电动汽车动力电池充电技术

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动力电池是电动汽车的关键技术之一。1881年特鲁夫(Gustave Trouve)制造出世界上第一辆电动三轮车时,使用的是铅酸电池。目前,仍有不少混合动力汽车和纯电动汽车采用新一代铅酸电池。近十多年来,锂离子动力电池在电动汽车生产中得到应用,越来越显示出其优越性。

美国学者麦斯J.A.Mas通过大量实验提出电池充电可接受的电流定理:1)对于任何给定的放电电流,电池的充电接受电流与放出容量的平方根成正比;2)对于任何放电深度,一个电池的充电接受比与放电电流的对数成正比,可以通过提高放电电流来增大充电接受比;3)一个电池经几种放电率放电,其接受电流是各放电率接受电流之总和。也就是说,可以通过放电来提高蓄电池的充电可接受电流。在蓄电池充电接受能力下降时,可以在充电的过程中加入放电来提高接受能力。

汽车动力电池的性能和寿命与很多因素有关,除了其自身的参数,如电池的极板质量、电解质的浓度等外; 还有外部因素,如电池的充放电参数,包括充电方式、充电结束电压、充放电的电流、放电深度等等。这给电池管理系统BMS估计蓄电池的实际容量和SOC带来很多困难,需要考虑到很多的变量。WG6120HD混合动力电动汽车的电池管理系统是建立在SOC数值的管理上。SOC (state of charge)指的是电池内部参加反应的电荷参数的变化状态,反映蓄电池的剩余容量状况.这在国内外都已经形成统一认识.

1 铅酸电池

铅酸蓄电池是一个很复杂的化学反应系统。充放电电流的大小和它工作温度等外部因素都会影响蓄电池的性能。计算电池的SOC值,并根据汽车的运行状态以及其它的参数来确定汽车的运行模式,是电动汽车的一项关键技术。

铅酸蓄电池的应用历史最长,也是最成熟、成本售价最低廉的蓄电池,已实现大批量生产。但它比能量低,自放电率高,循环寿命低。当前存在的主要问题是其一次充电的行程短。近期开发的第三代圆柱型密封铅酸蓄电池和第四代TMF(箔式卷状电极)密封铅酸蓄电池已经应用于EV和HEV电动汽车上。尤其是第三代VRLA蓄电池的低阻抗优点可以控制快速充电过程中的欧姆热,延长电池的寿命。

脉冲分阶段恒流快速充电方法能很好地适应混合动力汽车铅酸蓄电池在变电流放电状态下,充电时间短,使蓄电池荷电状态 SOC 始终保持在 50%-80%范围内的要求。试验表明,只需要 196 秒,就可以使蓄电池电量从 50%C 充到 80%C。这种充电方法基本满足了蓄电池的接受曲线,蓄电池的温升较小,产生气体少,压力效应不大,而且充电时间短。

最优的充电方式是充电电流始终遵循固有充电接受曲线,在充电过程中,充电接受率保持不变,随着时间的增加,充电电流按固有充电接受曲线递减(指数曲线递减),这样充电时间最短。脉冲去极化充电方法能实现快速、高效率充电,但设备昂贵,对某些蓄电池不适用。

日本公司开发的电动汽车用新型VRLA蓄电池,其电压规格有单体2V和4V,采用贫液式和极板水平设计.饭板间的间距很小,不会出现电解液分层,脱落物质向下移动有极板挡住,电池底部无脱落物堆积。

Ectreosorce公司的12V l12A·h电动汽车用水平蓄电池,其用3小时率放电质量比能量为50W·11/kg,80%Ⅸ)D(放电深度)的循环寿命大于900次。

德国阳光公司的电动汽车用铅酸蓄电池采用胶体电解质设计,经检测其6V、160A·h电池的预期寿命可达到4年,具有热容量大、温升小等优点.

美国Arias公司于1994年推出双极性电动车用铅酸蓄电池,其结构技术独特。这种电池的工作电流只垂直于电极平面而通过薄的双电极,所以具有极小的欧姆电阻。美国BPC公司开发的双极性电动车用铅酸蓄电池技术参数为:组合电压为180V,电池容量为60A·h,放电率比能量为50W·h/kg,循环寿命可达到1000次。

瑞典OPTLMA公司推出的卷式电动车用铅酸蓄电池,产品容量为56A·h,启动功率可达到95kW,比普通的195A·h的VRLA蓄电池启动功率还要大,而体积小四分之一。

