電動(dòng)汽車電池配置方法研究-畢業(yè)論文.doc

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1、河河南南農(nóng)農(nóng)業(yè)業(yè)大大學(xué)學(xué) 本本科科生生畢畢業(yè)業(yè)論論文文（設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)） 題 目 電動(dòng)汽車電池配置方法研究 學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)班級 交通運(yùn)輸 07 級 2 班 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 撰寫日期：2011年 5 月 21 日 1 摘摘 要要 近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國已邁進(jìn)汽車社會(huì)。汽車保有量迅速增加，導(dǎo) 致我國每年近一半的原油需要進(jìn)口，過度依賴石油資源將制約我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 甚至影響到國家利益。同時(shí)，為了建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好的和諧社會(huì)，倡導(dǎo) 并鼓勵(lì)研發(fā)、使用環(huán)保節(jié)能的新能源汽車，代表了世界汽車業(yè)發(fā)展的方向，也 符合我們的國情。我國電動(dòng)車研究領(lǐng)先于國際水平，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車自主創(chuàng)新 和技術(shù)集成，形

2、成了比較完整的產(chǎn)業(yè)布局。同時(shí)，在關(guān)鍵性零部件技術(shù)，如汽 車燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力蓄電池等方面，已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，形 成了配套產(chǎn)業(yè)鏈,最有可能率先實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。一汽、東風(fēng)、奇 瑞、比亞迪等大型汽車工業(yè)集團(tuán)，已啟動(dòng)電動(dòng)車項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化。但電動(dòng)汽車市場 推廣和使用環(huán)境培育進(jìn)程比較緩慢確是不爭的事實(shí)。電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一 是動(dòng)力電池, 動(dòng)力電池的好壞一方面決定著電動(dòng)汽車的成本, 另一方面決定著 電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和續(xù)駛里程, 這 2 個(gè)方面也是電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)的燃油汽車競 爭的關(guān)鍵所在。能否開發(fā)出性價(jià)比高的動(dòng)力電池對電動(dòng)汽車的未來發(fā)展具有至 關(guān)重要的作用。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；蓄

3、電池；燃料電池；混合動(dòng)力汽車 2 Electric car batteries collocation method research Abstract In recent years, along with the economic development, China has towards automobile society. Auto possession increase quickly, resulting in nearly half the crude requires each year, excessive dependence on imported oil resou

4、rces will restrict the development of our national economy, even affect national interests. At the same time, in order to construct the resource-saving and environment-friendly harmonious society, advocate and encourage the development and use of environmental protection and energy saving new energy

5、 vehicle, represents the world automobile industry development direction, also accord with our national conditions. Our country electric vehicle research leading international level, realized electric car independent innovation and technology integration, form a relatively complete industrial layout

6、. Meanwhile, in key parts and components technical, such as car fuel cell engine, motor, power batteries etc. Aspect, has made great progress, and formed a complete industry chain, most likely to take the lead to achieve the electric car large-scale industrialization applications. Faw, dongfeng, che

7、ry, byd etc. Large auto industry group, has been launched electric car project industrialization. But electric car market promotion and use environmental cultivation process is slowed it is the fact that does not dispute. One of the key technology of electric cars is power battery, power battery det

8、ermines the stand or fall of electric cars on the cost, on the other hand determines the electric vehicle dynamic performance and renew the travel distance, these two aspects of traditional electric car and is the key to fuel car competition. Can develop high ratio of the power battery electric cars

9、 future development has important role. KeyKey WordsWords：Electric car；storage battery ；Fuel cell；Hybrid Electric Vehicle 3 目目 錄錄 1 引言1 2 電動(dòng)汽車概況及運(yùn)用2 2.1 電動(dòng)汽車2 2.2 電動(dòng)汽車的分類.2 2.2.1 純電動(dòng)汽車2 2.2.2 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車3 2.2.3 燃料電池電動(dòng)汽車5 2.3 電動(dòng)汽車的優(yōu)勢6 2.4 電動(dòng)汽車的發(fā)展背景6 2.5 國內(nèi)電動(dòng)汽車現(xiàn)狀 7 2.5.1 我國高度重視電動(dòng)汽車 7 2.5.2 中國發(fā)展電動(dòng)汽車的優(yōu)勢和劣勢

10、.8 2.5.3 我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)已具備研發(fā)和生產(chǎn)能力9 3.電動(dòng)汽車電池及應(yīng)用情況9 3.1 電動(dòng)汽車電池概念和分類9 3.2 電動(dòng)汽車對電源系統(tǒng)的要求 10 3.3 蓄電池在電動(dòng)汽車中的作用 10 3.4 燃料電池的組成 11 3.5 電動(dòng)汽車電池組系統(tǒng) .11 3.6 電動(dòng)汽車電池應(yīng)用情況.12 4.電動(dòng)汽車的電池配置指標(biāo)和性能12 4.1 評價(jià)混合動(dòng)力汽車用動(dòng)力電池的主要指標(biāo)13 4.2 目前常用的混合動(dòng)力汽車電池的性能13 5 燃料電池混合動(dòng)力汽車能源系統(tǒng)優(yōu)化配置 14 5.1 元件選型14 5.2 能量管理策略14 4 5.3 燃料電池混合動(dòng)力汽車能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法15 6 實(shí)例

11、分析16 7 結(jié)束語18 參考文獻(xiàn)19 致 謝20 1 1 引言引言 在污染日益嚴(yán)重、能源日益缺乏的今天，電動(dòng)汽車的出現(xiàn)給人們帶來了新 的希望，可以形象地把它稱為 21 世紀(jì)的交通工具、明日之星。 電動(dòng)汽車是一種高新技術(shù)產(chǎn)品，它集光、電、機(jī)、化等各學(xué)科領(lǐng)域中的最 新技術(shù)于一體，是汽車、電力拖到、功率電子、智能控制、化學(xué)電源、計(jì)算機(jī)、 新能源、新材料等工程技術(shù)中最新成果的集成物。從外形上看，電動(dòng)汽車于常 見的汽車并沒有什么區(qū)別，它們的區(qū)別主要在于來自蓄電池。汽車行駛時(shí)，蓄 電池電流通過控制器輸入到電機(jī)中，電機(jī)輸出扭矩，經(jīng)離合器、變速器、萬向 傳動(dòng)裝置、主減速器、差速器、半軸等驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)汽

12、車在行駛過程中， 不排出任何污染物，噪聲也很小，而且不僅不消耗汽油、柴油等石油產(chǎn)品，還 可應(yīng)用多種能源，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用維修保養(yǎng)方便的特點(diǎn)，是一種新型的交 通工具。 我國的電動(dòng)汽車開發(fā)水平也處于世界領(lǐng)先地位，主要有清華大學(xué)的電動(dòng)中 型面包車、四川內(nèi)江微型電動(dòng)廠的電動(dòng)型微型車、上海新寧汽車廠的電動(dòng)敞篷 車、洛陽拖拉機(jī)廠研制的電動(dòng)轎車、北京理工大學(xué)、長沙科技大、河北勝利客 車廠共同研制的電動(dòng)大客車、華南理工大學(xué)研制的電動(dòng)面包車等。另外，我國 還在廣東省汕頭市南澳島成立了國家級電動(dòng)汽車試驗(yàn)區(qū)，在這里有各國的電動(dòng) 汽車正在運(yùn)行之中，為世界電動(dòng)汽車的發(fā)展積累素材。 隨著全球汽車保有量的不斷增加, 一方

