电动汽车的电池和超级电容

电动汽车的电池和超级电容
仿真结果表明，省油的混合动力电动汽车可以设计成使用电池或者超级电容，而这是由两者之间的技术成本和使用年限决定的。

摘要
电池和超级电容器在纯电动汽车、充电保持型混合动力汽车和插电式混合动力汽车上的电能存贮单元中应用已经被详细地进行了研究。

对于混合动力汽车而言，内燃机和氢燃料电池的使用时作为初级的替代能源来考虑的。

研究重点是锂电池和碳/双层碳超级电容器作为能量存贮技术非常可能应用在未来汽车上。

这项研究的主要结果如下：1）电池和超级电容器的能量密度和功率密度特点对设计纯电动汽车、充电保持型混合动力汽车和插电式混合动力汽车有着足够的吸引力。

2）持续充电，混合动力汽车引擎动力可以被设计成使用电池或者超级电容器从而使燃油经济性改善50%甚至更好。

3）插电式混合动力汽车可以设计成相对较小的锂电池使有效行程在30-60公里的范围内。

对较长的日常驾驶范围（80-150公里）插电式混合动力汽车燃油经济消耗率可以非常高（大于100mpg），因为绝大部分能量（大于75%）通过电流用于驱动汽车。

4）轻度混合动力汽车可以设计使用一个储能容量75-150Wh的超级电容器。

使用超级电容器时的燃油经济性提升要比使用同质量的电池组高10%-15%，这是因为超级电容器的高效率和更高效率的引擎运转。

5）用氢燃料电池供能的混合动力汽车可以使用电池组或者超级电容器作为储能器。

仿真结果表明，在同等车重和道路负载情况下，燃料电池汽车的等效燃油经济性是汽油机汽车燃油经济性的2-3倍。

相比一辆引擎驱动的混合动力汽车，氢燃料电池的等效燃油经济性会是它的1.66-2倍。

关键词：电池组控制策略燃料电池混合动力汽车改善燃油经济性超级电容器
I.引言
为了提高传动系统效率，提供比其他道路交通方式更加节省石油能量，世界各地的汽车公司正在开发混合动力和燃料电池引擎。

这些车辆的动力传动系统利用电动机和电能储存器补充引擎输出或者车辆在加速和巡航时燃料电池的补充以及制动时的能量回收。

目前正在利用的能量存储技术是充电电池和超级电容器（电化学电容器）。

能量储存单元可以从发动机、燃料电池或者电网充电，非常像一辆电动汽车。

在后来的例子(通常称为插电式混合动力汽车)，车辆可以同时
使用液体或者气体燃料和电力网。

插电式混合动力汽车的一个有吸引力的功能就是允许使用除了石油外的其他能源产生的电能。

本文主要是关于供电电池，插电式混合动力汽车使用的引擎，燃料电池汽车使用的氢燃料的设计及其性能。

特别令人感兴趣的是如何将储存的电能单元能最好的利用在一些动力系统中（组建的配置和控制策略），提高传动系统的效率，各种驾驶循环和车辆使用模式下的能量使用（燃料和电力电网）。

通过不同设计方案的详细模拟结果进行评价，当可以利用时，记录下车辆测试数据。

应用在汽车仿真中能量存储和燃料电池组件的特点对应于现在的这些技术以及预测其性能在未来的改善。

II.电动和混合动力汽车的电池和超级电容器
A.不同汽车设计的储能要求
电能储存单元必须具有较大的容量，使他们储存足够的能量（千瓦时），并提供足够的车辆峰值功率使车辆有一定的加速性能和满足适当的驾驶循环的能力。

