电动汽车电池十篇

电动汽车电池 篇1

学术界化学首席研究人员Jordi Cabana表示, 由于镁是携带两个正电荷的离子, 因此使用镁离子作为电池材料, 将可触动两倍的电子。这项工作可为高电压、高能量电池开启一个可靠的设计路径。

Cabana指出, 经研究证实, 镁可逆插入电极材料的结构中, 这一结果让我们更进一步接近镁离子电池原型, 尽管研究成果仍不是一个真正的镁离子电池, 只是其中的一部分。

电动汽车电池 篇2

磷酸铁锂电池

主要车型:比亚迪唐、腾势电动车、东风风神E30、江淮和悦i EV4、通用赛欧Springo、长安逸动纯电动、荣威550Plug-in等。

优点:安全性能高、高温性能好、大容量、无记忆效应、重量轻,寿命将达到7 ~ 8年(铅酸电池电池1.5年)不含有任何重金属,完全无毒。

缺点:能量密度较低,材料的制备与电池的制造成本较高,成品率低,一致性差。

例: 腾势电动 车该车搭 载容量为47.5k Wh的磷酸锂铁电池, 续航里程为300km。

2

锂电池

主要车型:特斯拉Model S、福特福克斯EV、日产聆风等。

优点:能量密度比较高、使用寿命长(6年以上)、额定电压高、具备高功率承受力、自放电率很低、重量轻、高低温适应性强。使用中不产生任何的有害物质,并且不需要消耗水,为现在主流的电动车电池。

缺点:不能大电流放电、价格昂贵、生产要求条件高、成本高、使用条件有限制、高低温使用危险大。

例:福克斯电动版采用的是平板型锂电池组,续航里程为160km。特斯拉Model S的电池组包含了近7000个锂电池电芯,组成了16个独立电池模块,内部结构十分复杂。采用锂电池的特斯拉也曾因为锂电池而着过火。

3

镍氢电池

主要车型:丰田普锐斯、通用EV1。

优点:适应大电流放电,对于需要较大功率输出要求的场合比较适用。它的能量密度较大,增加了续航里程。放电平稳,发热量小。

缺点:具有“记忆效应”,即电池在循环充放电过程中容量会出现衰减,而过度充电或放电,都可能加剧电池的容量损耗。

例:丰田普锐斯所使用的镍氢电池寿命可达百万公里,这项成绩已经通过普锐斯出租车运营得到了验证。通用EV1是通用的第一辆电动汽车。一次充电最大平均的行驶里程为144km左右,在动力上也毫不羸弱。

4

高铁电池

主要车型:比亚迪e6、比亚迪F3DM。

优点:体积小、重量轻、寿命长、无污染。输出的电压平稳,储电量大。

电池完全无污染,不需要回收。制作所需要的铁铝材料非常丰富。

缺点:铁电池生产过程中对工艺要求非常高,成品率低。价格不菲,如果是120Ah的磷酸铁锂电池组,市场价大约要12万元。

例:比亚迪e6采用的铁电池经过高温、高压、撞击等试验测试,安全性能非常好,短路爆炸机会不高。在能量补充方面,e6可使用220V民用电源慢充,快充为3C充电,15分钟左右可充满电池80%。它的总行程能达到300km。

5

电容电池

优点:其反复充放电达数十万次 ( 传统化学电池只有几百至几千次 ),

超级电容 功率密度 极高。工作 环境适应能 力更佳, 通常室外 温度在 -40℃ ~65℃时,(传统电池一般为 -20℃ ~60℃)。

缺点:能量密度很低。

例:在马自达阿特兹上的i-ELOOP(制动能量回收系统)上使的储能装置就是电容电池。

6

磷酸铁锂电池

主要车型:日本本田FCV,丰田Mirai。

优点:能量转化效率高,安装地点灵活,负荷响应快,运行质量高;具有很强的过负载能力。

缺点:燃料电池造价高、碳氢燃料无法直接利用、氢气储存技术受限、氢燃料基础建设不足等。

电动汽车换电池 篇3

由于电池技术的发展受限，BetterPlace尝试用电池更换站这种方式，来绕開电池蓄电能力不足这个困扰电动汽车推广使用的最大技术瓶颈。即便是最新型的电动汽车的行驶距离也无法与传统的燃油汽车相抗衡。

Better Place的解决方案是建立一个电池更换网，让司机们一停下车就能充好电。该公司的机器人在不到4分钟的时间内，为一台电动汽车换下电力耗尽的电池，并补充新的电池，这个时间与传统汽车加一次油差不多。而在更换站，像珀尔的雷诺电动汽车一次完全充好电需要8小时。