13、面燃油的大量消耗引起的能源危機(jī) 變得日益嚴(yán)重, 另一方面汽車尾氣排放引起的環(huán)境污染的程度也越來越嚴(yán)重。 所以世界上很多國家和地區(qū)包括美國、日本、中國、歐洲等都在致力于研究新 能源汽車。當(dāng)前最有成效、發(fā)展最快的是電動(dòng)汽車( 包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng) 力電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車) , 而電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一是動(dòng)力電池, 電池的好壞一方面決定著電動(dòng)汽車的成本, 另一方面決定著電動(dòng)汽車的續(xù)駛里 程, 這2 個(gè)方面也是電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)的燃油汽車競爭的關(guān)鍵所在。 2 2 電動(dòng)汽車電動(dòng)汽車概況及運(yùn)用概況及運(yùn)用 2.12.1 電動(dòng)汽車電動(dòng)汽車 電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、

14、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。由于對環(huán)境影響相對傳統(tǒng)汽車較小，其前景被廣泛 看好，但當(dāng)前技術(shù)尚不成熟。電動(dòng)汽車是指全部或部分用電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為 動(dòng)力系統(tǒng)的汽車。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的電力常見的有各種蓄電池，燃料電池、太陽 能電池等。最常見的分類方法是把電動(dòng)汽車分為蓄電池電動(dòng)汽車、燃料電池汽 車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車三類。其中，蓄電池電動(dòng)汽車亦稱二次電池電動(dòng)車、純 電動(dòng)汽車等，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車亦稱復(fù)合動(dòng)力電動(dòng)汽車。由于單純的燃料電池 動(dòng)力汽車有很多不足，如無法回收制動(dòng)能量等，所以目前開發(fā)的燃料電池汽車 幾乎都帶有蓄電池或超級容量電容器的輔助能源裝置。嚴(yán)格來說，常見的燃料 電池大多屬于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。為了突出電

15、動(dòng)汽車的主要特點(diǎn)，實(shí)際上把這 類混合動(dòng)力電動(dòng)汽車也常叫做燃料電池車，而把有內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種動(dòng)力驅(qū) 動(dòng)組成的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車簡稱為混合動(dòng)力汽車。電動(dòng)汽車還常以使用的電池 名稱命名，如氫燃料電池汽車、蓄電池汽車、太陽能電動(dòng)汽車、鉛蓄電池汽車 和鎳氫蓄電池汽車等。 電動(dòng)汽車的工作原理：蓄電池電流電力調(diào)節(jié)器電動(dòng)機(jī)動(dòng) 力傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。 2.22.2 電動(dòng)汽車的分類電動(dòng)汽車的分類 電動(dòng)汽車主要分為純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池汽車三大類 別。 2.2.12.2.1 純電動(dòng)汽車純電動(dòng)汽車 電動(dòng)汽車的研究是從單獨(dú)依靠蓄電池供電的純電動(dòng)汽車（如圖 2-1）開始 的。純電動(dòng)汽車由二次電池（如鉛酸

16、電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池） 3 提供動(dòng)力，具有無污染、零排放等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于動(dòng)力電池的性能低、價(jià)格 貴、壽命短，使得當(dāng)前研制的電動(dòng)汽車一次充電行駛里程短，尚不能滿足人們 對其機(jī)動(dòng)性的要求，成為純電動(dòng)汽車的致命弱點(diǎn)。加上充電設(shè)施投資大、建設(shè) 周期長等原因，純電動(dòng)汽車的發(fā)展沒有達(dá)到預(yù)期的目的。 現(xiàn)在業(yè)內(nèi)人士已逐步達(dá)成共識，認(rèn)為純電動(dòng)汽車目前還無法大規(guī)模替代燃 油汽車，開始逐步放棄純電動(dòng)轎車、商用車的產(chǎn)業(yè)化，代之以小規(guī)模，微型化 和一些特定領(lǐng)域內(nèi)使用的純電動(dòng)車輛的開發(fā)與應(yīng)用。如高爾夫球車、游覽車、 工廠運(yùn)輸車等場地的特殊交通用車或運(yùn)輸工具，殘疾人用電動(dòng)車，小區(qū)域范圍 內(nèi)行駛的一兩人、十

17、人左右的社區(qū)電動(dòng)車等。 優(yōu)點(diǎn):技術(shù)相對簡單成熟，只要有電力供應(yīng)的地方都能夠充電。 缺點(diǎn): 目前蓄電池單位重量儲(chǔ)存的能量太少，還因電動(dòng)車的電池較貴， 又沒形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模，故購買價(jià)格較貴，至于使用成本，有些使用價(jià)格比汽車 貴，有些價(jià)格僅為汽車的 13，這主要取決于電池的壽命及當(dāng)?shù)氐挠?、?價(jià)格。 圖 2-1 2.2.22.2.2 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 （如圖 2-2） （亦稱混合動(dòng)力電動(dòng)汽車） 是指車上裝 有兩個(gè)以上動(dòng)力源，包括有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，符合汽車道路交通、安全法規(guī)的汽車， 4 車載動(dòng)力源有多種：蓄電池、燃料電池、太陽能電池、內(nèi)燃機(jī)車的發(fā)電機(jī)組， 當(dāng)前混合動(dòng)力電動(dòng)汽車一

18、般是指內(nèi)燃機(jī)車發(fā)電機(jī)，再加上蓄電池的電動(dòng)汽車。 按照燃料種類的不同，主要又可以分為汽油混合動(dòng)力和柴油混合動(dòng)力兩種。 目前國內(nèi)市場上，混合動(dòng)力車輛的主流都是汽油混合動(dòng)力，而國際市場上柴 油混合動(dòng)力車型發(fā)展也很快。采用混合動(dòng)力后可按平均需用的功率來確定內(nèi) 燃機(jī)的最大功率，此時(shí)處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。需要大功率 內(nèi)燃機(jī)功率不足時(shí)，由電池來補(bǔ)充；負(fù)荷少時(shí)，富余的功率可發(fā)電給電池充 電，由于內(nèi)燃機(jī)可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽 車一樣。 與純電動(dòng)汽車比較，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）整車重量?。ㄓ捎陔姵氐娜萘繙p?。?。 （2）汽車的續(xù)駛里程和動(dòng)力性可達(dá)到內(nèi)燃機(jī)

19、的水平。 （3）保證駕車和乘坐的舒適性（空調(diào)、暖風(fēng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向的使用） 與內(nèi)燃機(jī)汽車比較，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）可使原動(dòng)機(jī)在最佳的工況區(qū)域穩(wěn)定運(yùn)行，從而降低排污和油耗。 （2）在人口密集的商業(yè)區(qū)、居民區(qū)等地可用純電動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)車輛，實(shí)現(xiàn) “零排放” 。 （3）通過電動(dòng)機(jī)回收汽車減速和制動(dòng)時(shí)的能量，進(jìn)一步降低汽車的能量消 耗和排放污染 圖 2-2 5 2.2.32.2.3 燃料電池電動(dòng)汽車燃料電池電動(dòng)汽車 燃料電池電動(dòng)汽車（如圖 2-3）以氫氣作為動(dòng)力源，通過燃料電池機(jī)組或 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)這一能量轉(zhuǎn)換裝置，把氫氣和氧氣以電化方式由化學(xué)能量轉(zhuǎn)化 為電能從而驅(qū)動(dòng)車輛。由于這種電動(dòng)汽車唯一