对于这些用于重大的全电动范围的汽车设计，储能单元必须储存足够的电能满足在现实世界驾驶的范围要求。

此外，能量储存单元必须符合适当的周期和寿命要求。

这些需求将会有很大的差异性，这主要取决于被设计的车辆传动系（电池或燃料电池或混合动力发动机），但是一旦车辆的性能目标被确定，它们自然也被简单合理的决定了。

建立能量存储单元所需的重量，体积和成本并非直截了当，而是非常困难的。

有了这些特点限制，显然将排除汽车的成功设计和销售，但是设置实际的限度去获得可行的设计是相当随意的。

本文采用的方法是注意与各种技术的性能特点（瓦时/千克，瓦时/升，瓦/千克，等等）所对应的合适的储能单元质量和体积。

在本文中不考虑成本问题。

如上所述，能量存储单元的大小决定于一个能量储存或者功率需求。

就电动汽车供能的电池而言，电池容量的大小取决于车辆指定的范围。

电池的质量和体积可以从车辆能量消耗的需求（瓦时/千米）以及电池能量密度（瓦时/千克，瓦时/升）通过适当的放电测试周期（对应的时间）来简单的计算得到。

在大多数电动汽车的例子中，电池的规模很容易满足车辆的一个指定的加速性能，爬坡能力的功率要求和最高巡航速度。

在此应用的电池都是利用的电网电力定期深放电和充电。

因此，深放电循环寿命是一个主要的考虑因素，电池符合一个指定的最低要求是非常有必要的。

就使用引擎或者燃料电池作为初级能量转化器和电池作为储备能源的混合动力汽车，能量储存单元的大小主要由车辆在加速时单位峰值功率大小决定的。

在大多数混合动力汽车，电池的能量存贮被考虑做得比需求更大以满足车辆适当
的驾驶循环。

可是，多余的能量储备只允许电池运行超过一段相对狭隘的范围（通常最多5%-10%），还极大的延伸电池的循环寿命。

原则上，决定混合动力汽车电池质量体积只有电池的脉动功率密度（瓦/千克，瓦/升）。

然而，对于一个特定的电池技术，它并不如确定适当的功率密度值那么简单，因为应该考虑做出这个决定的效率。

一个适当的脉冲功率值并不是20/4V R ，因为那时的效率非常低（接近50%）。

一个更加合适的电池峰值功率计算公式如下表达式：
20*(1)*/p e a k P E F E F V R =-
EF 是峰值功率脉冲效率。

在这个等式中，假设脉冲接近于0V ，其中0/pulse EF V V =。

对于一个90%的效率，高效率的电池脉冲功率大约为20/4V R 数值的1/3。

由于将讨论该文的下一部分，甚至使用上面的表达式，应用在混合动力汽车中的先进电池设计拥有高功率的能力，使得它们与充电式混合动力汽车相配合使用。

超级电容器也可以用于插电式混合动力汽车。

在这种情况下，能量存储单元大小决定于能量存储（瓦时）需求，因为超级电容器的能量密度（瓦/千克）相对更低（5-10瓦/千克）而有用功率密度很高（1-2千瓦/千克）。

从超级电容器的可用功率可使用下面的表达式估计：
2
09/16*(1)*/
p e a k P E F V R =- EF 是峰值功率脉冲效率。

在这个等式中，假设脉冲峰值功率发生在03/4V 时，效率为01/3/4IR V -，其中0/3/4peak I P V =。

能量存储的需求规范对于设计和使用超级电容器的动力总成的实用性是至关重要的。

正如在本文后面的讨论，功的需求完全取决于混合动力汽车上动力系统的超级电容器充放电的控制策略。

储能规格范围在75-150瓦时对于轻度混合动力汽车是比较合理的。

与之相对应的超级电容器的重量在15-30千克，峰值功率在18-36千瓦之间。

在这些功率下，能量单元的往返效率是90%-95%。

超级电容器需要面对驾驶条件时周期性的深放电，但是在大多数时间下放电深度较浅。

用在轻度混合动力汽车上的超级电容器循环寿命需求将在50万次以上。

决定插电式混合动力汽车的能量存储单元的大小比纯电动或者充电保持式混合动力汽车复杂的多。

这是因为就全电动范围的汽车的不确定性或者用专业术语详细来说“全电动范围”。

在最简单的术语，全电动范围意思就是混合动力汽
车可以使用电池供能行驶指定的距离而没有启动引擎或者燃料电池。

在这种情况下，电力驱动系统和纯电动汽车相同，而能量存储需求（千瓦时）可以通过能量消耗（瓦时/千米）和指定的全电动范围来计算。

所以，对于大的全电动范围，电池规模可以取决于能量需求，对于较小的全电动范围，电池规模可以取决于功率需求。

对于设计一辆特殊的汽车，将不得不慎重考虑对于电池的优化设计（能量和功率特性），以满足对能量存储（千瓦时）和功率（千瓦）的要求。

和所有化学电池一样，电池内存在着能量密度和有用功率密度之间的均衡。

对于电池特性的详细考虑将在下一部分详细介绍。

对于相对较短的15千米或者更少的全电动范围，电池和超级电容器的组合将会是一种可行的方案。

进一步复杂化插电式混合动力汽车的问题，所有的全电动范围的概念可以被解释为大多数驱动采用电池供能，只有当功率要求很高或者车速超过一指定数值时有发动机或者燃料电池协助供能。

