
具体研究的内容:
1)介绍了电动汽车的能源类型,对其进行分析。
2)对电动汽车几种关键技术进行讲解
3)对电动汽车几种动力系统结构进行分析并提出相应的管理策略进行研究。
2混合动力电动汽车能源分析
电池一般分为化学电池,物理电池和生物电池三大类,其中化学电池和物理电池已经开始广泛使用,生物电池则被视为未来车载电池重要发展方向。
2.1化学电池
化学电池是指电化学反应,化学能的正,负活性物质的能量转化的一类能量装置。
化学电池是电动汽车领域中最广泛使用的,如镍氢电池,锂离子电池,锂离子电池,燃料电池等都属于这一类。
从结构上来看,它可以再次分为蓄电池和燃料电池两大类,我们目前看到绝大多数电动汽车都用的是驱动电池技术。
2.1.1锂离子电池
“锂电池”是以锂金属或锂合金作为阳极材料,采用电解液的电池。
锂金属电池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。
20世纪70年代时,M.S.Whittingham提出并开始研究锂离子电池。
因为锂金属的十分活泼,所以在使用时要特别小心。
因此,锂电池长时间没有被广泛应用。
随着科技的发展,锂电池已成为主流[3]。
锂离子电池一般采用锂金属或其氧化物作为阴极材料,石墨为阳极材料,采用非水电解质电池。
锂离子电池是21世纪发展的理想能源。
a)工作原理:
负极的主要材料为碳材料,正极的主要材料是含锂化合物。
在充放电过程中,锂离子在正,负向之间往复嵌入脱嵌,被称为“摇椅电池”。
充电时,有很多Li+产生通过电解液运动到负极。
而具有层状结构的碳为负极,嵌入碳层的孔中的离子越多充电能力越高。
同样,当电池放电时,嵌入负极碳层中的锂离子出来,并返回正极。
锂离子越高,放电量越高。
锂离子电池由正,负和电解质三部分组成。
电极材料是可嵌入(插入)/去嵌入(去插拔)的锂离子。
正极反应:
放电Li+进入,充电Li+脱离。
充电时:
LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi ++xe-
放电时:
Li1-xFePO4+xLi ++xe- →LiFePO4
负极材料:
多采用石墨。
最新研究发现钛酸盐可能是更好的材料。
负极反应:
放电时锂离子分解,充电时锂离子进入。
充电时:
xLi+xe+6C→LixC6
放电时:
LixC6→xLi+xe+6C
b)循环寿命:
寿命周期,其实目前的电池的实际可用容量是因为其工厂额定容量,呈下降形势。
影响锂离子电池循环寿命的因素有很多,但其内在根本原因或能量转移中锂离子的数量正在减少[5]。
应该注意的是,电池中锂的总量不会减少,但是“活化”的锂离子较少,它们被监禁在其他地方或在通道的活动被阻塞,不能自由地参与电荷循环和放电过程。
所以,只要我们明白这些应该参与锂离子的氧化还原反应,去找出容量下降的机制,针对性地采取措施来延缓锂电池容量的下降,延长锂离子电池的循环寿命。
(1)金属锂的沉积
金属锂的沉积,一般发生在负极表面。
由于一些原因,锂离子在到负极表面过程中,部分的锂离子没有进入负极与活性物质形成稳定的化合物,而是得到电子后沉在负极的表面形成金属锂,而它并不参与之后的的循环过程,无法导致容量下降。
像这种,一般有几种原因:
截止电压充电;放大倍率和负极材料短缺。
当过充或负极的材料不足时,负极无法接受从正极迁移的锂离子,导致的沉积。
放大倍率大是由于锂离子在短时间内达到负数过多从而造成堵塞和沉积。
金属锂沉积不仅会导致寿命的下降,严重得话会导致正负极短路,造成严重的安全隐患。
要想解决这个问题,不仅需要合理的正负材料比例,同时还要限制锂电池使用条件的使用,避免超出使用限制的情况。