电动汽车电池 篇4

山东圣阳电源 高海洋

随着科学技术的提高和制造水平的进步，电源技术也在新一代技术变革中不断提高，面对如今新能源电动汽车对动力电源的迫切需求，现阶段似乎哪一种动力电池都不能完全适合作为动力源用在电动汽车上。

目前来说，电动汽车上普遍采用的动力电池有三种：铅酸电池、锂电池以及镍氢电池。比较这三类动力性蓄电池就需要从两方面分析比对：一个是比能量，另一个是比功率，简单说，就是指电池的可持久性和力量大小。比能量高的蓄电池可以长时间工作，持续的能量较多，里程长；比功率高的蓄电池，速度快，力量大，可以保证汽车的加速性能。下面从这两方面对这三类动力蓄电池进行对比分析：

铅酸电池

作为目前电动汽车使用最广泛的蓄电池，在国内已经生产的电动汽车上，使用比例占到90%，这主要得益于其优点：技术较为成熟，比功率较大，循环寿命可达800~1000次，且成本低。不过，铅酸电池缺点也较明显，那就是比能量很低，仅为40W·h/kg左右，快速充电技术也尚未成熟（一般慢充都在8小时以上），而且污染严重，受到环保制约。锂离子电池

相对来讲，其比能量和比功率都很高，可达150W·h/kg和1600W/kg，循环寿命长，约1200次，且充电时间较短，为2~4h，使用电压可达到4V，安全性相对较好。但锂离子电池缺点在于其价格较高、快速充放电性能差、过充和过放电保护性差，影响了其应用和发展的空间。

镍氢蓄电池

其的优点是比能量和比功率都相对中等，快速充电能力较好，15分钟可充满容量的40%~80%，适宜温度范围宽。但镍氢蓄电池循环使用寿命较短，为600次，价格昂贵，只有期待大批量生产，才有望降低成本。

结语

显而易见，比能量高、比功率大、价格便宜、易于维护的动力蓄电池才是电动汽车动力源的首选，从上面分析可以得知，每种蓄电池都存在这样或那样的问题。总体来看，现在的动力电池比能量都较低，以三种电池中性能最好的锂电池为例，在能量密度上，它与达到10000~12000W·h/kg的汽油相比还相差甚远，仔细计算，1L汽油约重0.742kg，按车载50L计算，就是满载37.1kg的汽油，约相当于2968~3091kg锂电池所含有的电量，如果将汽油机较低的效率计算进去，两者之间也有约50倍的差距。所以现在电动汽车上安装的蓄电池数百公斤重，再加上高昂的价格，电动汽车形成高价格门槛便成为必然。

另外，不同类型电动汽车对电池的要求也不一样，纯电动汽车（PEV）由于只有电池驱动，所以需要较高的比能量，而在一般混合动力汽车（HEV）中，电池往往担任制动能量回收、辅助起步加速的作用，因而对电池的比功率要求苛刻，所以说要针对不同车型需求来设计作为动力源的动力蓄电池，现阶段还没有完美的设计方法。

电动汽车电池 篇5

1 电动汽车电池管理系统主要功能

电动汽车电池管理系统作为电池的安全管家, 肩负着监测电池状态、维护电池安全、发挥电池效率的重要作用[1]。电动汽车电池管理系统包含以下功能:

电池信息采集:由采集板上传感器采集电池组工作电压、充放电电流、环境温度等信息, 借助总线传递给主控芯片。

剩余电量估算:通过采集到的电池信息, 由主控芯片依据某类算法完成对动力电池组剩余电量 (SOC) 的估算, 为驾驶者提供续驶里程参考。

电气控制管理:电动汽车在充放电过程中, 动力电池有可能会发生过充、过放、电池间电量不均衡等问题, 大大影响到电池的使用寿命和工作效率。当上述情况发生时, 电池管理的系统应能迅速做出反应, 有效执行预定措施, 如切断充放电回路等, 从而保证电池组的正常使用、安全使用。

电池安全保护:安全管理主要负责监控电池在工作过程中是否出现工作异常, 一旦发现, 系统应能及时做出处理, 保证电池组的正常运行, 防止爆炸等危险事故的发生。

数据通信显示:收集到的电池信息首先被送往主控芯片进行电量估算与均衡控制等处理, 再将处理结果通过CAN总线发送给其他设备使用, 同时通过串口通信将信息显示在上位机。

