电动汽车电池技术概述讲解.docx
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电动汽车电池技术概述讲解
电动汽车电池技术概述
陈清泉，E.W.C.Lo，沈伟祥
电机与电子工程学院，香港大学
薄扶林道，香港，中国
电话：
852-28578403，传真：
852-25598738，邮箱：
wclo@eee.hku.hk
引言：
本文回顾了在电动汽车中电池技术的目前状况。
首先比较了不同种类的电池和基于所选商用电池的电动汽车的表现，并探究了电池充电及其相应的充电方法，车用电池剩余电量的预测方式和电动汽车电池模型，这其中讨论了电池技术的未来趋势。
关键词：
电池，电池充电，电池模型，电动汽车
1.简介
电动汽车自从汽车问世以来就出现了。
但是在最初的统治地位竞争中。
国内的燃油机汽车迅速作为最优良的运输工具而胜出。
虽然电动汽车在很多方面都领先，但是它的电池不能与燃油机汽车的高能量的容量，控制的舒适，便宜而且丰富的汽车燃料相比。
现在，大约在电动汽车被几乎遗忘一百年后，似乎电动汽车实际上成为了最终的赢家。
随着容易开采的石油矿的减少，汽车数量的剧增，而且拥挤的市区充满燃油机氧化的副产物，燃油机汽车渐渐成为它们成功的受害者【1】-【3】。
根据美国电力研究协会，燃油机汽车已成为排放产生城市空气污染的主要源头而电动汽车是零车辆尾气排放的。
虽然考虑到煤电厂，但是电动汽车的排放层次普遍上是远低于典型燃油机汽车的。
未来，随着我们转向可再生能源（比如，太阳能、风能、还有生物质能、等等），电动汽车将变得更加清洁【4】。
多年实际的EV操作经验显示EV的性能表现一定程度上取决于电池的性能。
路程距离单位负荷受它电池的能量密度决定，同时加速表现和和车辆的最大速度是由电池的功率密度决定的，因此毫不夸大的说，EV的性能表征很大部分是由它的电池表征特性决定的。
为了开拓先进的电池和实用的EV的市场，对我们来说急切而重要的是提高现在的电池、发展新型电池和相关的电池应用技术。
本文是为了回顾EV中电池技术的现状，之后在第二部分比较了不同种类的电池和基于所选商用电池的最新电动汽车，并在第三部分探究了电池充电及其相应的充电方法，最后讨论了车用电池剩余电量的预测方式和电动汽车电池模型。
2.EV电池
当今的电动汽车绝大多数的是利用可转换的电池作为能量来源来驱动的EV。
但是由于他们的比能量和比功率普遍远小于汽油的，很多电池要求保证期望水平的功率表征。
在这种情况下，EV的重量和成本高于ICEV的，而且EV的表现通常是差一些的。
因此在新电池的发展中需要采取快速的措施，其中一系列标准包括比能量、比功率、能量效率、充电速率、循环寿命、运行环境、安全和回收都要考虑到。
事实上有很多种类的电池因为他们的特性而被用于EV。
然而，铅酸电池依然在最畅销的和成熟的EV中。
大体上，现在的铅酸电池的循环寿命已超过600次和能量密度和峰值功率密度分别超过33wh/kg、93w/kg【5】。
然而，大多数其它种类的高级的电池在能量、功率、运行寿命方面都较铅酸电池展现出显著地更好的表现【6】-【10】。
近期最有希望取代铅酸电池的是基于镍的电池比如镍镉电池和镍氢电池,他们的优势是在实际电动汽车中的高能量密度、高峰值功率。
镍镉电池利用了一种镍氢电极新型结构同时提高了镉的利用率现在能量密度能达到56wh/kg。
而且，它的峰值功率密度高达190w/kg，它对过充电和过放电有强烈的抵抗，同时它有长的循环寿命，允许快速充电。
然而，镍镉电池有一个基本的缺陷那就是它必须马上取消作为环境污染问题合理的手段，即它因为镉的毒性而作为不环保的冒险。
镍氢电池因其广泛应用成为短期的理想的EV电池。
它们拥有55wh/kg的能量密度，峰值功率密度达到174w/kg，相比于现今的铅酸电池的两倍的范围和循环寿命。
镍氢电池由无毒可回收的物质构成是环境友好型。
并且，它是密封的，可自由维修，如果需要的话可以在快达十五分钟充满。
它同时能抵抗过充电和过放电使得它可以适合一系列操作的运行。
而镍镉电池的关键优势就是消除了镉的影响。
其它先进电池比如了锂离子电池，锂硫电池，锂聚化合物电池有希望成为远期的电池，锂离子电池的有希望的方面是它的低存储影响，高达100kw/kg的比能量，达到300w/kg的比功率和长达1000次的使用寿命。
而它的劣势在于成本高和需要通风系统给它降温。
锂硫电池是一个基于锂合金/熔融、盐/金属硫化物的电化学系统提高了温度的电池，它提供高比功率为了更好地加速以及其他优点包括它的体积小，重量轻，整个可重复使用、低消耗。
锂聚化合物电池是基于薄膜科技的。
这种电池理论上比铅酸电池多耗20%的电量但是可以在预期期限为50000英里上传递两倍的能量，它的运行温度在65~120℃。
它可以快速充电在90分钟以内，但是可以过充电。
现在面临的主要挑战是适当缩小它的大小使得的可以驱动EV。
总之，基于锂的电池现在人处于试验阶段还有很多在极限性质，生产成本、使用寿命和最终作为EV驱动电池的可行性【11】【12】。
