关于电动车动力蓄电池测试与建模的实验研究

1用于电动自行车的四种动力蓄电池的实验建模比较研究肖秀玲王贵明胡玉祥马润津（北方工业大学自动化研究所电动车研究室，100041北京）关键词：动力蓄电池实验建模电动车Keywords:BatteryPoweredModelingandTestElectricVehicle摘要：近几年来我国的电动助力自行车发展迅速，受到全世界的关注。目前能够被电动自行采用的有以下四种动力蓄电池，即密封免维护铅酸蓄电池、胶体免维护铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。电动车的动力蓄电池充放电过程的工作机理复杂，工作性能受到诸多因素的影响，它们之间的定量关系至今还不很清楚，其结果是经常由于使用不当，特别是过度充电和过度放电，影响了蓄电池的使用寿命。另一个需要解决的问题是寻求比较简单、准确的蓄电池剩余蓄电量测定方法来。本文介绍对四类蓄电池的放电特性做比较研究的结果。通过大量实验测试，研究蓄电池放电过程的数学模型。实验建模分静态模型和动态模型两个部分，前者包括端电压模型和充放电量（安时）平衡模型两类，后者是基于系统辨实和参数估计方法，确定放电过程的动态模型及其参数。文中给出大量的实验研究和对比结果。探讨了蓄电池剩余电量估计的新方法。电动助力自行车是是以蓄电池作为辅助能源的，能人力骑行、电动和电力助动的两轮交通工具，它具有行进间无污染排放（零排放）的特点，是很有发展前途的新型绿色交通工具。近几年来我国的电动助力自行车发展迅速，国内市场销售量由1997年的1.5万辆发展到2001年的近80万辆左右（图1），由此受到全世界的关注。图1.我国电动助力自行车年销售量的增长情况一、关于电动自行车的动力蓄电池目前能够被电动自行采用的有以下四种动力蓄电池，即阀控铅酸免维护蓄电池、胶体铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。1．铅酸蓄电池从目前市场上能够大量提供的是铅酸蓄电池，铅酸蓄电池已经有130年的历史了，可万辆1.55.41227.180015304560759019971998199920002001年销售量年度2以说是使用最多的蓄电池。它的性能可靠，生产工艺成熟，价格也较低。是目前已商品化的电动自行车的绝大多数是使用的密封式铅酸蓄电池，使用中不需要补充水分，免维护。其主要化学反应是：PbO2+2H2SO4+Pb←充电、放电→PhSO4+2H2O+PhSO4氧化铅硫酸海绵状铅硫酸铅水硫酸铅阳极活物质电解液阴极活物质阳极活物质电解液阴极活物质铅酸蓄电池充电时变成硫酸铅的阴阳两极的海绵状铅把固定在其中的硫酸成分释放到电解掖中，分别变成海绵状铅和氧化铅，电解液中的硫酸浓度不断变大；反之放电时阳极中的氧化铅和阴极板上的海绵状铅与电解液中的硫酸发生反应变成硫酸铅，而电解液中的硫酸浓度不断降低。当铅酸蓄电池充电不足时，阴阳两极板的硫酸铅不能完全转化变成海绵状铅和氧化铅，如果长期充电不足，则会造成硫酸铅结晶，使极板硫化，电池品质变劣；反之如果电池过度充电，阳极产生的氧气量大于阴极的吸附能力，使得蓄电池内压增大，导致气体外溢，电解液减少，还可能导致活性物质软化或拖落，电池寿命大大缩短。铅酸蓄电池重量比能量为28-40Wh/Kg，体积比能量64-72Wh/I，太重、太大，而能提供的电能较少，使用寿命较短，作为电动自行车的动力电源一般只能够使用一年左右，性能差或使用不当的只有二、三个月。此外，铅酸蓄电池还有深度放电能力和低温放电能力较差，不能快速充电（但是近来在铅酸蓄电池的快速充电的研究方面已有些进展）等缺点。铅酸蓄电池的改进型——胶体铅酸蓄电池，用胶体电解液代换硫酸电解液，在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通铅酸蓄电池有改善。但是总而言之，从长远看，铅酸蓄电池在电动车上的利用前景不佳。报废的铅酸蓄电池因废弃会造成二次污染，这也是有些地方政府不肯支持电动自行车大量上路的重要原因之一。2．