结果显示，大多数的电池能量用于驱动汽车，燃油经济性非常高（100mpg或者更高）。

这样，电动传动系（电动马达和电池）的功率需求会比一辆所谓的纯电动汽车更少。

能量的消耗（瓦时/千米）也可能减少。

因此，电池的能量和功率需求的减小产生了在相同效率的全电动范围里程更小，花费更少的电池。

就插电式混合动力汽车而言，电池可以从引擎或者燃料电池充电或者通过墙上插座充电。

插电式混合动力汽车的一个吸引人的地方是相当一部分驱动车辆的能量可以通过除了石油外其他能源产生的电力来提供。

因此，对插电式混合动力汽车，电池循环寿命成为了一个重要的问题。

电池从低状态充电（深放电后）比纯电动汽车的电池更加频繁。

因此，插电式混合动力汽车的电池循环寿命会比纯电动汽车要求更高。

至少需要2000-3000次循环。

因此，在功率和循环寿命上，插电式混合动力汽车对电池的要求要高于纯电动汽车。

B.电池和超级电容器的技术现状
在这一部分，电池和超级电容器的技术现状将被回顾。

就电池而言，技术中主要考虑了密封的铅酸，镍氢和锂离子。

对于超级电容器，只有碳/双层碳器件被考虑，因为这个技术是唯一被商业化的。

1）电池：大多数的电池供能和混合动力汽车测试和市场化到最新（2006年）都用的是镍金属氢化物电池。

锂电池发展取得的重大进展使得其正被考虑加入到电动汽车和混合动力汽车的电池使用中。

很多最近的电池发展考虑到对混合动力汽车对应高功率电池，对电动汽车使用能量密度不高的电池。

就像上部分所讨论的，功率需求影响混合动力汽车的电池规模多一些，而能量密度对它的影响就少多了。

插电式混合动力汽车的电池既需要高功率，也需要高能量密度。

更不用说很多用于发展插电式混合动力汽车电池的工作，但是它们的特性可能介于混合动
力汽车和电动汽车之间。

电池特性关于电动汽车和混合动力汽车应用的总结见表1。

这些数据是从一大堆资源[1]-[7]中收集到的。

一般而言，混合动力汽车的电池的相关资讯比电动汽车的要新一点，因为大多数最新的电池发展都是直接向着混合动力汽车的应用而不是电动汽车的应用。

根据数据表面来看，混合动力汽车的电池和电动汽车的电池相比在几个方面上有所不同。

首先，电动汽车的电池单元的容量（安时)考虑到要比混合动力汽车的电池来得大。

这是非常有必要的，因为这两个系统的电压是差不多的，但是混合动力汽车上面的电池容量就要比电动汽车的小很多。

这也可以从表1看出来，为混合动力汽车而设计的电池其功率能力比电动汽车要高得多。

这项需求是直接来自于低重量的混合动力汽车电池以及其在电池充放能量时的高效率。

表1 各种技术/类型电池在汽车（电动汽车和混合动力汽车）上应用的特点
如前所述，电池要有高功率的能力就需要其电池内阻很低。

因此，电池内阻的相关知识对于评估电池功率能力的大小是至关重要的。

还要注意的是混合动力汽车电池的能量密度显然要低于相同化学成分的电动汽车电池。

例如，电动汽车的锂电池能量密度可以达到100-150瓦时/千克，而混合动力汽车的电池是60-75
瓦时/千克。

能量密度和功率密度之间的权衡是在一些特殊汽车电池优化设计中的关键特点。

目前为止还没有专门为插电式混合动力汽车设计的可用电池。

理想情况下，这样的电池需要接近于电动汽车的能量密度和接近于混合动力汽车的功率密度。

插电式混合动力汽车的电池大小会比电动汽车的小，因为它的容量大多设计为电动汽车的1/3-1/4。