直到现在上述讨论的电池都有可能符合一些实际EV的目标的确定的表征、寿命特性，但是没有一种电池是满足所有的。
所以强烈需要发展新型电池和提高现有的电池特性。
这方面主要是由美国先进电池联合完成的，它建立了一个电池发展的规划表分别见表一和表二【13】。
最后，现今的实际应用的不同种类的EV电池见表三。
从中我们可以看到，铅酸电池仍然是用于世界上主要汽车公司研发的EV。
镍氢电池从现在开始已经开始使用，而且可能成为未来在EV中的主要电池。
同时，基于锂的电池应用比较少主要用于展示。
表一:
EV电池近期、中期、远期发展目标
表征项目
近期电池
中期电池
远期电池
铅酸
地平线牌蓄电池
比能量wh/kg）
33
42
150
200（期望）
400
比功率（w/kg）
75
240
80
100（期望）
200
充电时间（小时）
8~16
<5
<6
<6
3~6
循环寿命（次）
400
800
600
600
1000
表二：
所选电池类型的参数比较
电池类型
比能量
（Wh/kg）
比功率
（w/kg）
循环寿命
范围
（英里）
时间
效率
再回收率
现今铅酸
33
130
400
60
8~17
65
97
地平线铅酸
42
240
800
100
<5
--
100
镍镉电池
57
200
2000
120
8
65
99
镍氢电池
70
250
600
250
<6
90
90
锂离子电池
100
300
1200
195
<3
--
50
表三：
不同种类的电池的比较
时间（1998）
电池类型
最大速度
汽车动力
充电范围
加速时间
日产Altra
锂离子
75
83
120（大约）
12（0~50mph）
通用EV1
铅酸
80
137（AC）
90
8.5（0~60mph）
EPIC微型
铅酸
80
75（AC）
60
16（0~60mph）
福特EV
铅酸
75
90（AC）
58
12.5（0~50mph）
本田Plus
镍氢
>80
49（KW）
120
17.7（0~60mph）
丰田RAV4
镍氢
79
45（KW）
（PWM）
130/106/118
市区/高速/综合
17
（0~60mph）
3.EV电池充电算法
3.1恒压充电算法
恒压充电算法通常保持电压为对铅酸电池每块电池2.4V，图1显示的是在充电过程中的电流变化。
由于流过的电量的增加，最终的电压升高，电流降下来。
充电结束时，电流可能达到1~2%
。
因为最初的充电电流是初期放电的函数，如果放电进入深层次，开始的充电电流可能达到很高的值。
这样反过来就需要一个有力的充电单元，但是在这样的只能短期利用的单元上投资是不经济的。
因此，这种充电方法仅能被用于放电深度在不低于25%
同时它也可以用于镍镉电池的充电【14】。
3.2恒流和恒压充电算法
在这种算法中，充电是在经历恒流之后转变为恒压的（见图2）。
恒压的值是为了微量的气体释放，恒流值是根据电池的温度和老化设定的。
目前，在大多数用于EV的电池中都是这样充电，因为它理解简单而且技术已经十分成熟【15】-【17】。
这种算法同样可以用于镍镉和镍氢电池【18】【19】。
因为经过恒流充电后，镍镉和镍氢电池的电压可以稳定下来，这种特性不仅使充电循环的终止控制变得简单也消除了过充电的可能性。
电流//A
时间/小时
图1：
恒压充电过程中的电流变化
电流/A
电压/V
时间/小时
图2：
铅酸电池恒流恒压充电（曲线一：
电流，曲线二：
电压）
3.3Spegel充电算法
我们选择了两个参考电压，第一个是与气体释放相关的（
比如对于铅酸电池就是2.3V）,另一个（
对铅酸电池就是2.2V）指的是用于控制充电停止进而开始对电池的均衡充电。
在第一阶段，电池以电流
充电到电压为
，然后充电过程每过十五分钟都被打断一次。
只要电压下降低于
，充电过程就重新开始十五分钟。
如果电压在两个连续十五分钟的过程中没有上升，电池就会被认为是充电完成另外，然后充电就会结束，如果充满的电池没有立即使用，它可能仍与充电器相连，使得它可以接收短暂的两分钟电荷脉冲。
这种技术可以保证每块电池都被充满到同样的状态。
这种充电特性在图3中可以看到【20】。
3.4多步恒流充电算法
在这种算法中【21】，开始时用一个不变的电流充电。
只要电池电压达到气体处理电压（对铅酸电池是2.4V/块），充电电流就减少到开始的一半，随后是四分之一直到电压值在十五分钟内没有增加，充电结束。
充电电压和电流特性见图4。
除非充好的电池被移除，如果还在连接充电器就会接受以初电流的1/4短暂恒流充电直到电压在五分钟持续被检测到。
这种充电的频率是由电池电压降到某电压值（比如2.15V/块）。
这些充电脉冲可以确保每块电池都被充电到相同的状态。
但是还有其他与MSCC相似的充电算法目前用来给EV电池充电。
譬如，五阶段恒流充电算法【22】包括能处理各类电池的温度补偿。
基本上，这是设计用来为铅酸电池、镍镉和镍氢电池的。
三段式恒流充电法【23】采用根据电池电压而减少的电流和电流的测量使达到I1=C5/5，I2=I1/2,I3=I2/2，同时在每个恒流阶段插入了悬空时间，悬空时间内充电电流是上个阶段的电流值的1/3.