2 当前电动汽车电池管理系统技术难点

就当前电动汽车电池管理系统来说存在的主要问题有:

采集数据精度低。在电池充放电过程中, 采集来的电压、电流如果存在较大误差或大范围波动将会直接诱导过充与过放现象的发生, 从而威胁电池安全。

SOC估算精度不高。电池的剩余电量决定了电动汽车的续驶里程, 虽然目前有多种估测SOC的方法, 但在精确度和适用性上没有一种能够满足不同行驶条件下的精度要求[2]。

均衡控制技术不成熟。由于受到单体电池能量的限制, 电动汽车一般采用几十节至上百节电池组合成电池包, 这些电池间的性能差异容易导致电池性能不能充分发挥, 制约了能量的使用效率[3]。然而, 现在的均衡控制方式仍有许多不足之处, 如受到元器件的限制, 尚不能有效地解决问题。

抗干扰能力不强。电动汽车行驶环境复杂多变, 除了本身存在的电磁干扰外, 环境带来的影响不容忽视, 如高温、潮湿的环境下, 系统各项功能会大大受到影响, 存在数据监测、通讯、控制失效的危险。

3 常用的SOC预测方法

传统的SOC预测方法有按时计量法、开路电压法、负载电压法、卡尔曼滤波法等。智能方法有神经网络预测法。

安时计量法是已知某一时刻电池的电量, 并对电池充放电电荷进行一段时间内的累计, 从而得到下一时刻电池荷电状态的一种方法。电荷的累计则是通过计算该时间段内对电流的积分得到的。

开路电压法是通过测量电池的直流端电压来估计剩余电量。当电池在长时间静置的条件下, 其电动势EMF与电池SOC有固定的对应关系, 即电池在工作电流为零的情况下, 开路电压等效为电池电动势, 故此时可以通过测量电池的开路电压, 利用SOC-EMF曲线来间接估算电池的SOC值。负载电压法是基于开路电压法所做的改良, 目的就是为了解决开路电压法不能实时估测SOC的问题。

卡尔曼滤波法是一种基于模型的最优控制算法, 其将电池作为非线性动态系统, 把SOC作为其中一个状态, 建立电池数学模型, 给出电池状态方程和观测方程, 对状态做出最小方差意义上的估计。

神经网络是一个高度复杂的非线性动力学系统, 具有信息分布式存储、自适应和自学习能力、非线性映射功能、泛化功能等特点[4], 针对非线性问题有很强的适应性和可靠性。电动汽车动力电池是一个复杂的非线性系统问题, 而神经网络不需要建立数学模型, 只要通过分析输入输出数据, 就能通过自我训练获得输入与输出间的关系。输入为电池电压、充放电电流、电池温度、老化程度等变量, 输出为电池的SOC。

4 结束语

本文对电动汽车电池管理系统设计方案进行了详细分析, 讨论了管理系统的主要功能及主要技术难点, 并对常用的SOC预测方法进行分析。本文研究的内容对电动汽车电池管理系统设计实践和应用具有一定的参考作用。

参考文献

[1]孙豪赛.纯电动汽车电池管理系统关键技术研究与设计[D].天津:天津大学, 2015.

[2]黄文华, 韩晓东, 陈全世, 等.电动汽车SOC估计算法与电池管理系统的研究[J].汽车工程, 2007, 29 (3) :198-202.

[3]白俊涛.电动汽车轻量化技术[J].南方农机, 2015, 46 (12) :37+42.

论电动汽车电池的现状和发展前景 篇6

1 电动汽车电池的发展历程

电动汽车行业是全球新兴发展起来的一个行业, 其无污染、节约能源的特性使其符合全球经济发展的要求, 成为全球汽车产业竞争的重点, 作为电动汽车动力的电动汽车电池, 对于电动汽车行业的发展至关重要。电动汽车电池的发展程度和发展质量对于整个电动汽车的动力性、经济性和安全性来说都非常关键, 受到世界各国的关注。最早启动电动汽车电池纳入国家计划的是德国, 其在2009年鼓励德国汽车和能源行业加入汽车用锂电池的开发计划, 希望在三年后实现德国电动汽车生产的系列化和批量化, 并打响电动汽车商业化生产的枪声。美国也紧跟电动汽车行业发展步伐, 提出在2012年实现投入运营的电动汽车要达到一百万辆, 美国密歇根州政府拨付近十亿美元用于推动电动汽车市场化发展。