20、產(chǎn)生的是水，很多專家認(rèn)為氫能 源汽車必然成為未來汽車工業(yè)的最終發(fā)展方向和世界汽車工業(yè)爭奪的熱點(diǎn)。燃 料電池汽車是指以氫氣、甲醇等為燃料，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，依靠電機(jī) 驅(qū)動(dòng)的汽車。其電池的能量是通過氫氣和氧氣的化學(xué)作用，而不是經(jīng)過燃燒， 直接變成電能獲得。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過程不會(huì)產(chǎn)生有害產(chǎn)物，因此燃料 電池車輛是無污染汽車，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機(jī)要高23 倍， 因此從能源的利用和環(huán)境保護(hù)方面，燃料電池汽車是一種理想的車輛。 單個(gè)的燃料電池必須結(jié)合成燃料電池組，以便獲得必需的動(dòng)力，滿足車 輛使用的要求。 近幾年來，燃料電池技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展。世界著名汽車制造廠， 如戴姆勒克萊斯勒

21、、福特、豐田和通用汽車公司已經(jīng)宣布，計(jì)劃在2004 年以前將燃料電池汽車投向市場。目前，燃料電池轎車的樣車正在進(jìn)行試驗(yàn)， 以燃料電池為動(dòng)力的運(yùn)輸大客車在北美的幾個(gè)城市中正在進(jìn)行示范項(xiàng)目。在 開發(fā)燃料電池汽車中仍然存在著技術(shù)性挑戰(zhàn)，如燃料電池組的一體化，提高 商業(yè)化電動(dòng)汽車燃料處理器和輔助部汽車制造廠都在朝著集成部件和減少部 件成本的方向努力，并已取得了顯著的進(jìn)步。 與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）、零排放或近似零排放。 （2）、減少了機(jī)油泄露帶來的水污染。 （3）、降低了溫室氣體的排放。 （4）、提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。 （5）、提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率。 （6）、運(yùn)行平穩(wěn)、無噪聲。

22、6 圖 2-3 2.32.3 電動(dòng)汽車的優(yōu)勢電動(dòng)汽車的優(yōu)勢 電動(dòng)汽車包括蓄電池池、燃料電池車和混合電動(dòng)汽車三類。由傳統(tǒng)的汽車 動(dòng)力和電力組成的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車由于裝備了內(nèi)燃機(jī)等傳統(tǒng)的汽車動(dòng)力，因 此，此類混合動(dòng)力車僅在以電力運(yùn)行時(shí)具備蓄電池汽車和燃料電池汽車的一些 優(yōu)勢。故在以下論述一些優(yōu)勢中，對混合動(dòng)力電動(dòng)汽車僅指以電力運(yùn)行時(shí)而言。 （1） 良好的環(huán)境保護(hù)作用 （2） 噪音低 （3） 熱效率高 （4） 排放的廢熱少，可回收利用的能量多 （5） 可以改善能源結(jié)構(gòu)、解決汽車的替代能源問題。 2.42.4 電動(dòng)汽車的發(fā)展背景電動(dòng)汽車的發(fā)展背景 電池是電動(dòng)汽車發(fā)展的首要關(guān)鍵，汽車動(dòng)力電池難在 “低成

23、本要求 ”、 “高容量要求”及“高安全要求”等三個(gè)要求上。要想在較大范圍內(nèi)應(yīng)用電 動(dòng)汽車，要依靠先進(jìn)的蓄電池經(jīng)過10 多年的篩選，現(xiàn)在普遍看好的 氫鎳電 池，鐵電池，鋰離子和鋰聚合物電池 。氫鎳電池單位重量儲(chǔ)存能量比 鉛酸 電池多一倍，其它性能也都優(yōu)于鉛酸電池。但目前價(jià)格為鉛酸電池的4-5 倍，正在大力攻關(guān)讓它降下來。鐵電池采用的是資源豐富、價(jià)格低廉的鐵元 7 素材料，成本得到大幅度降低，也有廠家采用。鋰是最輕、化學(xué)特性十分活 潑的金屬，鋰離子電池單位重量儲(chǔ)能為鉛酸電池的 3 倍，鋰聚合物電池為 4 倍，而且鋰資源較豐富，價(jià)格也不很貴，是很有希望的電池。我國在鎳氫 電池和鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)

24、方面均取得了快速的發(fā)展。電動(dòng)汽車其他有 關(guān)的技術(shù)，近年都有巨大的進(jìn)步，如：交流感應(yīng)電機(jī)及其控制，稀土永磁 無刷電機(jī)及其控制，電池和整車能量管理系統(tǒng)，智能及快速充電技術(shù)，低阻 力輪胎，輕量和低風(fēng)阻車身，制動(dòng)能量回收等等，這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)汽 車日見完善和走向?qū)嵱没?。我國大城市的大氣污染已不能忽視，汽車排放?主要污染源之一，我國已有 16 個(gè)城市被列入全球大氣污染最嚴(yán)重的20 個(gè) 城市之中。我國現(xiàn)今人均汽車是每1000 人平均 10 輛汽車，但石油資源不 足，每年已進(jìn)口幾千萬噸石油，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，假如中國人均汽車持有量 達(dá)到現(xiàn)在全球水平 -每 1000 人有 110 輛汽車，我國汽車持有量將

25、成 10 倍地增加，石油進(jìn)口就成為大問題。因此在我國研究發(fā)展電動(dòng)汽車不是一個(gè) 臨時(shí)的短期措施，而是意義重大的、長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略考慮。 2 2. .5 5 國國內(nèi)內(nèi)電電動(dòng)動(dòng)汽汽車車現(xiàn)現(xiàn)狀狀 2 2. .5 5. .1 1 我我國國高高度度重重視視電電動(dòng)動(dòng)汽汽車車 改革開放以來，我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，取得了舉世矚目的成就。然 而，伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市大氣污染問題也越來越嚴(yán)重。大氣污染已危及到 人們的身心健康，成為我國特別是城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的障礙，同時(shí)還影 響到我國的國際形象。 我國政府對環(huán)境問題十分重視，保護(hù)環(huán)境是貫徹實(shí)施我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略 的一項(xiàng)重要任務(wù)。在全國九屆人大二次會(huì)議上，朱榕基總

26、理在政府工作報(bào)告 中強(qiáng)調(diào)“進(jìn)一步實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，要以對人民、對子孫后代負(fù)責(zé)的精神保 護(hù)資源和生態(tài)環(huán)境” ，并指出， “首都北京今年把治理大氣污染作為政府的一項(xiàng) 突出任務(wù)，國務(wù)院各有關(guān)部門要給予有力支持。 同時(shí)，我國是一個(gè)石油相對短缺的國家。從 1994 年起，我國就已經(jīng)成為純 石油進(jìn)口國，而天然氣的儲(chǔ)量相對比較豐富。眾所周知，天然氣、液化石油氣 8 具有良好的物理化學(xué)特性，作為汽車代用燃料；能夠有效降低汽車尾氣中的有 害成分。因此，研制、生產(chǎn)以壓縮天然氣、液化石油氣汽車為代表的低排放燃 氣汽車，對減少環(huán)境污染、合理利用能源、促進(jìn)我國汽車工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展， 具有十分重要的意義。 從長遠(yuǎn)看，