胶体铅酸蓄电池胶体蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进。它采用凝胶状电解质，内部无游离的液体存在,在同等体积下电解质容量大，热容量大，热消散能力强，能避免一般蓄电池易产生的热失控现象；电解质浓度低，对极板腐蚀弱；浓度均匀，不存在酸分层的现象。上述改进使其在多项重要性能优于阀控式铅-酸免维护蓄电池，例如：使用性能稳定，可靠性高，使用寿命长，对环境温度的适应能力（高、低温）强，承受长时间放电能力、循环放电能力、深度放电及大电流放电能力强，有过充电及过放电自我保护，电池在100%放电后仍可继续接在负载上，在几周内充电仍可恢复至原容量等等优点。3。镍氢蓄电池（Ni-MH）镍氢蓄电池是九十年代涌现出的电池家族中新秀，发展迅猛。Ni-MH电池的电极反应为:正极:Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H20+e-负极:M+H2O+e=MHab+OH-Ni(OH)2+M=NiOOH+MHab它和镍镉蓄电池同属碱性蓄电池，只是以吸藏氢气的合金材料（mh）取代镍镉蓄电池中的负极材料镉cd、电动势仍为1．32v。它具备镍镉蓄电池的所有优异特，而且能量密度还高于镍镉蓄电池。主要优点是：比能量高（一次充电可行使的距离长）；比功率高，在大电流工作时也能平稳放电（加速爬坡能力好）；低温放电性能好；循环寿命长；安全可靠，免维护；无记忆效应；对环境不存在任何污染问题，可再生利用，符合持续发展的理念。但是，Ni-MH蓄电池成本太高，价格昂贵。丰田/松下电池公司，开发的适用于电动车“RAV4”的MH/Ni电池，容量为95Ah，比能量为63Wh/kg，功率密度为200W/kg，1次充电行驶距离可达100km。Ni-MH电池产量呈逐年上升趋势，99年达到7.83亿只。预计2003年左右，330％的电动汽车(EV)和混合式电动汽车(HEV)将采用Ni-MH电池。世界电动汽车产量在2010年预计为80万台，其中约60％的汽车将采用Ni-MH电池。目已有几个牌号的电动自行车采用了镍氢蓄电池。4．锂离子电池锂是世界最轻的金属，构成电池时，输出电压近4v。锂离子电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池。其优点是比能量高，是当前比能量最高的蓄电池。已经在便携式信息产品中获得推广应用。1995年，索尼公司又开发成功用于电动车的锂离子蓄电池，共分两种类型：一种是用于纯电动车（EV）容量为100Ah的圆柱形单体电池，称为高能型锂离子蓄电池；另一种是用于混合动力车（HEV），容量为22Ah，8只串联成电池模块，但其输出功率为前者的2.7倍，称为高功率型锂离子电池。高能型电池已于1996年装在日产汽车公司开发的第一辆锂离子电动汽车上（日产Al-traEV），在北京第一届国际电动车展览会上展出。该车一次充电可行驶200km，最高时速120Km/h。锂离子电池被普遍认为具有如下的优点：比能量大；比功率高；自放电小；无记忆效应；循环特性好；可快速放电，且效率高；工作温度范围宽；无环境污染等，因此有望进入21世纪最好的动力电源行列。预计在2006～2012年期间，当锂离子电池进一步发展时，MH/Ni蓄电池的市场份额将缩小。锂离子市场份额将会扩大。目前也已经有采用锂离子蓄电池的电动自行车产品出售。由于镍氢蓄电池和锂离子蓄电池是绿色蓄电池，不会因废弃造成二次污染，容易被政府环保部门接受，并且有较好的出口前景，目前虽然价格比较贵，仍有较大降价空间，应该大力提倡。二、几种蓄电池的性能比较四种电动车用蓄电池对比见下表1。表1电动车用主要蓄电池性能对比性能电池种类比能量W·h/kg能量密度W·h/L比功率W/kg循环寿命(次)价格(相对)商品化程度铅酸镉镍MH-Ni锂离子35506510090801351701502001503005001000100012001005004001000大量生产大量生产小批量生产试生产目前国内用于电动自行车的四种蓄电池性能比较见下表2.内容取自以下三家公司目录和有关文章资料提供的参考数据。