世界上首辆以电池为动力的汽车是1837年由于阿伯丁制造的, 当时掀起了用电池作为驱动能源的热潮。但是由于当时电池技术发展还不成熟, 加之合适的电池材料发展缓慢, 随着内燃机的推广使用, 电动汽车电池被迫退出行业舞台。近代第一台电池电动汽车是1996年由美国通用汽车公司制造的EV1, 该汽车以铅酸电池为动力, 紧接着1999年通用公司开发了以镍氢电池为动力源的电动汽车二代。与此同时日本丰田汽车公司利用镍氢电池技术制造了将内燃机和电动机相结合的第3代电动汽车, 即混合动力车, 但是由于竞争力非常低下均快速退出市场。近年来, 随着电动汽车电池研究理论和技术不断取得进步, 加之全球环境污染日益严重, 以锂离子电池技术为代表的电动汽车电池逐渐受到关注, 其安全性方面的大幅提高, 逐渐成为镍氢电池强劲的竞争者。自2008年全球金融危机和油价攀升以及节能减排的压力下, 各国对发展电动汽车达成共识, 推动了电动汽车电池的快速发展。

2 电动汽车电池的研究应用现状

当前, 电动汽车电池的研究应用主要集中在铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池三个方面。

首先, 铅酸蓄电池的正极板材料是氧化铅, 负极板材料是海绵铅, 电解液是硫酸水溶液。其电能释放过程是通过正负极板上的物质和点解液相互发生化学反应来实现的。当前, 电动汽车领域应用最为广泛的就是铅酸蓄电池, 是汽车内燃机电器和电子设备的电源剂, 生产成本较低, 技术较成熟, 价格较低廉。在新电动电池不断发过程中, 铅酸蓄电池仍在短途公交、旅游观光车等领域占据重要地位。铅酸电池长期充放电致使两极板活性化学物质脱落, 缩短电池使用寿命。铅酸电池要获得长远发展, 急需解决比能量低的问题和高倍率部分荷电状态时寿命严重缩短的问题。

其次, 镍氢电池由镍基和碱性溶液电解液构成, 具有比能量较高并对环境无污染的特点, 在电动汽车运用方面竞争力较大。镍氢电池的阳极材料为氢氧化镍, 阴极材料为钒、锰、镍等合金。其性能指标相对铅酸电池来说, 比能体积和密度方面均有了较大的提高, 特别是在比功率方面提高了十倍。镍氢电池的运行电压更高、比能量和比功率较好, 过度充放电时的耐受性较好。但是镍氢电池在温度过高或过低是电池的使用受限和电池原材料价格昂贵而导致广泛运用受阻。另外电池储存的能量绝大部分没有被实际使用, 但由于电动电池技术发展较慢, 当前镍氢电池仍是将来电动车使用电池的重要选择。

最后, 锂离子电池主要由阳极为石墨 (主要为碳) 、阴极为锂离子金属氧化物与电解液构成, 具有轻巧结实、比能量大的有点。经研究表明, 锂离子电池比镍氢电池的工作电压和比能量都更大, 而锂离子电池体小质轻、使用寿命长, 电量损耗率地, 对环境无污染等多项优点使其使用范围应更为广泛。当然, 锂离子电池广泛运用于电动汽车还有很多问题需要解决, 如电池的安全性、电池的循环寿命、电池原材料的成本、电池工作温度和材料大规模供应等等。现在市面上常见的锂离子电池容量较小、功率较低, 大容量高功率的锂离子电池批量生产仍有很长的一段路要走。

3 电动汽车电池的发展前景

3.1 锂离子电池

由于锂离子电池体小质轻、使用寿命长, 电量损耗率地, 对环境无污染等多项优点使其成为当今各国能量存储技术研究的热点。在在各国政府政策和财政的支持下, 锂离子电池发展较快, 产业化生产和经营速度较快。当然锂离子电池正式作为纯电动汽车独立驱动电源, 在很多方面还需要提高。比如说比能量、电池性能、寿命和安全性都需要进一步研究和改进。世界各主要车制造商, 如丰田、现代、福特等汽车制造公司都致力于开发以锂离子蓄电池为电源的电动汽车, 诸多汽车制造公司竞相宣布以锂离子电池为动力的电动汽车将投放市场。其中尤以日本汽车制造商在此方面的研究最为显著, 如采用新神户电机生产的高能锂离子蓄电池驱动的Altra纯电动汽车时速可达50 km/h;FTO纯电动汽车上使用的日本蓄电池公司生产的高能锂离子蓄电池完成了2000 km/24 h的考核。当然, 锂离子蓄电池广泛应用于电动汽车上海必须完善性能指标、降低成本、提高安全性和使用寿命。