图4：
MSCC充电特性（曲线一电压，曲线二电流）
图3：
Spegel充电特性
3.5两阶段渐弱充电算法
在这种算法【20】中，
函数有两个倾斜：
第一个是在充电的开始的剧降，另一个在结束时期的缓的斜坡。
这充电过程被这样描述：
开始的陡坡的充电电流时用来给电池充电。
当电池电压达到气体释放的水平时，另一个缓坡的电流是给电池充电直到初期设定的阶段已经到达。
然后充电就会结束。
充电过程中的电压和电流特性都在图5中。
图5：
TST充电特性（曲线一电压，曲线二电流）
3.6快速充电算法
随着功率电子技术和新的高功率装置的发展，快速充电算法或者脉冲充电算法容易被意识到是为了提高充电效率，缩短充电时间并且延长电池寿命【24】。
同时，改进的能够承受快速充电电池已经开发出来包括铅酸电池【25】-【27】、镍镉电池、镍氢电池【28】【29】、钠硫电池【30】【31】和氯化钠电池【32】，它使得快速充电EV电池可行。
通常超快充电算法分为两类：
只有正向脉冲的充电电流（见图6a）和正负向脉冲交替的充电电流（见图6b）。
如果充电电流的振幅、周期、负荷比率和极性合适的选择了不同的值，这两种充电算法会剥夺汗多充电算法。
参考文献【33】和【34】分别显示了两种超快速充电算法。
将EV由概念转变为实际的挑战就是怎样为消费者给EV电池安全、方便、简单的充电就像汽油补充到ICEV中一样。
为了达到这个目标，上述讨论的充电算法都可以看成是在车上的充电器（通常正常充电）或者车外充电器（通常快速充电），又或者是传导充电或感应充电。
但是不论充电的途径是什么，关键问题是他们的充电算法。
图6.超快充电算法中的电流波形
在近些年，有一些新的技术（比如模糊逻辑和遗传算法）被引进到充
电算法【35】的研究、设计和最优化，并且相关的智能充电器已被开发。
实验结果显示智能充电器不仅可以非常快的充电而且可能提高充电效率同时延长电池循环寿命。
所以他们会成为未来EV中的热点问题。
4.EV电池剩余容量预估
4.1测量充电状态的方法
4.1.1比重
测量比重，对于铅酸电池通常是有效地，是基于铅酸电池的电化学过程。
当电池放电时硫酸钡消耗然而当电池充电时就形成了。
比重显示的是电解质的密度进而SOC就如图7中显示。
当然它只能在电解质是液体并且可用的时候才行。
而且，电解质在测量的时候必须是均匀的，意味着电池需要在充电或放电后安置，而事实上这个要求对于运行中的EV是不实际的。
图7：
SG和SOC的关系图8：
FSOCVA与SOC
4.1.2完全稳定的开路电压
根据能斯特等式这对铅酸电池是有效的，稳定的开路电压是电介质密度的函数。
因此，FSOCV与电解质比重进而SOV有直接的接近线性的关系。
图8显示了FSOCV和SOV的关系。
但是由于缓慢的扩散过程，测量只有在至少十小时之后再是可靠地。
所以，这种方法通常用来决定在EV驱动前电荷的初状态。
4.1.3阻抗测定
铅酸电池的阻抗【36】是基于在修正的Randles等效电路中的物理化学基本原则，等效电路中在电流和频率上的所有非线性相关特点都在考虑之中。
等效电路中的参数是由电化学阻抗光谱学对于各种叠加的直流决定的。
电池阻抗和它的充电状态、寿命和容量的相关性将要被研究。
而且阻抗测定可能用来估计其它种类的电池（例如，镍镉、镍氢电池）的充电状态【37】【38】。
4.2电池模型间接用来测量SOC
这里讨论的电池模型不是基于电池中电化学理论和物理过程的纯数学模型而是理论模型和经验模型的简化结合。
通常，这种模型源于理论模型，但是它的模型参数是通过为电池特殊设计的尺寸确定的。
它的电流、电压、温度、老化等等在模型中被考虑为了确定EV电池中电池的剩余容量。
现在的模型表现出与恒流以及微变化电流条件下的一致。
4.2.1电量的计算
电量的计算是通过下面的公式定义的：