表2四种电动自行车用蓄电池的对比比较项目标准电压标准容量重量循环寿命参考价格密封铅酸１２V12Ah3.8Kg200100元胶体铅酸镍氢１２V10Ah2.4Kg500-1000400元锂离子１２V1５Ah1.68Kg６００600元比较项目工作温度深度放电性能快速充电4密封铅酸－１０～４０℃差不允许胶体铅酸－25～50℃较好不允许镍氢－２０～５５℃好好锂离子好可以三、关于电动车动力蓄电池放电过程数学模型的实验研究电动车的动力蓄电池充放电过程的工作机理复杂，工作性能受到诸多因素的影响，它们之间的定量关系至今还不很清楚，其结果是如若使用不当，特别是过度充电和过度放电，将严重影响蓄电池的使用寿命。另一个需要解决的问题是寻求比较简单、准确的蓄电池剩余蓄电量测定方法，以保证电动车开出去后有足够的电量开得回来。为解决上述问题，国内外不少单位和学者，从不同技术路线研究蓄电池的放电和充电过程的数学模型的研究。本项研究的任务是：以电动自行车的四种蓄电池为对象，它们是标称容量12安时的Panasonic密封铅酸蓄电池、标称容量12安时的扬州华富胶体蓄电池密、标称容量10安时的湖南神州科技有限公司QNFZ10方型动力镍氢蓄电池和标称容量15Ah的嘉兴埃泰克电池工业有限公司锂离子蓄电池。图2为被测的密封铅酸蓄电池组，由三块12V、12Ah的蓄电池串联而成。图3为被测的镍氢蓄电池组，全电压36V。图2被测的密封铅酸蓄电池组图3被测的镍氢蓄电池组通过大量的实验测试数据，研究蓄电池放电过程的模型；探讨测定蓄电池剩余电量的实用方法；对比不同类型蓄电池的放电特性和环境温度对蓄电池放电性能的影响。实验建模5研究工作分静态模型和动态模型两个部分，分别予以介绍。1.电池放电过程的静态数学模型的实验研究蓄电池的静态数学模型主要有端电压模型和充放电量（安时）平衡模型两类，前者是关于蓄电池端电压（空载电压U0和负载电压Un）与放电状态的关系。后者是关于充电安时、放电安时和剩余电量安时数的平衡关系，以及工作条件（主要是环境温度）和放电状态（主要是放电强度、放电深度以及放电的间歇程度）对安时平衡模型的影响。(1)蓄电池的端电压模型图4蓄电池端电压静态模型框图图4为蓄电池端电压静态模型框图，蓄电池充满电后空载端电压U0的值是比较高的，当蓄电池对负载放电时，由于等效内阻的压降损耗，负载电压Un比空载端电压U0降低了，但是当负载断开后的间歇期，空载电池端电压U0会得到部分的恢复。随着放电量的增加，负载电压将下降，直至Un下降到容许的下限值时，表明必须停止放电。图5为标称容量为6伏、12安时的密封铅酸蓄电池在三种不同放电强度：0.25C放电、0.5C放电和1C放电，并在每放电2安时后间歇20分钟的条件下测量得U0和Un的结果曲线。图6和图7分别为镍氢蓄电池和锂离子蓄电池在0.5C放电强度下U0和Un与放电安时的关系曲线。图5.铅酸蓄电池0.5C恒流放电时的U0和Un与放电安时的关系曲线4.54.74.95.15.35.55.75.96.16.36.5V负载端电压1357放电Ah空载电压0.5C负载电压6图6.镍氢蓄电池在0.5C恒流放电时的U0和Un与放电安时的关系曲线图7.锂离子蓄电池在0.5C恒流放电时的U0和Un与放电安时的关系曲线由三类不同蓄电池的实验结果均可见，蓄电池端电压随着放安时数的增加而下降，但是端电压可能出现的值分布在比较宽的带状区域中，因此靠蓄电池端电压的测量值来估计剩余电量是很不准确的，但是由端电压下降到最低容许的下限值，作为判断放电终止点的信息是很可靠的。比较结果还可看出，铅酸蓄电池与镍氢蓄电池在大体相同的放电条件下，蓄电池端电压随放电安时的变化有明显规律性的差异：镍氢蓄电池的特点是随着放电安时的增加空载电压下降不多，也就是放电后的间歇期间空载电压恢复的较多；内阻随着放电安时的增加而增加，表现为空载电压与负载电压之差值在加大。而铅酸蓄电池与上述现象正相反，锂离子蓄电池的特点介于其他两者之间，而更接近与镍氢蓄电池。(2)充放电量（安时）平衡模型该静态模型可用下式（1）描述：充电量—放电量=剩余电量+安时损耗式（1）利用蓄电池检测的专用DALLAS芯片D