当然,从放大性能出发,也可以提高循环寿命。
(2)正极材料的分解
锂金属氧化物作为阴极材料,虽然具有足够的稳定性,但在长期使用的过程中,还会有分解,产生了一些电化学惰性物质(如Co3O4,Mn2O3等)和一些易燃气体,破坏了电极之间的电容平衡,造成不可逆转的容量损失。
这种情况在过度充电的情况下特别明显,有时甚至会有剧烈的分解和气体释放,不仅影响电池的容量,而且还会造成严重的安全隐患。
除严格限制电池充电截止电压外,提高阴极材料的化学稳定性和热稳定性,同时也降低了循环寿命的可行方法。
(3)电极表面的SEI膜
如之前所描述的那样,把碳为负极的锂离子电池,在电解液在刚开始循环的时候会在电极的表面形成一层固体的电解质膜,不同的阳极材料所形成的膜将会不同。
电解质膜的形成消耗了电池中的锂离子,膜也变得不稳定,并且在循环过程中将继续破裂,暴露在外的新的碳表面与电解质反应以形成新的膜。
这样将会继续造成锂离子和电解质的持续损失,最后导致电池容量降低。
电解质膜具有一定的厚度,虽然锂离子可以渗透,但电解质膜会引起部分扩散通道阻塞的负面不利于锂离子在阳极材料中的扩散,这将导致电池的能力下降。
图2.1离子反应
(4)电解质的影响
电解液中含有许多具有活性的金属离子杂质。
这些杂质的电位低于电池的正电位,容易在表面进行氧化还原反应,活性物质被不断地消耗从而引起自放电反应。
电解液中存在一定量的水分,水会与电解液中的LiFP6产生反应,生成LiF和HF,HF会破坏电解质膜,产生更多的LiF,导致LiF沉积,持续消耗活性锂离子,最终会导致电池寿命周期的下降。
从上述分析得出,电解液对锂离子电池的循环寿命有非常重要的影响,选择适当的电解液,将能够显着提高电池的循环寿命。
(5)隔离膜阻塞或损坏
隔离膜的作用是将电池的正极和负极分开来以防止短路。
电池循环时,性能下降的主要原因是膜渐渐干燥失去作用。
这主要是由于隔膜本身的电化学稳定性和机械性能的缺乏,以及隔离膜上的电解液在重复充电过程中渗透引起的劣化,由于隔离膜干燥,电池欧姆电阻增大,导致充放电通道堵塞,充放电不完全,电池容量不能恢复到初始状态,大大降低了电池容量和使用寿命。
(6)锂离子电池有合理的使用条件和范围,如充放电截止电压,充放电倍率,工作温度范围,存储温度范围等。
但是在实际使用当中,超出允许范围的滥用情况非常普遍,长期的不合理使用,会导致电池内部发生不可逆的化学反应,造成电池机理的破坏,加速电池的老化,造成循环寿命的迅速下降,严重时,还会造成安全事故。
c)锂离子电池安全问题:
其内部原因电池内部热量失控,蓄热,导致电池温度持续上升,外部性能正在燃烧,爆炸等强烈的能量释放现象。
电池是具有高密度能量的,存在不安全因素,能量密度越高,其能量释放产生的影响越大,安全问题越明显。
汽油,天然气,乙炔等高能承运人也有同样的问题,年度安全事故无数。
不同的电化学系统和使用环境对锂离子电池的安全程度有较大的影响。
作为蓄电池的储能,在能量释放过程中,当电池的发热量和蓄热速率大于冷却速率时,电池的内部温度会持续上升。
锂离子电池由高活性的阴极材料和有机电解质组成,在热条件下很容易发生剧烈的化学反应,产生对安全产生威胁的副作用,这种反应会产生大量的热,甚至可能会导致“热失控”。
这是电池引起的风险事故的主要原因。
关于锂离子电池的循环寿命
1)SEI膜分解,电解液放热副反应
固体电解质膜在锂离子电池的初始循环中真正形成,我们不希望SEI膜太厚,也不希望完全不存在。
因为SEI膜的合理存在,可以保护负极活性物质,不与电解液反应。
可是当电池内部温度达到130℃左右时,SEI膜就会分解,导致负极完全裸露,电解液在电极表面大量分解放热,导致电池内部温度迅速升高。