27、環(huán)境和技術(shù)兩個(gè)因素將主導(dǎo)汽車工業(yè)的未來，任何一個(gè)汽車生 產(chǎn)企業(yè)，如果僅僅依賴于傳統(tǒng)燃料汽車，將難以在 21 世紀(jì)環(huán)保要求更加苛刻、 競爭更加激烈的市場中占有一席之地，從市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要和人們改善生活 質(zhì)量的要求出發(fā)，汽車進(jìn)入中國人的家庭只是時(shí)間問題。但是，未來中國若是 大規(guī)模地發(fā)展汽油或柴油動(dòng)力汽車，勢必在資源和環(huán)境方面遇到更嚴(yán)重的壓力， 中國必須尋求未來汽車工業(yè)發(fā)展的新路，電動(dòng)汽車無疑是一個(gè)重要的發(fā)展方向。 當(dāng)前的進(jìn)展表明，電動(dòng)汽車的生產(chǎn)不僅僅是發(fā)動(dòng)機(jī)的重大變化，而且在汽車設(shè) 計(jì)，加工，材料，以及電氣、控制系統(tǒng)等方面都面臨著諸多改變，這意味著以 汽車工業(yè)為基礎(chǔ)的西方發(fā)達(dá)國家整個(gè)工業(yè)體系面臨

28、著重大的調(diào)整，代價(jià)極為巨 大。這種局面實(shí)際上為我國提供了一個(gè)空前的機(jī)遇。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)零排放 電動(dòng)汽車的研究開發(fā)工作，爭取早日實(shí)現(xiàn)商品化、產(chǎn)業(yè)化，具有長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意 義。 2.5.22.5.2 中國發(fā)展電動(dòng)汽車的優(yōu)勢和劣勢中國發(fā)展電動(dòng)汽車的優(yōu)勢和劣勢 在優(yōu)勢方面，一是中國有多元化市場需求，對一些新能源、新產(chǎn)品、新概 念的容納性好；二是我們?nèi)〉昧思夹g(shù)上的進(jìn)展，電池工業(yè)全球最大，我們做的 電池盡管能量比還不夠，但是研發(fā)產(chǎn)品拿出來是相當(dāng)?shù)膶哟?，我們在產(chǎn)業(yè)化方 面沒有問題；三是我們的資源優(yōu)勢，中國是世界第三大資源國，電動(dòng)機(jī)汽車所 需要的資源有一定的優(yōu)勢。 在劣勢方面，中國汽車目前整車在電動(dòng)車發(fā)展當(dāng)中有

29、一定的劣勢，我們看 其他國家電動(dòng)車的發(fā)展、新能源汽車的發(fā)展，大的整車企業(yè)形成支柱產(chǎn)業(yè)，中 國的汽車企業(yè)無論是合資的也好還是民營的也好都是不一樣的，主要的技術(shù)， 電池等技術(shù)都在汽車方面，我們的整車合資企業(yè)技術(shù)是依賴外國的，所以就出 現(xiàn)干電池的利用電池的技術(shù)干整車，這是一大劣勢。 第二大劣勢就是我們的技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)不牢固，比如我們搞的電池研發(fā)產(chǎn)品 9 優(yōu)化，但是就拿電池來講，能量力度提高的空間仍然很大，如果再提高的話拼 的是基礎(chǔ)研發(fā)，在大學(xué)的研究機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)也在做，但是依然不足。 第三就是我們的基礎(chǔ)設(shè)施大量的減少。電動(dòng)汽車當(dāng)然還有其他的產(chǎn)業(yè)有一 定的問題，對于中國來講需要尋找適合自身特點(diǎn)的產(chǎn)業(yè)，對于汽

30、車業(yè)來講是有 很大的戰(zhàn)略機(jī)會(huì)，但是這個(gè)轉(zhuǎn)型期是比較長的。 2.5.32.5.3 我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)已具備研發(fā)和生產(chǎn)能力我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)已具備研發(fā)和生產(chǎn)能力 自從 2000 年開始，國家就在相關(guān)的科技計(jì)劃當(dāng)中持續(xù)地支持電動(dòng)汽車的技 術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。經(jīng)過近十年的努力，在整車開發(fā)方面，混合動(dòng)力汽車的技術(shù) 不斷提高，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小批量的生產(chǎn)；鋰離子電池的純電動(dòng)汽車相繼推出，形 成了系列產(chǎn)品，并小規(guī)模的投放市場；燃料電池汽車技術(shù)研發(fā)深入，開展了小 范圍的示范考核。目前，已經(jīng)有近百款各類電動(dòng)汽車的產(chǎn)品進(jìn)入了中國汽車產(chǎn) 品的公告（獲準(zhǔn)上市） 。中國自主研發(fā)的各類電動(dòng)汽車已在北京奧運(yùn)會(huì)、2009 夏季達(dá)沃斯論壇等

31、國際大型活動(dòng)中得到了很好的應(yīng)用。明年在上海舉行的世博 會(huì)還將有上千輛電動(dòng)汽車投入使用為中外賓客服務(wù)。他說，今后中國政府將加 強(qiáng)新能源汽車標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)與產(chǎn)品管理體系的建設(shè)，為新能源汽車的產(chǎn)業(yè)化和大規(guī) 模的推廣奠定基礎(chǔ)。 3.3.電動(dòng)汽車電池電動(dòng)汽車電池及應(yīng)用情況及應(yīng)用情況 3.13.1 電動(dòng)汽車電池概念和分類電動(dòng)汽車電池概念和分類 電動(dòng)汽車可以分為兩大類蓄電池和燃料電池。蓄電池適用于純電動(dòng)汽車， 可以歸類為鉛酸蓄電池、鎳基電池（鎳一氫及鎳一金屬氫化物電池、鎳一福 及鎳一鋅電池） 、鈉電池（鈉一硫電池和鈉一氯化鎳電池）、二次鋰電池、 空氣電池等類型。而燃料電池專用于 燃料電池電動(dòng)汽車 ，可以分為 堿性

32、燃 料電池(AFC)、磷酸燃料電池 (PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC )、固體 氧化物燃料電池 (SOFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC )、直接甲醇燃料電 池(DMFC )等類型。 10 3 3. .2 2 電電動(dòng)動(dòng)汽汽車車對對電電源源系系統(tǒng)統(tǒng)的的要要求求 電動(dòng)汽車作為一種無廢氣排放的綠色汽車而引人注目。作為無污染，能 源可多樣化配置新型交通工具，近年來引起了人們的普片關(guān)注并得到了極大 的發(fā)展。電動(dòng)汽車以電力驅(qū)動(dòng)，行駛無排放（或低排放） ，噪音低，能量轉(zhuǎn) 化率比內(nèi)燃機(jī)汽車高很多，同時(shí)電動(dòng)汽車還具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu) 點(diǎn)，安全性也優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)汽車。但是，要想進(jìn)一步普及，目

33、前尚不可能。電 動(dòng)汽車目前還存在價(jià)格較高，續(xù)駛里程較短，動(dòng)力性能較差等問題，而這些 問題都是和電源系統(tǒng)技術(shù)密切相關(guān)的。目前制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素是 動(dòng)力蓄電池不理想，對于開發(fā)電動(dòng)汽車的競爭，最重要的在于開發(fā)載動(dòng)力電 池的競爭。對電源系統(tǒng)的要求如下： （1）高的比能量和能量密度 （2）高的比功率和功率密度 （3）快速充電和深度放電的能力 （4）使用壽命長 （5）自放電功率小，充電效率高 （6）安全性能良好，且成本低廉 （7）免維修 （8）對環(huán)境無危害，可回收性好 3 3. .3 3 蓄蓄電電池池在在電電動(dòng)動(dòng)汽汽車車中中的的作作用用 隨著電動(dòng)汽車的種類不同而略有差異。在僅裝備蓄電池的純電動(dòng)汽車