插电式混合动力汽车必须被设计成深放电，长循环寿命，而不像其他混合动力汽车那样设计成浅放电。

因此，插电式混合动力汽车的电池特性相对普通混合动力汽车更接近于电动汽车，但是比电动汽车具有更高的功率。

关键问题是增加了电动汽车电池的功率密度同时会牺牲较小的循环寿命。

这对于插电式混合动力汽车而言，在相对较短的全电动范围里确实是一个问题。

2）超级电容器：超级电容器在汽车上的应用是在1990年以后开始发展的。

大多数的发展用的都是微孔电极做的双层碳电容器。

从这项工作一开始，就有两个被要求达到的目标，分别是至少5瓦时/千克的能量密度和放电时较高的功率密度[8]。

循环寿命至少500000次深放电。

为了证明超级电容器的发展是一项和高功率电池完全不同的技术，电容器的功率和循环寿命特点要比高功率电池好很多，因为电容器的能量密度比电池要少得多。

近来，有关于超级电容器的研究
[9]-[11]是说用电容或者电池的材料做成其中一个电极，而另外一个电极使用微孔碳。

这项工作要做的就是提高设备的能量密度。

目前在一些公司——玛克斯韦尔、内斯、爱普科斯、日本化工[12]-[14]已经有可用的商业化碳设备。

表格2 碳超级电容器的特性
所有这些公司市场的大型设备容量在1000-5000法之间。

这些设备适合于高功率汽车的应用。

一些设备的性能表现在表2中给出了。

显示的能量密度（瓦时/千克）对应于设备的有用功，设备是基于001/2V V 之间恒功率放电测试。

峰值
功率密度通过对应的阻抗和95%的有效脉冲给出。

对于大多数超级电容器的应用，高效率的功率密度是该设备的功率能力的适当衡量。

对于大型的设备，能量密度在大多数可用的设备中是3.5-4.5瓦时/千克，95%的能量密度在800-1200瓦/千克之间。

近年来，设备的能量密度通过碳/双层碳的技术逐渐上升，通过乙腈作为电解液，电池的端电压也上升到了2.7伏。

目前的超级电容器性能适合于使用引擎或者燃料电池作为初级能量转换器的轻度混合动力汽车。

轻度混合动力汽车是指即使能量存储单元被耗尽时，引擎和燃料电池的功率也足够大，能提供令人满意的性能表现。

超级电容器单元的大小是由能量储存需求（75-150瓦时）来决定的。

超级电容器的功率密度能力能达到最大功率75-150瓦，使得其超过动力传动系统的电力需求。

超级电容器不适合作为插电式混合动力汽车的初级能量储存，但是被证明可以和电池结合用于较短的全电动范围的插电式混合动力汽车上。

在这种情况下，电池组这么小以至于不能满足车辆加速的要求和制动时可用能量的回收。

将超级电容器用于纯电动汽车是不可能的了。

III.电动汽车和混合动力电动汽车的仿真结果
A.车辆设计方案比较的基础
仿真结果写在本文下面关于电动汽车电池的部分，充电保持型混合动力汽车使用电池和超级电容器，插电式混合动力汽车使用电池和氢燃料电池来驱动汽车。

所有的汽车将被设计为具有相同的加速性能，使得设计方案比较关键的方法是每公里总能耗（效率）和插电式混合动力汽车的多少能量可以作为是电网电力。

引擎驱动的汽车将会在有效燃油经济消耗率的基础上比较。

引擎和燃料电池驱动的汽车是在相当于用汽油和氢燃料作为等效燃油经济性的基础上进行比较的。

B.仿真方法和工具
很多汽车的类型和设计都是通过用于混合汽车的仿真软件ADVISOR[15]来做的，SIMPLEV项目在爱达荷州国立工程图书馆开发用于车辆的电池和燃料电池。