3.2 超级电池

所谓超级电池, 就是利用超级电容器为负极, 具有组合型电极的新型设计电源, 在铅酸蓄电池充放电性能上予以改善, 在镍氢电池的基础上提高负极充电效率, 大幅延长电池循环寿命, 适用于混合动力车等环保机动车。超级电池的符合电动车辆在加速与制动时能量快速吸收和提供的要求, 其使用寿命长, 大幅提高电动汽车动力源更换周期;其动力强劲, 电流放电非常大, 充电时间较短, 同时超级电池还具有不需要并联额外超级电容器的特征, 其未来使用范围非常广泛。从实质上来说, 超级电池是传统铅酸蓄电池领域的新型复合能源, 使得铅酸电池在小微型电动车和增程式电动车仍有发展余地。

3.3 新电池技术

随着电池技术的发展, 各新电池能源被发现, 如德国公司研制的KOLIBR电池是一种锂聚合物电池, 其在先进的膜技术技术基础上, 结合阿尔法聚合物技术, 大幅度提高电池性能。另外新电池技术中具有发展的还有锂硫电池, 其由单质硫、金属锂和有机电解液组成, 具有成本低、环境污染小、比能量高的特点, 美国Sion Power公司正在实验室研发阶段的锂空气电池就具有环境污染小、比能量高的特点。

4 结语

全球经济的可持续发展和低碳经济的顺利开展, 离不开对资源的高效利用。电动汽车电池在资源节约型和环境友好型社会的建设中具有现实且重要的意义。

摘要：电动汽车电池的不断发展符合资源节约型和环境友好型社会的建设, 电动汽车电池的发展程度直接决定电力工业和汽车行业能否快速有效的结合。文章在简要阐述电动汽车电池的发展历程的基础上, 重点论述了我国电动汽车电池的应用现状和发展前景, 以期对我国电动汽车电池的发展有所益处。

关键词：电动汽车电池,发展历程,应用现状,应用前景

参考文献

[1]任桂周, 常思勤.一种电动汽车能量高效回馈制动方法[J].电网技术, 2011 (1) .

电动汽车电池 篇7

关键词：智能充电,正激变换,控制策略,模块设计

随着石油能源不断消耗,电动汽车以其节能环保特性被世界各国研究和推广。然而动力电池一直是制约电动汽车发展的最大瓶颈。阀控免维护铅酸蓄电池(VRLA)[1]凭借其制造成本低、容量大、电压稳定等优点成为电动汽车的主要动力设备。但若蓄电池使用不当,其寿命会大大缩短。经研究发现,充电过程对电池寿命影响最大,放电过程影响相对较小。因此充电系统,对蓄电池的寿命起决定性影响。

传统的充电方法是通过加大充电电流,达到快速充电的目的。但大电流充电必然会导致蓄电池过流、过温、极板极化等现象,严重影响蓄电池寿命。若以小电流慢充,虽然对蓄电池寿命影响较小,但充电时间会相对延长。为解决充电时间与电池寿命的矛盾问题,通过对蓄电池充电过程内部化学特性的了解,提出一种新的充电控制策略,实现蓄电池高效、快速、无损害充电。

1 充电控制策略

1.1 快速充电技术的理论基础

20世纪60年代,美国科学家马斯以最低析气率为前提,提出蓄电池能够接受的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线,其方程为

i=I0e-at (1)

式中,i为任意时刻t时的蓄电池可接受充电电流;I0为最大可接受充电电流;a为衰减率常数,也称为充电可接受比。

1972年,马斯又在第二届电动汽车大会上提出了著名的马斯三定律[2],奠定了快速充电的基础。

第一定律:一个蓄电池以任何给定电流放电,它的充电接受率a和放电容量C的平方根成反比,即

$a={\rm K}/\sqrt{C}(2)$

式中,K为放电电流常数;C为蓄电池放电的容量。

第二定律:对于任何给定的放电深度,一个蓄电池的充电接受率a和放电电流Id的对数成线性关系。即

a=K2lgkId (3)

式中,K2为放电量常数,视放电深度而定;k为放电常数。

第三定律:一个蓄电池经几种放电率放电,其充电接受电流是各个放电率下接受电流之和。即

It=I1+I2+I3+… (4)