34、中， 蓄電池的作用是汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的惟一動(dòng)力源。而在裝備傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)(或燃料 電池)與蓄電池的混合動(dòng)力汽車 中，蓄電池既可扮演汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要?jiǎng)恿?源的角色，也可充當(dāng)輔助動(dòng)力源的角色?？梢娫诘退俸蛦?dòng)時(shí)，蓄電池扮演 的是汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要?jiǎng)恿υ吹慕巧?;在全負(fù)荷加速時(shí)，充當(dāng)?shù)氖禽o助動(dòng)力 源的角色;在正常行駛或減速、制動(dòng)時(shí)充當(dāng)?shù)氖莾?chǔ)存能量的角色。 11 3 3. .4 4 燃燃料料電電池池的的組組成成 燃料電池由陽極、陰極、電解質(zhì)和隔膜構(gòu)成。燃料在陽極氧化，氧化劑 在陰極還原。如果在陽極 (即外電路的負(fù)極，也可稱燃料極 )上連續(xù)供給氣 態(tài)燃料(氫氣)，而在陰極(即外電路的正極，也可稱空氣極 )上連續(xù)供

35、給氧 氣(或空氣)，就可以在電極上連續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生電流。由此可見， 燃料電池與常規(guī)電池不同，它的燃料和氧化劑不是儲(chǔ)存在電池內(nèi)，而是儲(chǔ)存 在電池外部的儲(chǔ)罐中。當(dāng)它工作 (輸出電流并做功 )時(shí)，需要不間斷地向電 池內(nèi)輸人燃料和氧化劑并同時(shí)排出反應(yīng)產(chǎn)物。因此，從工作方式上看，它類 似于常規(guī)的汽油或柴油發(fā)電機(jī)。由于燃料電池工作時(shí)要連續(xù)不斷地向電池內(nèi) 送入燃料和氧化劑，所以燃料電池使用的燃料和氧化劑均為流體(氣體或液 體)。最常用的燃料為純氫、各種富含氫的氣體 (如重整氣)和某些液體 (如 甲醇水溶液)，常用的氧化劑為純氧、凈化空氣等氣體和某些液體(如過氧 化氫和硝酸的水溶液等 )。 燃料電池

36、陽極的作用是為燃料和電解液提供公共界面，并對燃料的氧化 產(chǎn)生催化作用，同時(shí)把反應(yīng)中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)酵怆娐坊蛘呦葌鬏數(shù)郊靼?后再向外電路傳輸。陰極 (氧電極)的作用是為氧和電解液提供公共界面，對 氧的還原產(chǎn)生催化作用，從外電路向氧電極的反應(yīng)部位傳輸電子。由于電極 上發(fā)生的反應(yīng)大多為多相界面反應(yīng)，為提高反應(yīng)速率，電極一般采用多孔材 料并涂有電催化劑。 3 3. .5 5 電電動(dòng)動(dòng)汽汽車車電電池池組組系系統(tǒng)統(tǒng) 電動(dòng)汽車電池組由多個(gè)電池串聯(lián)疊置組成。一個(gè)典型的電池組大約有 96 個(gè)電池，充電到 4.2V 的鋰離子電池而言，這樣的電池組可產(chǎn)生超過 400V 的總電壓。盡管汽車 電源系統(tǒng)將電池組看作單個(gè)

37、高壓電池，每次都對 整個(gè)電池組進(jìn)行充電和放電，但電池控制系統(tǒng)必須獨(dú)立考慮每個(gè)電池的情況。 如果電池組中的一個(gè)電池容量稍微低于其他電池，那么經(jīng)過多個(gè)充電/放電 周期后，其充電狀態(tài)將逐漸偏離其它電池。如果這個(gè)電池的充電狀態(tài)沒有周 期性地與其它電池平衡，那么它最終將進(jìn)入深度放電狀態(tài)，從而導(dǎo)致?lián)p壞， 并最終形成電池組故障。為防止這種情況發(fā)生，每個(gè)電池的電壓都必須監(jiān)視， 以確定充電狀態(tài)。此外，必須有一個(gè)裝置讓電池單獨(dú)充電或放電，以平衡這 些電池的充電狀態(tài)。 電池組監(jiān)視系統(tǒng)的一個(gè)重要考慮因素是通信接口。就PC 板內(nèi)的通信而 言，常用的選項(xiàng)包括串行外設(shè)接口 (SPI)總線、I2C 總線，每種總線的通信 12

38、 開銷都很低，適用于低干擾環(huán)境。另一個(gè)選項(xiàng)是 控制器局域網(wǎng) (CAN)總線， 這種總線在汽車應(yīng)用中被廣泛使用。 CAN 總線非常魯棒，具有誤差檢測和故 障容限特性，但是它的通信開銷很大，材料成本也很高。盡管從電池系統(tǒng)到 汽車主 CAN 總線的連接是值得要的，但在電池組內(nèi)采用SPI 或 I2C 通信是 有優(yōu)勢的。 3.63.6 電動(dòng)汽車電池應(yīng)用情況電動(dòng)汽車電池應(yīng)用情況 當(dāng)前電動(dòng)汽車正處于發(fā)展高潮，對于電動(dòng)汽車技術(shù)的全面發(fā)展，重中之重 就在于能量存儲(chǔ)技術(shù)的提高。動(dòng)力電池將向著高比能量、高可靠性、低成本、 安全環(huán)保方向發(fā)展。近階段，鉛酸電池雖然年代久遠(yuǎn)，但其技術(shù)成熟、成本低， 在今后的一定時(shí)期內(nèi)依然

39、具有競爭能力，仍將擁有一定市場；燃料電池代表著 未來動(dòng)力電池的發(fā)展方向，但其成本太高，短時(shí)間內(nèi)無法得到大規(guī)模商業(yè)化； MH-Ni 蓄電池依然具有優(yōu)勢；鋅空氣電池有待開發(fā)；鋰離子電池具有很多優(yōu)點(diǎn)， 是我們今后要大力發(fā)展的動(dòng)力電池。隨著能量存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展和突破，具有高 能量密度、高功率密度、較好的充放電性能、較長的循環(huán)壽命、低成本、高安 全性等優(yōu)秀性能的汽車用動(dòng)力電池定會(huì)實(shí)現(xiàn)商品化，電動(dòng)汽車必將成為 21 世 紀(jì)的主流交通工具。 4.4.電動(dòng)汽車的電池配置電動(dòng)汽車的電池配置指標(biāo)和性能指標(biāo)和性能 汽車工業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了全球交通、經(jīng)濟(jì)等許多方面的巨大進(jìn)步，但汽車數(shù) 量的大量增加也加劇了能源危機(jī)和大氣環(huán)境

40、污染。電動(dòng)汽車由于具有明顯的節(jié) 能和環(huán)保優(yōu)勢而成為各國汽車工業(yè)研究開發(fā)的熱點(diǎn)，在當(dāng)前技術(shù)條件下最有發(fā) 展優(yōu)勢的當(dāng)屬混合動(dòng)力汽車(HEV)。歐美和日本等發(fā)達(dá)國家已有不少混合動(dòng)力車 型推向市場，我國在這方面的研究也取得了一定的成果。 動(dòng)力電池作為混合動(dòng)力汽車(HEV)的重要元件，動(dòng)力電池的匹配對整車動(dòng) 力性和經(jīng)濟(jì)性都有較大影響。動(dòng)力電池的容量、比功率等參數(shù)選擇越大，汽車 儲(chǔ)能能力就越強(qiáng)，純電動(dòng)行駛里程越大。但是參數(shù)選擇越大，勢必使得電池質(zhì) 量增大，而又影響了整車性能且大大增加了成本，因此動(dòng)力電池匹配優(yōu)化研究 13 很有必要。當(dāng)前已有的HEV動(dòng)力電池有多種類型，不同電池之間參數(shù)的變化范 圍很大?，F(xiàn)在