这是锂离子电池内部产生的第一个放热副反应,也是引起一连串热失控问题的原因。
2)电解质的热分解
由于电解液在负极侧的反应热,电池内部温度持续上升,这导致电解液LiPF6和溶剂进一步热分解。
这个副反应释放的热量使得电池的温度达到大致在130℃~250℃范围之间,并且伴随着大量的热的产生,进一步升高了电池内部的温度。
3)正极材料的热分解
随着电池内部温度的进一步上升,电池内部发生分解反应并且伴随有大量的热量和氧气产生。
不同的正极材料,由热量产生的活性物质的分解不同,氧含量的释放也不同。
磷酸铁锂正极材料由于分解产生的热量较少,因此在所有阴极材料中,热稳定性最突出。
镍钴锰材料分解会有更多的热量产生,并且伴随有大量的氧气释放,非常容易发生燃烧或爆炸这类事件,因此安全性相对较低。
4)粘结剂与负极高活性物质的反应
负极的活性材料LixC6和PVDF粘合剂的反应发生温度应该从240℃开始,峰值则会出现在290℃左右,反应放热可以达到达到1500J/g。
从上面的分析可以得出,锂离子电池的热反应的失控,不是一瞬间完成,而是一个循序渐进的过程。
这个过程一般是通过充电,放大倍数放大,短路,短路,振动,碰撞,跌落,冲击等原因,导致电池内短时间产生大量的热量,并继续积累,促进电池温升。
一旦温度上升到内部链反应(约130℃)的阈值温度,锂离子电池将自发地产生一系列放热副反应,并进一步加剧电池内的热积聚和温度升高。
当温度到内部溶剂和可燃性气体的燃点时,容易发生燃烧和爆炸等事故。
在使用锂离子电池的过程中,没有绝对的安全性,只有相对的安全性。
我们应该尽量避免滥用情况,降低危害事件发生的可能性。
也可以从正负材料,电解质,隔离膜等主要成分入手,选择化学稳定性和优异的热稳定性材料,具有良好的阻燃性能,在内外热失控激励下,减少内部副作用的热量,或具有较高的点火温度,以避免发生热失控现象。
在电池结构和外壳设计上面,要充分考虑结构的稳定性,达到足够的机械强度,能承受外部应力,确保不会发生内部变形。
另外,冷却性能也需要集中考虑,如果能及时分配热量,内部温度不会持续上升,不会发生热失控。
图2.2失控反应
我的锂离子电池安全设计,简单地将阴极材料的分解热量来衡量锂离子电池的安全性并不全面。
从系统的角度讲,磷酸铁锂电池不见得一定比三元材料的电池更安全,因为最终影响热失控的因素很多,正极材料分解所产生的热量仅仅是其中的一个因素。
锂离子电池技术的先进性和在新兴关键市场(电动汽车领域)的应用,已激发全球范围内的研发热潮,因此锂离子电池势必将在电动汽车和新能源领域占据重要位置。
目前在电动汽车中,应用更多的锂离子电池是磷酸铁锂电池,其热稳定性和安全性更好,而价格相对便宜。
这些因素使磷酸铁锂电池成为小型电动车和PHEV动力电池的首选。
但是,在锂离子电池中,磷酸锂电池的比能量,比功率等相对来说较低,锂钴氧化物和锂锰电池在大型的纯电动汽车的应用中更具优势。
2.1.2镍氢电池
镍氢电池是目前除了锂电池以外主流的另一种电动汽车电池,在上世纪90年代开始逐渐发展。
工作原理:
电解质
主要以KOH作为电解液(电解质为7moL/LKOH和15g/LLiOH)
充电时
阳极反应:
Ni(OH)2 +OH- →NiOOH+H2O+e-
阴极反应:
M+H2O+e- →MH+OH-
总反应:
M+Ni(OH)2 →MH+NiOOH
放电时
正极:
NiOOH+H2O+e- →Ni(OH)2 +OH-
负极:
MH+OH- →M+H2O+e-
总反应:
MH+NiOOH→M+Ni(OH)2
在上式中,M是一种吸氢合金,MH是一种表面吸附有氢原子的吸氢合金。