式中,I1,I2,I3,…为各放电率下的充电电流。

马斯三定律表明,在充电过程中,当充电电流接近蓄电池可接受充电电流曲线时,适时的停止充电,并在停止过程中加入放电脉冲,可以消除极化现象,提高蓄电池的充电接受能力,从而大幅提高充电速度,对蓄电池的容量和寿命不造成影响。

1.2 充电控制策略

根据马斯三定律的理论基础,实验以12 V/12 AH铅酸蓄电池为对象,设计的充电控制策略,将充电过程分为三个阶段:大电流恒流、正负脉冲快速充电、恒压补足充电,如图1所示。该蓄电池额定电压为12 V,充满电时端电压约为14.7 V,放完电时端电压约为10.8 V,充放电过程中电池温度若达到45 ℃,蓄电池极化现象严重、极板活性物质开始脱落。

充电过程三个阶段具体控制策略如下:

(1)大电流恒流阶段。充电初期,当电池端压小于12 V时,表示电池电量较低,可以采用大电流进行恒流充电,使蓄电池在较短的时间内尽量充入较多的电量。当蓄电池的端电压上升到14.7 V时,水开始分解,产生极化和析气现象,此时停止充电。一段时间后,转入下一阶段。

(2)正负脉冲快速充电阶段。在脉冲的停歇阶段,随着充电电流的消失,极化现象部分消失。接着再放电,使蓄电池反向通过较大电流,可以消除析气现象产生的气体,并进一步消除极化现象,使蓄电池接受电量的速度加快。将此阶段再细分为三级,使充电电流接近蓄电池可接受充电电流,从而在快速充电的同时,不会对蓄电池造成损坏。

(3)恒压补足充电阶段。经过前两个阶段以后,并不能保证蓄电池电量已充满。此时,还应进行恒压补足充电。此阶段充电电流逐渐减小,当检测到电流下降到某一阈值时,停止充电。此时也标志着充电过程完全结束。

2 硬件电路设计

2.1 系统结构

系统结构如图2所示,主要由功率变换电路和智能控制电路[3]组成。功率变换的作用是向蓄电池提供所需的电压、电流;智能控制电路的作用是检测蓄电池的电流、电压、温度等参数,通过数字PI闭环调节,按照提出的充电控制策略,来实现蓄电池智能充电。

2.2 功率变换电路

由于系统电路功率约在150 W,故采用成本较低的单端正激DC/DC变换电路,如图3所示。首先将220 V,50 Hz工频交流市电连接EMI滤波器,经过整流滤波,接入DC/DC单端正激变换电路,再通过LC滤波后得到直流电源。调节单片机的PWM占空比,来控制N-MOS管Q3的导通关断,进而得到所需的直流电压和电流。同时利用两个N-MOS管Q1和Q2的间歇导通和关断来控制充电和放电脉冲的幅值和时间。Q1导通Q2关断时,实现正脉冲充电;Q2导通Q1关断时,实现负脉冲放电。

2.3 智能控制电路及辅助电源

智能控制电路由STC12C5A60S2单片机、外围电路及检测回路组成智能控制电路。检测电路将采集的当前蓄电池电流、电压及温度送入单片机A/D口,并与系统的设定值进行比较,采用数字PI调节PWM占空比,实现充电过程中的恒流、恒压。并通过控制Q1,Q2两个N-MOS管的导通和关断,来实现正负脉冲快速充电。液晶显示当前的充电状态及电压、电流、温度值。如果超过设定的阈值,报警电路[4]开始工作并停止充电,以实施保护。

为防止高频功率电路对数字控制电路的干扰,系统利用高速光耦将两个电路隔离。因此,智能控制电路[5]必须单独供电,辅助电源模块如图4所示。利用小功率交流变压器将交流市电降压到12 VAC,整流滤波后利用L7805实现+5 VDC稳压输出。

3 系统软件设计

系统软件的主要功能:通过对蓄电池电压、电流的检测使其进入相应的充电阶段,在相应的阶段内,利用数字PI控制算法不断调节单片机的PWM输出占空比,以实现所要求的恒定电流或电压值。同时检测各阶段蓄电池的温度值,若超过45 ℃,则报警并停止充电,此时启动散热风扇,给蓄电池降温,直到温度恢复到20 ℃以内。具体控制流程,如图5所示[5]。

4 结束语

系统采用单片机数字PI控制技术与高效、低损耗的DC/DC变换电路相结合。由于单片机运算速度的限制,不可能实现精确的电压和电流输出,但对于蓄电池来说适当的电压和电流的纹波,反而有利于消除充电过程中的极化现象,更有利于充电的进行。与传统恒压恒流充电器充电相比,开发的智能充电器具有以下优点:充电速度显著提高,充电安全,电池升温低,减少了对蓄电池容量和寿命的影响;同时利用价格低廉的单片机来代替昂贵的电源管理IC,实现电源智能化管理,使其具有很强的市场竞争力。

文中完成对12 V/12 Ah蓄电池进行充电控制及其控制策略的开发、研究,该系统及其控制策略对电动车动力蓄电池充电系统的开发、应用,具有实际借鉴意义。

参考文献

[1]谢爽,中国铅酸蓄电池标准化的现状及展望[J].蓄电池,2011(2):83-86.