41、混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)中，動(dòng)力電池匹配主要依靠已知的電機(jī)額定參 數(shù)或是通過全局優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法計(jì)算以及專門的電動(dòng)汽車軟件仿真得到。 4.14.1 評價(jià)混合動(dòng)力汽車用動(dòng)力電池的主要指標(biāo)評價(jià)混合動(dòng)力汽車用動(dòng)力電池的主要指標(biāo) (1)質(zhì)量比功率(WKg)：電池的質(zhì)量比功率代表每千克質(zhì)量的電池能提供的功 率。它的大小決定電池所能輸出的最大功率，標(biāo)志著汽車的加速性能和最高車 速，對電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能等有直接影響。在混合動(dòng)力汽車中，電池的比功率 是最關(guān)鍵的因素，動(dòng)力電池的電耗盡后可以在內(nèi)燃機(jī)工況下重新進(jìn)行充電。 (2)質(zhì)量比能量：代表每公斤質(zhì)量的電池能提供多大能量，能夠表純電動(dòng)模式下 的續(xù)駛能力。 (3)循環(huán)壽命：

42、動(dòng)力電池的工作是一個(gè)不斷充電一放電一充電一放電的循環(huán)過程 每充電和放電一次，動(dòng)力電池中的化學(xué)物質(zhì)就要發(fā)生一次可逆性的化學(xué)反應(yīng)。 隨著充電和放電次數(shù)的增加，動(dòng)力電池中的化學(xué)活性物質(zhì)會(huì)發(fā)生老化，逐漸削 弱其化學(xué)功能，降低動(dòng)力電池的充電和放電的效率，最后部分或完全喪失其充 電和放電功能。動(dòng)力電池的工作循環(huán)次數(shù)是衡量動(dòng)力電池壽命的重要指標(biāo)，它 標(biāo)志著使用的經(jīng)濟(jì)性和方便性。 (4)價(jià)格成本：電池的成本與電池的薪技術(shù)含量、材料、制作方法和生產(chǎn)規(guī)模有 關(guān)，代表使用的經(jīng)濟(jì)性。目前新開發(fā)的高比功率的動(dòng)力電池成本較高。 4.24.2 目前常用的混合動(dòng)力汽車電池的性能目前常用的混合動(dòng)力汽車電池的性能 （1)放電電流

43、：不同的放電電流下，蓄電池的起始端電壓和截止端電壓都是不 同的。其中放電電流越大，則起始端電壓和截止端電壓越小、放電容量也越小， 反之則都變大。 （2)放電截止電壓：放電截止電壓指當(dāng)電池放電，電池的電壓降到某點(diǎn)時(shí)，如 果繼續(xù)放電電池電壓會(huì)急劇下降，若持續(xù)放電會(huì)對電池造成損害。 (3)溫度：溫度對蓄電池的剩余容量的影響也比較突出。電池放電應(yīng)在一10至 45的環(huán)境溫度下，放電電流的大小將影響電池的放電效率，電池在01C至 14 20C范圍內(nèi)電池的放電效率會(huì)比較理想。在溫度低于IOC和高于45“C時(shí)，電 池的放電容量將會(huì)下降，容量的下降會(huì)導(dǎo)致電池性能降低。 (4)老化：蓄電池在使用一段時(shí)間后，它的額

44、定容量會(huì)有一定的變化，一開始會(huì) 有所增加，大約增幅在5-20，接下來的一段時(shí)間，電池的容量維持不變。 然后其容量會(huì)逐步減少，當(dāng)電池的容量達(dá)到額定容量的80時(shí)，可以認(rèn)為電池 的壽命結(jié)束。 (5)電池的不均衡性：電池單元之間的質(zhì)量不同，所造成的容量的差異，在一組 電池單元中，所能放出的容量，將由實(shí)際容量最小的電池單元決定。 5 5 燃燃料料電電池池混混合合動(dòng)動(dòng)力力汽汽車車能能源源系系統(tǒng)統(tǒng)優(yōu)優(yōu)化化配配置置 燃料電池混合動(dòng)力車能源系統(tǒng)的配置由整車動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性能要求 等因素決定。不同配置的能源系統(tǒng)需要合理的控制策略參數(shù)值，才能客觀地評 價(jià)能源系統(tǒng)所能達(dá)到的性能水平。影響電一電混合的燃料電池混合動(dòng)

45、力車能源 系統(tǒng)配置的主要因素有：車輛的動(dòng)力性能、續(xù)駛里程和成本要求以及車輛的行 駛工況等。車輛的行駛循環(huán)工況是設(shè)計(jì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)等部件功率容量的主要參考依據(jù)。綜合以上影響因素的分析得出進(jìn)行能源 系統(tǒng)配置時(shí)，改變能源系統(tǒng)配置需要同時(shí)調(diào)整其控制參數(shù)才能客觀地評價(jià)能源 系統(tǒng)所能達(dá)到的性能水平。 5.15.1 元件選型元件選型 混合動(dòng)力能源系統(tǒng)元件選型是指選擇兩種能量儲(chǔ)存裝置的類型、功率尺寸 和各特性參數(shù)。兩種能源功率尺寸比例決定了能源系統(tǒng)的配置型式，根據(jù)燃料 電池提供功率占總系統(tǒng)功率的比例可將系統(tǒng)分為能量混合型和功率混合型兩大 類。兩種能量源的不同功率輸出特性直接影響到混合動(dòng)

46、力系統(tǒng)的輸出性能，需 對混合能源系統(tǒng)配置進(jìn)行優(yōu)化處理。 5.25.2 能量管理策略能量管理策略 能量管理策略包括驅(qū)動(dòng)能量分配和制動(dòng)能量回收管理兩部分，前者是指車 15 輛在行駛過程中如何根據(jù)功率需求分配兩種能量源的輸出功率。對于電一電混 合的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)能量分配策略主要是根據(jù)車輛需求功率， 確定燃料電池的輸出功率，并由DCDC變換器實(shí)施輸出功率控制，蓄電池的輸 出是間接被動(dòng)控制；制動(dòng)能量回收管理主要是根據(jù)蓄電池的SOC狀態(tài)確定電機(jī)的 再生制動(dòng)功率的大小。能源系統(tǒng)的控制參數(shù)如下： （1） 燃料電池控制 燃料電池的控制包括其開關(guān)控制和功率輸出大小控制兩部分。開關(guān)控制主 要是根據(jù)當(dāng)前