最常用的储氢合金是LaNi5。
而锂离子电池,镍氢电池也需要电池管理系统,但其更加侧重于电池充放电管理。
存在这种区别主要因为镍氢电池具有“记忆效应”,就是电池在充放电过程中容量会出现衰减,过充或放电,可能会增加电池容量损失。
因此,对于制造商来说,镍氢电池控制系统将主动避免过度充放电。
镍氢电池阴极采用金属氢氧化镍,阳极采用锡氢合金。
镍氢电池相比于其他电池具有许多无污染,比能量高,功率大,充放电快,耐久性等诸多优点。
而与铅酸电池相比镍氢电池比能量更高。
和镍镉电池相比其比能量为镍镉电池的两倍。
另一大优点是镍氢电池不含镉,铅等有毒金属,其中一部分还具有较高的回收价值,可称志为绿色能源。
2.1.3铅酸电池
铅酸电池的电极是铅及其氧化物,电解液是硫酸溶液。
铅酸蓄电池放电状态时电池正极的主要成分是二氧化铅,铅是负极主要成分。
在充电状态时主要成分正负极都是硫酸铅[8]。
a)铅酸电池结构表
表2.1电极中的电化学反应
Parts组件
材料
作用
正极
正极为铅-锑-钙合金栏板,内含氧化铅为活性物质
保证足够的容量
长时间使用中保持蓄电池容量,减小自放电
负极
负极为铅-锑-钙合金栏板,内含海绵状纤维活性物质
保证足够的容量
长时间使用中保持蓄电池容量,减小自放电
隔板
先进的多微孔AGM隔板保持电解液,防止正极与负极短路。
防止正负极短路
保持电解液
防止活性物质从电极表面脱落
电解液
在电池的电化学反应中,硫酸作为电解液传导离子
使电子能在电池正负极活性物质间转移
外壳和盖子
在没有特别说明下,外壳和盖子为ABS树脂
提供电池正负极组合栏板放置的空间
安全阀
材质为具有优质耐酸和抗老化的合成橡胶。
电池内压高于正常压力时释放气体,保持压力正常
阻止氧气进入
端子
根据电池的不同,正负极端子可为连接片、棒状、螺柱或引出线。
密封端子有助于大电流放电和长的使用寿命
充电是连接到电池的外部直流电源充电,使能量可以转化为化学能储存。
放电是从电池释放以驱动外部设备的电源。
当铅酸电池充电到达顶点时,充电电流仅用于分解水中的电解液,此时,电池正极氧气,负氢气,电池气体溢出,导致电解液减少。
b)原理
将铅酸电池(PbO2)和阴极(Pb)浸入电解液(稀硫酸)中,基于铅酸电池的原理两者之间将会产生2V的电压,通过充放电,阳极和电解液将发生如下变化:
PbO2+2H2SO4+Pb---PbSO4+2H2O+PbSO4
化合价降低,负电荷在电解液中流动;Pb的化合价上升,正电荷流动。
PbSO4+2H2O+PbSO4--->PbO2+2H2SO4+Pb
第一硫酸铅铅的化合价上升,被氧化,正电荷为正。
第二铅酸中铅化合价较低,负电荷减少为负值。
1当电池外部电路放电时,稀硫酸与阳极接触并开始反应,生成化合物硫酸铅。
通过释放硫酸从电解液中释放出来,放电时间越长,硫酸浓度越浓。
消耗的组成和排放比例,只要测量电解质中的硫酸浓度,测量其比重,就可以知道放电或剩余电量。
2.阳极板放电引起的充电化学变化,由硫酸铅生产的阴极板在充电时会分解成硫酸,铅和二氧化铅,电池电解液浓度逐渐升高。
意思是电解液的比重上升并开始逐渐回到排出前的浓度。
该变化表示电池中的活性物质已被切换到能够重新通电的状态。
当硫酸铅转化为原来的活性物质时电荷结束,阴极板上发生反应产生氢,阳极板产生氧气,充电到了最后阶段,电流几乎全都是用于水电解,因此电解液会减少很多,此时应往电解液中加入纯水。
c)使用寿命
(1)放电深度
放电深度是放电由始到终的程度。
100%深度指全部容量。
设计考虑的重点
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