[2]杨亚丽,马晓军,曾凡果,袁文涛.基于模糊控制的军用铅酸蓄电池充电技术控制[J].装甲兵工程学院学报,2011(1):79-82.

[3]钱江,凌朝东.智能型的铅酸蓄电池管理系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2009(1):56-57.

[4]杨森,刘一兵.基于MSP430单片机的车辆蓄电池报警器设计[J].自动化与仪器仪表,2010(3):39-41.

国外燃料电池汽车发展 篇8

氢燃料电池汽车与电池电动汽车（纯电动汽车，BEV）类似，因为它们也是使用高电压电动机推动车辆。然而，不同于电池电动汽车，燃料电池汽车配备了氢燃料罐（或燃料箱）和燃料电池系统，以产生电力来驱动电动机。因此，燃料电池汽车使用车载燃料罐中存储的氢气，加油（加注氢气）只需要几分钟；而电池汽车是依靠存储在高压电池中的电能供电。所以，燃料电池汽车能够提供电池电动汽车那样的环境效益，但它们行驶范围更长，而加油时间更短。

2014年11月的洛杉矶车展开幕之前，丰田公司在Newport海滩的新闻发布会上揭开了Mirai燃料电池轿车的神秘面纱，成为了当时最大的绿色汽车新闻。这款300英里里程范围的汽车将会于2015年秋季在美国的加利福尼亚州上市。丰田公司估计，到2015年底，美国公路上将有200名驾驶着Mirai的司机，而到2017年底，这一数字将累计达到3000。

本文将首先介绍燃料电池汽车的性能及优势，随后指出其发展所面临的挑战及和各国的一些推广支持政策，最后介绍最新的相关技术发展，以期让读者更好地了解燃料电池汽车，并为我国发展燃料电池汽车提供借鉴。

燃料电池汽车的主要性能

燃料电池汽车（fuel cell vehicle，FCV）或者燃料电池电动汽车（fuel cell electric vehicle，FCEV）是一种使用燃料电池为其车载电动机供电的汽车。燃料电池不需要充电，而是可以通过加注氢气实现再充满。使用氢的燃料电池汽车只排放水和热，没有尾气污染物，因此被认为是零排放车辆。但实际上，除非氢燃料电池中使用的氢是通过可再生能源生产的，否则生产氢气就一定会产生污染物。

同时，燃料电池汽车也相当注重安全性。通过满足由汽车工程师协会（Society of Automotive Engineers）和其他标准发展组织设定的标准，汽车制造商致力于让燃料电池电动汽车与传统汽车同样安全，甚至是更安全。燃料电池电动汽车有必要的安全系统，设计用于在意外发生时保护乘客和急救人员。最重要的是，燃料电池电动汽车与常规车辆一样，要达到国家公路交通安全管理局（National Highway Traffic and Safety Administration）设立的安全要求。

燃料电池汽车从外面看起来很像传统车辆，但里面却包含着在今天的车辆中无法找到的高科技组件。最明显的区别燃料电池组，它能将存储在车中的氢气与空气中的氧气转化为电能，驱动用来推动车辆的电动机。典型的燃料电池汽车的主要组件包括电动机（Electric Motor，能比内燃机更安静、平稳和高效地驱动车辆，而且需要较少的维护）、燃料电池组（Fuel Cell Stack，将氢气和氧气转换为电，为电动马达提供电力）、高输出电池（High-output Battery，存储由再生制动产生的能量，并为电动马达提供补充电力）、储氢罐（Hydrogen Storage Tank，储存在极高压力下压缩的氢气以增加行驶里程范围）和功率控制单元（Power Control Unit，控制电流）。氢燃料电池汽车的主要性能描述归纳总结如下表。