47、蓄電池的SOC和車輛的功率需求確定燃料電池的開關(guān)狀態(tài)；燃料電 池輸出功率的大小是根據(jù)車輛需求功率和蓄電池的SOC以及當(dāng)前燃料電池狀態(tài)通 過一定分配算法確定，控制參數(shù)一般包括對邊界和動(dòng)態(tài)特性的約束，邊界限值 將燃料電池的功率輸出限定在一定范圍內(nèi)，而動(dòng)態(tài)特性限值給出了燃料電池當(dāng) 前狀態(tài)下的最大允許動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，燃料電池的動(dòng)態(tài)特性直接影響到混合動(dòng)力 系統(tǒng)對蓄電池瞬時(shí)輸出功率和容量的要求。 (2) 蓄電池控制 能量管理系統(tǒng)對蓄電池的控制主要是：一方面限制其SOC值在一定范圍內(nèi)， 保證蓄電池的充放電效率在較高的范圍內(nèi)，同時(shí)有利于延長蓄電池的使用壽命； 另一方面根據(jù)soc值的大小給出其修正充電功率，保證蓄

48、電池SOC處于適當(dāng)?shù)臓?態(tài)，既能輸出足夠的瞬時(shí)功率，又能保證再生制動(dòng)時(shí)能量的順利吸收。 5.35.3 燃料電池混合動(dòng)力汽車能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法燃料電池混合動(dòng)力汽車能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法 Advisor是美國國家再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)為傳統(tǒng)車輛和先進(jìn)車輛進(jìn)行能量 消耗和排放分析而開發(fā)的計(jì)算機(jī)仿真工具，它基于MatlabSimulink圖形仿真 環(huán)境，對車輛的能量流和燃料消耗進(jìn)行后向仿真。它使用Simulink圖形模塊對 各個(gè)部件建模，用Matlab數(shù)據(jù)文件設(shè)置車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)、控制系統(tǒng)參數(shù)和元件性 能數(shù)據(jù)等。 Advisor燃料電池混合動(dòng)力車控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的調(diào)整通過元件功率比例系 數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從

49、而保證各個(gè)能源元件功率輸出始終限定在一定的功率比例范圍 內(nèi)，保證元件始終工作在較高的效率區(qū)，缺點(diǎn)是只考慮了元件的效率，沒有考 慮整個(gè)系統(tǒng)的效率，所以本文選擇能源系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵控制參數(shù)作為優(yōu)化變量 16 參與優(yōu)化計(jì)算，能夠比較合理地評價(jià)能源系統(tǒng)配置能夠達(dá)到的性能指標(biāo)。對控 制參數(shù)和元件尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化配置是基于Advisor的整車仿真模型，利用 Advisor仿真模型同各種優(yōu)化軟件的接口，編寫相應(yīng)的優(yōu)化程序和優(yōu)化控制算法。 利用Matlab優(yōu)化工具箱提供的FEMINCON函數(shù)編寫相應(yīng)優(yōu)化程序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。 優(yōu)化程序包括三部分：目標(biāo)函數(shù)、約束函數(shù)和主函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)的作用主要是 在主函數(shù)引入優(yōu)化變量

50、取值并調(diào)用整車仿真模型，對選定驅(qū)動(dòng)循環(huán)進(jìn)行仿真， 最后返回優(yōu)化目標(biāo)值和約束值到工作空間；約束函數(shù)的主要作用是對加速、爬 坡工況進(jìn)行仿真分析并返回約束值到工作空間；主函數(shù)主要是設(shè)置優(yōu)化變量、 約束變量限值和優(yōu)化選項(xiàng)并調(diào)用優(yōu)化函數(shù)，最后保存優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化算式為 X，y=fmincon（f1（x）；X0,A,B,Aeq，Beq，L,U,f2（x），Lc，Uc） （1） 式中 f1（x）優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，在優(yōu)化變量空間內(nèi)對指定的測試循環(huán)進(jìn)行 仿真，返回燃油消耗反數(shù)值； L,U 優(yōu)化變量的上下限值； X0 優(yōu)化初始值 f2（x）邊界函數(shù) 6 6 實(shí)例分析實(shí)例分析 燃料電池和蓄電池混合動(dòng)力車整車參數(shù)和動(dòng)力性能

51、設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。 根據(jù)整車參數(shù)及性能設(shè)計(jì)要求編寫整車參數(shù)文件，整車質(zhì)量會(huì)根據(jù)燃料電池和 蓄電池的不同選型而更新。 表1 燃料電池混合動(dòng)力車參數(shù) 整車參數(shù)數(shù)值性能參數(shù)數(shù)值 滿載質(zhì)量/kg 5000 最高車速km/h 90 外形尺寸/mm 5900*2000*2750 加速性能 0-60km/h加速時(shí)間小于30s 車輪半徑r/m 0.37 最大爬坡度20 迎風(fēng)面積A/m2 4.6 續(xù)駛里程/km 300 17 優(yōu)化仿真模型包括基準(zhǔn)元件模型和控制系統(tǒng)模型。 (1)基準(zhǔn)元件選型基準(zhǔn)元件選型如表2所示。 表2 基準(zhǔn)元件選型參數(shù) 參數(shù)名稱燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)蓄電池電機(jī) 元件類型 PEMFCNiMHAC 額定

52、功率/容量 50kW28Ah75kW 仿真模型功率-效率MAP圖內(nèi)阻模型效率MAP圖 其他參數(shù)最高效率60串聯(lián)模塊電壓 4.8-7.8V 最高轉(zhuǎn)速 10000r/min 幾項(xiàng)說明如下：燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度直接影響到能源系統(tǒng)蓄電池 的配置，為了更合理地表述燃料電池輸出功率動(dòng)態(tài)特性，將燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸 出功率范圍劃分為五擋工況，分別對應(yīng)空氣壓縮機(jī)五擋調(diào)速范圍，并分別就工 況變化中和變化完兩個(gè)狀態(tài)對動(dòng)態(tài)特性限值及工況轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)行了設(shè)定。蓄 電池采用串聯(lián)方式，并聯(lián)方式以增大蓄電池容量來取代，根據(jù)蓄電池放電內(nèi)阻 特性曲線取 SOC限值范圍為0.4 0.8。電機(jī)輸入電壓范圍為120480 V，考慮

53、到提高動(dòng) 力總線電壓等級可以提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率和減小驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積和質(zhì)量。一般限 定動(dòng)力總線電壓為380 V以上，所以蓄電池組的端電壓范圍限定為240480 V。由于電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，所以車輛采用固定變速比的一級減速器， 同主減速器一起滿足最高車速要求。 (2)優(yōu)化系統(tǒng)配置 仿真優(yōu)化過程能量管理策略采用基線控制。表3列出了種能源配置系統(tǒng) HEVl、 HEV2、HEV3分別都能滿足車輛動(dòng)力性能要求，但三者都沒有針對測試規(guī)程進(jìn)行 控制參數(shù)優(yōu)化和燃油經(jīng)濟(jì)性綜合優(yōu)化，為了比較綜合優(yōu)化結(jié)果，仿真過程中采 用了SOC校正，可以看出綜合優(yōu)化控制取得了良好的優(yōu)化結(jié)果。 用Advisor進(jìn)行系統(tǒng)配置分析的優(yōu)

54、點(diǎn)是借助系統(tǒng)提供的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和整車 仿真模型，可以方便地根據(jù)自己的需要對某些模塊或數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的修改，操 18 作簡單、易于實(shí)現(xiàn)，其局限性是由于系統(tǒng)仿真基本上都是采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建的 穩(wěn)態(tài)模型，沒有考慮行駛車輛功率動(dòng)態(tài)特性對類似燃料電池這種效率受動(dòng)態(tài)特 性影響很大的元件的影響。 表3 優(yōu)化系統(tǒng)配置 編號功率/kW蓄電池容 量/Ah 蓄電池模 塊數(shù) 電機(jī)功率 /kW 爬坡度 / 加速時(shí)間 /s HEV12936537620.028.75 HEV23530508021.3910.57 HEV34824507420.1914.60 綜合優(yōu)化值 5038517622.309.70 在Advisor車輛