2 锂离子电池

锂离子电池的特性和价格都与它的正极材料密切相关,一般而言,正极材料应满足:⑴在所要求的充放电电位范围内,具有与电解质溶液的电化学相容性;⑵温和的电极过程动力学;⑶高度可逆性;⑷全锂状态下在空气中稳定性能好。随着锂离子电池的发展,高性能、低成本的正极材料研究工作在不断地进行。目前,研究主要集中于锂钴氧化物、锂镍氧化物和锂锰氧化物等锂的过渡金属氧化物锂钴氧化物(LiCoO2)属于 -NaFeO2 型结构,具有二维层状结构,适宜锂离子的脱嵌.其制备工艺较为简便、性能稳定、比容量高、循环性能好,其合成方法主要有高温固相合成法和低温固相合成法,还有草酸沉淀法、溶胶凝胶法、冷热法、有机混合法等软化学方法。锂锰氧化物是传统正极材料的改性物,目前应用较多的是尖晶石型 LixMn2O4,它具有三维隧道结构,更适宜锂离子的脱嵌。锂锰氧化物原料丰富、成本低廉、无污染、耐过充性及热安全性更好,对电池的安全保护装置要求相对较低,被认为是最具有发展潜力的锂离子电池正极材料。

20 世纪 90 年代,日本索尼公司首先研制成功电动汽车用锂电池,当时使用的是钴酸锂材料,存在着易燃易爆的缺点。目前中国信国安盟固利电源等公司研制出以锰酸锂为正极材料的 100Ah 动力锂电池,解决了钴酸锂电池的不足。

截至 2006 年 10 月为止,全球已有 20 余家汽车公司进行锂离子电池研发。如富士重工与 NEC 合作开发廉价的单体(Cell)锰系锂离子电池(即锰酸锂电池),在车载环境下的寿命高达 12 年、10 万公里,与纯电动汽车的整车寿命相当。东芝开发的可快速充电锂离子电池组,除了小型、大容量的特点之外,采用了能使纳米级微粒均一化固定技术,可使锂离子均匀地吸附在蓄电池负极上,能在一分钟之内充电至其容量的 80%,再经 6 分钟便可充满电。美国的主要电池厂 Johnson Controls 针对电动汽车需求特性的锂离子电池于 2005 年 9 月在威斯康星州 Milwaukee 设立研发地点,2006 年 1 月另出资 50%与法国电池厂 Saft 共同成立 Johnson Controls-Saft Advanced Power Solution (JCS)。JCS 于 2006 年 8 月承接了美国能源部(DOE)所主导 2 年 USABC(United States Advanced Battery Consortium)纯电动车锂离子电池研发计划合约,提供高功率锂离子电池。我国在锂离子电池方面的研究水平,有多项指标超过了USABC提出的2010年长期指标所规定的目标。从 1997 年开始产业化试验的苏州星恒作为国家锂离子动力电池产业化示范工程项目基地 ,其研发的动力电池组已通过美国 UL 和欧盟独立组织 Extra Energy 的测试认证,并在苏州建成第一条动力锂离子电池的生产线并顺利试产,目前已实现批量生产。

2008 年北京奥运会期间,有 50 辆长 12 米的锂离子电动客车在奥运中心区服务,这是国际上第一次大规模使用锂离子电池电动客车。电动大客车充电时间长,是这样保证电动汽车运行不脱节的:电动汽车驶入充电站,两只机械手将汽车底盘里的电池组取出,放入待充通道,随即从已充通道取下充满电的电池组,将其换入电动汽车的底盘中,整个过程只需要 8 分钟左右。

法国雪铁龙、雷诺、标致汽车公司采用锂离子动力电池的电动商用车已完成用户测试运行。波尔多是法国电动汽车示范应用城市之一,有各类电动汽车 500 辆,主要应用于市政用车和电动小巴,并建有 20 个拥有电动汽车配套充电设施的停车场,其中有 16 个配置了快速充电装置.锂电池的充电过程与铅酸蓄电池不同。锂聚合物(Lipo)充电器的集成块,外部元件极少,由于集成块本身极小(2mm×3mm),因此整个充电器也非常小。Lipo电池的充电过程是:当电池电压非常低(0.5V) 时,用小电流充电,此电流的典型值小于0.1C (此处C是标称电池容量),若电压已足够高,但低于4.2V,就用恒定电流对电池充电,多数厂家会指定在这一过程中1C的电流,电池上的电压不会超过4.2V,在恒定电压期间,经过电池的电流会缓慢下降,而电池的充电继续进行。电池电压达到4.2V,充电电流降到0.1C时,电池约充到80~90%,再转变成对电池涓流充电。有两个参数在充电器中可以调整,即正常的充电电流和涓流充电电流(当电池充"满"时)。要注意的是选择充电电流要谨慎,应保持充电电流低于厂家推荐的最大值。

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