燃料电池车的几个模拟结果通过加州大学戴维斯分校的建模方案而提出的。

在适当的情况下，不同的仿真工具得到的结果和文献的模拟结果相互比较。

在所有的情况下，比较了车辆的统一特性（测试重量、风阻系数、滚动阻力系数）。

结果是依据假设所提出来的关于传动部件的特点和运作的控制策略。

尤其对引擎驱动的混合动力汽车特别真实。

关于建模的细节，在引用和参考里，这里不再重复使用了。

表格3 电动汽车锂电池的特性
传动系统的关键参数，如能量存储（千瓦时）和电动马达以及发动机/燃料电池功率（千瓦）将在汽车仿真结果中被引述。

C.纯电动汽车和插电式混合动力汽车
第一组仿真结果的讨论时电动汽车和插电式混合动力汽车。

这些设计方案都允许电网电力全部或大部分替代传统内燃机驱动的车辆使用液体燃料。

电池供电的车辆需要有活动范围限制，而电池的充电时间很长（6-8小时）。

插电式混合动力汽车就克服了电动汽车的这个范围限制。

两种使用锂电池的电动汽车的仿真结果在表3表4中给出了。

两种车辆拥有大约240千米的范围，其中电动汽车甚至是使用了最适合最大的锂电池（140瓦时/千克）。

里程较短的车辆可以设计成更小的电池包。

下面，考虑通过ADVISOR获得的仿真结果。

这个车当做一辆下降20%的电动汽车使用，也可以作为一辆充电保持并联式混合动力汽车。

用在插电式混合动力汽车上的锂电池重量是装在电动汽车上的1/3。

一辆紧凑型轿车的仿真结果总结在图1、表格5和表格6。

插电式混合动力汽车的仿真结果表明，即使是在较长的日常行驶范围里，他们的燃油消耗率（汽油）也可以非常高，因为他们可以使用一大部分的电力来代替汽油的消耗。

这个可以使用相对较小的电池组（就98千克的紧凑型车仿真而言）。

D.充电保持混合动力电动汽车的电池和超级电容器
模拟还进行了混合动力汽车几乎为全零电范围的情况。

该电力传动系统是被来更加有效的运行引擎和制动能量的回收。

在这些汽车的设计中，发动机是工作在开—关模式下，但是他并不是关闭了很长的时间。

该电能存储单元没有充电网格，但他发动机发出的功率维持在一个指定的充电状态。

因此这些混合动力汽车只能用汽油（或者其他燃料）。

能量存储单元和能量存储是比较小的，而且存储单元的大小是由功率需求来决定的。

能量存储单元可以是电池或者超级电容器。

现在，这种类型的所有混合动力汽车被各大汽车公司市场化，用的都是镍氢电池。

先前使用锂电池的车辆正
在被测试，可能会在不久的将来上市。

超级电容器正在被考虑使用到充电保持混合动力汽车上。

但是只有有限的工作被纳入到了实际的混合汽车中[18]-[20]。

仿真将给出充电保持混合动力汽车使用电池和电容器的结果。

表4 锂电池电动汽车的仿真结果
设计这样的汽车中考虑的一个关键问题是电力传动系统（马达）的最大功率能力和引擎相对应的功率大小。

如果电机的功率较大（50千瓦或者更大），那么该引擎可以精简，该混合动力汽车称为全混合动力汽车。

如果电动马达的功率很小（少于20千瓦），那么该引擎并没有较大的缩减，这种混合可以被称为“轻度或者中度）混合动力汽车。

电池可以使用在任何全混合动力汽车或者轻度混合动力汽车上，而超级电容器只适合于轻度混合动力电动汽车，只有在能量存储需求上相对较小（75—150瓦可用能源）。

仿真结果将对各方案的燃油经济性进行比较，还可以使用各种设计方法进行预期改进。

一般情况下，使用全混合动力汽车的方案的燃油经济性提高非常大，但是这些混合动力汽车的动力系统的成本花费比轻度混合动力汽车要高的多。

因此，比较这两种方法之间的燃油经济性的改善非常有意思。

这些本文的仿真结果直接取自于[21]-[24]。

这些资料通过各种方法对充电保持混合动力汽车进行了详细的研究分析。

这些报告的主要研究结论是：1）使用轻度混合动力汽车可以提高燃油经济性40%-50%，而动力系统相对较低的花费使得比全混合动力汽车更有效率。

2）利用超级电容器作为能量储存可以比电池提高10%-15%的燃油经济性，即使是高功率的锂电池。

第二个结论的可行性取决于超级电容器成本在0.25-0.5美分每法拉[25]，[26]的持续减少。

无论使用什么设计方法，仿真结果表明充电保持混合动力汽车在所有使用汽油或者柴油的汽车中有
着大幅度提高燃油经济性的吸引人的方式。

以上讨论的结果可以通过[21]-[24]给出的额外的仿真来说明其合理性。

首先，考虑了各种大小车辆和发动机类型的全混合动力和轻度混合的比较。

仿真结果和由此得出的经济性比较在表7-10给出[21]-[22]。

这些结果显示了通过多尺寸和发动机类型的充电保持混合动力汽车试验可以提高大幅度的燃油经济性。

对于全混合动力汽车和轻度混合动力汽车在燃油经济性和车辆成本花费上的总结在图2。

权衡的百分比在独立的汽车种类中是必须的。

注意下轻度混合动力汽车和全混合动力汽车的曲线斜率表明轻度混合动车比全混合动力汽车的花费效率更高。

表5 插电式混合动力汽车FUDS循环仿真结果
表6 紧凑型插电式混合动力汽车在美国联邦公路上的仿真结果
表7 不同设计的混合动力汽车的特点。