55、仿真平臺上，對燃料電池混合動(dòng)力車能源系統(tǒng)配置要素進(jìn)行 了闡述，提出在滿足系統(tǒng)動(dòng)力性能要求的前提下，以選定工況下車輛燃油經(jīng)濟(jì) 性最優(yōu)為目標(biāo)，對電一電混合的燃料電池混合能源系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)選型配置需要 將控制參數(shù)同時(shí)作為優(yōu)化變量的綜合優(yōu)化配置方法，最后對采用基線控制的某 燃料電池混合動(dòng)力客車進(jìn)行了優(yōu)化配置分析，取得了良好的優(yōu)化結(jié)果，驗(yàn)證了 優(yōu)化方法的可行性和合理性。 7 7 結(jié)束語結(jié)束語 電動(dòng)汽車是中國汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)軍全球車市競爭行列的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，誰把握住 了電動(dòng)汽車的發(fā)展機(jī)會(huì)，誰在未來電動(dòng)汽車市場將占據(jù)主導(dǎo)地位。 隨著全球變暖，節(jié)能減排，幾乎成了每個(gè)國家的國策，但是隨著油價(jià)的上 漲和生活品質(zhì)的提高，汽車

56、作為代步工具是不可缺少的，那么，未來汽車市場 將屬于電動(dòng)汽車的天地。 總的來說，我國電動(dòng)汽車發(fā)展具備了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和有利條件。在大好 形勢下，我們一定要把握機(jī)遇、再接再厲，開創(chuàng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新局面， 在國際汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型過程中形成競爭優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)我國汽車產(chǎn)業(yè)由大變強(qiáng)和自主 發(fā)展。 由于個(gè)人知識、認(rèn)識、水平的有限，本文只是對電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，蓄 19 電池的配置方法等方面提出一些淺顯的理論，見解有什么不足不到不對之處， 還望各位老師、同學(xué)給予指正和批評。 20 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1胡春明，夏淑敏.世界汽車技術(shù)發(fā)展跟蹤研究M.北京理工大學(xué)出版社.2006 2范從山.電動(dòng)汽車技術(shù)原理及發(fā)展展望J

57、.揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2007 3高義民.現(xiàn)代電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池車M.機(jī)械工業(yè)出版社.2008 4陳世全.燃料電池電動(dòng)汽車M.清華大學(xué)出版社.2005 5陳清泉，孫逢春,祝嘉光現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)M北京理工大學(xué)出版社.2001 6陳勇，孫逢春電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程及影響因素的研究J北京理工大學(xué)學(xué)報(bào).2001 7丁躍澆, 張萬奎, 陳波. 電動(dòng)汽車鉛酸電池的進(jìn)展J . 湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào).2007 8秦孔建，高大威，盧青春燃料電池汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型研究J汽車技術(shù).2005 9電氣協(xié)會(huì).電動(dòng)汽車最新技術(shù)M.機(jī)械工業(yè)出版.2009 10 劉鳳君 燃料電池與21世紀(jì)供電系統(tǒng)的革命J 電源世界,

58、2005, 11 張志明 燃料電池的演化及發(fā)展探析J 新產(chǎn)品新技術(shù), 2005 12 賈林, 邵震宇. 燃料電池的應(yīng)用與發(fā)展J. 煤氣與熱力, 2005 13Wong Y S,Chau K T,Chart C COptimization of energy management system in energy hybridizationsCEVS 18，2001 14Keith Wipke，Tony Markel，Doug NelsonOptimizing energy management strategy and degree of hybridization for ahydrogen

59、 fud cell SUVCEVS 18，2001 15 Gregor H oogers. Fuel Cell Technology H andbookM . CRC PRESS, 2002. 21 致致 謝謝 在本次論文設(shè)計(jì)過程中，姚新勝老師對該論文從選題，構(gòu)思到最后定稿的 各個(gè)環(huán)節(jié)給予細(xì)心指引與教導(dǎo),使我得以最終完成畢業(yè)論文設(shè)計(jì)。在學(xué)習(xí)中,老 師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識、敏銳的學(xué)術(shù)思維、精益求精的工作態(tài)度 以及誨人不倦的師者風(fēng)范是我終生學(xué)習(xí)的楷模，老師們的高深精湛的造詣與嚴(yán) 謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)精神，將永遠(yuǎn)激勵(lì)著我。這四年中還得到眾多老師的關(guān)心支持和 幫助。在此，謹(jǐn)向老師們致以衷心的感謝和崇

60、高的敬意！ 最后，我要向百忙之中抽時(shí)間對本文進(jìn)行審閱，評議和參與本人論文答辯 的各位老師表示感謝！ 22 論文（設(shè)計(jì)）選題的來源、目的與意義： 選題的來源：自選 目的與意義：當(dāng)前電動(dòng)汽車正處于發(fā)展高峰，對于電動(dòng)汽車技術(shù)的全 面發(fā)展，重中之重就在于能量存儲(chǔ)技術(shù)的提高。動(dòng)力電池將向著高比能量、 高可靠性、低成本、安全環(huán)保方向發(fā)展。隨著能量存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展和突破， 具有高能量密度、高功率密度、較好的充放電性能、較長的循環(huán)壽命、低 成本、高安全性等優(yōu)秀性能的汽車用動(dòng)力電池定會(huì)實(shí)現(xiàn)商品化，電動(dòng)汽車 必將成為 21 世紀(jì)的主流交通工具。 論文（設(shè)計(jì)）的主要內(nèi)容： 1. 電動(dòng)汽車概況及運(yùn)用 2. 電動(dòng)汽車電池

61、概述 3. 電動(dòng)汽車的電池配置 4. 燃料電池混合動(dòng)力汽車能源系統(tǒng)優(yōu)化配置 5. 實(shí)例分析 進(jìn)度計(jì)劃（進(jìn)度時(shí)間、主要工作內(nèi)容）： 2010 年 3 月 1 日前，論文選題 2010 年 3 月 15 日前，論文任務(wù)書 2010 年 4 月 10 日前，資料查閱 2010 年 4 月 30 日前，形成論文初稿 2010 年 5 月 5 日前，論文修改，完成終稿 2010 年 5 月 16 日前，提交論文裝訂稿件 主要參考文獻(xiàn)： 1 胡春明，夏淑敏.世界汽車技術(shù)發(fā)展跟蹤研究M.北京理工大學(xué)出版社.2006 2 范從山.電動(dòng)汽車技術(shù)原理及發(fā)展展望J.揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2007 3 高義民.現(xiàn)代電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池車M.機(jī)械工業(yè)出版社. 2008 4 陳世全.燃料電池電動(dòng)汽車M.清華大學(xué)出版社.2005 5 陳清泉，孫逢春,祝嘉光現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)M北京理工大學(xué)出版社.2001 6 陳勇，孫逢春電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程及影響因素的研究J北京理工大學(xué)學(xué)報(bào). 2001 7丁躍澆, 張萬奎, 陳波. 電動(dòng)汽車鉛酸電池的進(jìn)展 J . 湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào).2007 論文（設(shè)計(jì)）工作起訖日期： 2010 年 3 月 1 日至 2010 年 5 月 15 日 23 指導(dǎo)教師（簽名） 院長/主任（簽名）