它测量一段时间内流出或流入电池的电量总和，可以认为是实际已用容量的间接反映。
但是它既不能显示电量是怎样进入电池也不能显示放电过程中电池中还有多少可用的剩余容量。
因为充电和放电效率
以及初始的总可用容量，都是依赖于放电电流的配置，所以在电池在EV中放电之前难以了解。
因此，当它用来预估剩余容量的时候，其他方法（诸如FSOCV或者修正因素【41】）应该作为补充,这样使得电量计算周期性的调整成为了可能来确定电池中剩余了多少电量。
4.2.2普克特公式
很多经验主义的表达都提出来为了剩余电量和放电电流，但是只有普克特公式【42】广泛适用，是这样描述的：
其中常量n和K取决于电池的温度、电解质的浓度和结构。
通常，n是在1~2.这个等式在低放电电流时是无效的，也就是说，当
，这在物理上是荒谬的，只对于恒定放电电流适用。
之后，Baikieetal在式子中引入了温度，普克特等式变为：
目前，这个等式经常用于EV中估计电池剩余容量。
这种估计的准确度受到限制因为放电电流在EV中变化很大。
折中的方法就是取
取样阶段放电电流的平均值取代恒流
【43】或者应用两组普克特常量（一组是低电流另一组是高电流区域）【44】。
在两种情况下，预估准确度可以被适当提高但还是不够。
4.2.3基于神经网络的电池模型
为了运用BMBNN电池的建模，EV用电池的足够的实验数据在取样训练时可以获得，然后多层网络被训练利用这些样本数据作为网络的输入和输出直到错误函数最小。
在这情况下，模型就可以获得。
训练过程如下：
1.从样品空间中选择样品组，2.将输入样品应用到网络并计算网络的输出，3.计算网络输出和实验数据的差值，4.调整网络的权使得错误减小。
5.对样品中每对样品重复上述操作直到整个系中的错误达到足够小。
基于ANN的电池模型就可以得到了【45】。
4,2,4充电状态观测器
这种方法是基于铅酸电池的动态模型和电压、电流、温度的测量，如图9所示，当模型的电压与实际电压间有错误，利用电压错误通过一个反馈增加K而扩大形成一个调整。
这种方法可以用来估计SOC，详情可以查阅【46】。
图9.SOC观测器的Block图解
4.2.5负载电压
如果负载电流不变，负载电压与比重进而SOC有一个接近线性的关系。
所以这种方法经常用于相对恒定的负载（比如手机，录音机，相机的SOC显示器）。
然而，EV中电池电流通常随着它的速度改变。
这种情况使得连续不断显示SOC不实际，所以它只能用为其他手段的补充。
直到现在，已经有了很多确定电池充电状态的方法。
这些直接显示充电状态的手段需要的测量工具一般不是与移动中的EV不兼容或者对不同种电池不通用。
另一方面，间接显示充电状态的方法大部分是基于电池模型并可用于描述各种电池，电池的参数会随着电池老化而变化。
所以，适合的ANN和模糊逻辑会被引入EV用电池的研究中。
他们分别可以更新实际中的电池参数和把电池的不精确信息合并为可用的。
5.结论
本文回顾了电池技术的现状，从不同种类的电池和运用所选商业电池的EV的表现、电池充电及其相关充电算法、电池剩余可用容量的预估这些方面展开。
可以有这些结论：
1.目前铅酸电池在世界上的几大EV生产商广泛应用，镍氢电池有取代铅酸电池的趋势，而且基于锂的电池主要用于EV展示。
2.考虑到一些推进模式电池剩余容量的预估式EV中的困难问题不包括其本身。
随着EV的商业化，这个问题会显得越来越重要。
虽然现在有很多处理这个问题的方法，但是没有一种操作结果比较好。
因此，在这个领域的研究应该加快。
3.电池充电算法只要是用于铅酸电池。
由于其它种类的电池在未来也会被逐渐用到EV上，对于这些电池的充电算法应该加快步伐，同时，另外一个重要的任务就是找到一种可以给各类电池充电的通用的充电算法。
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