燃料电池汽车的优势

燃料电池汽车在两个关键领域领先创新：一是能源基础设施，可促进氢社会；二是可持续的移动性，可克服全球环境和能源问题。

为什么当今燃料经济非常重要呢？首先，它可以省钱，选择能够满足需求的最有效的车辆，每年可以最多节约1400美元的燃油费用；其次，它可以减少气候变化，因为燃烧汽油和柴油所产生的二氧化碳都会导致全球气候变化；再次，它可以降低石油依赖度成本，因为对石油的依赖会使经济容易受到石油市场操纵和价格冲击的影响；最后，它能够提高能源的可持续性。因为石油是一种不可再生资源，因此我们不可能无限期维持现有的利用率，现在明智地使用它能够让我们有时间找到更具持续性的替代技术和燃料。

正因为如此，燃料电池汽车具有内在的优势。

首先，使用燃料电池汽车可以减少温室气体排放量。以汽油和柴油为动力的车排放主要成分为二氧化碳的温室气体（GHGs），导致全球气候变化。以纯氢为动力的燃料电池汽车不排放温室气体，排放的只有热和水。取决于不同的生产方法，生产燃料电池汽车所需的氢会产生温室气体，但是远少于传统的汽油和柴油车辆排放。即使燃料来自最肮脏的氢气来源——天然气，与汽油动力汽车相比，今天的早期燃料电池汽车也能减少超过30%的温室气体排放量。而未来的可再生燃料标准（例如现在加利福尼亚州的要求）将会让氢气更清洁。

其次，推广燃料电池汽车能够减少对石油的依赖。之所以如此，是因为氢可以产自国内资源，如天然气和煤炭，以及水、沼气和农业废弃物等可再生资源。这将减小本国经济对其他国家的依赖性，并且更不易受到日益动荡的石油市场中的油价冲击。

再次，使用燃料电池汽车会产生较少的空气污染物。在美国，空气中的烟雾和有害颗粒物等很大一部分是来自于公路车辆排放的污染物。而以纯氢为动力的燃料电池汽车不会排放有害污染物。如果氢气产生自化石燃料，会产生一些污染物，但远小于传统汽车尾气排放量。

氢燃料电池汽车具有双重优势，它既有传统汽车的行驶范围和加油过程，同时又有以电力为动力的驾驶的娱乐性和环境优势。因此，燃料电池汽车不仅仅是环保车，它也非常有驾驶乐趣，并能提供便利性和高性能。

除了私家车和公司用车，目前还有超过100辆燃料电池公共汽车部署在全世界，加拿大惠斯勒（Whistler）、美国旧金山、德国汉堡、中国上海、英国伦敦、巴西圣保罗以及其他一些城市都有。与柴油公共汽车和天然气公共汽车相比，燃料电池公共汽车的燃油经济性高出约30%～141%。

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燃料电池汽车所面临的巨大挑战

2014年，气候博客人、前美国能源部官员Joseph Romm用三篇文章来批评氢燃料电池汽车。他说，燃料电池汽车仍然没有解决以下问题：车辆的高成本、燃料的高成本，以及缺乏燃料输送基础设施。实际上，要让燃料电池汽车成为消费者眼中成功的、有竞争力的选择，必须要克服下面所列出的各方面的挑战。

首先是车辆成本。目前，虽然燃料电池汽车比传统汽车和混合动力车都要昂贵，但实际上成本已经大大降低，并且正在接近美国能源部制定的2017年的目标（即30美元/kW）。为了能让燃料电池汽车与传统技术竞争，制造商必须不断降低生产成本，特别是燃料电池组和氢存储的成本。

其次是如何实现车上的氢存储。有些燃料电池汽车能够存储足够的氢，从而让行驶里程范围与汽油车辆无异（大约300到400英里，约合480到640公里）。但是，要在不损害客户对空间、性能、安全或成本的期望的情况下，让不同品牌和型号的车辆都实现这一点，并不容易。理论上，燃料电池汽车比传统汽车能效更高，与等重量的汽油相比，氢气包含高三倍的能量。但是，与等体积的汽油相比，氢气所包含的能量只有其1/3，因此很难存储足够的氢来让燃料电池汽车与加满汽油的车跑得一样远，至少在尺寸、重量和成本限制下是如此。目前，已经在探索各种氢存储方法，各有优缺点（见表2）。

再次，是燃料电池耐用性和可靠性。燃料电池系统尚未如同内燃发动机一样持久耐用，特别是在一定的温度和湿度范围内更是如此。专家认为，要让燃料电池汽车能够与汽油车竞争，电池的预期寿命要达到15万英里才行，而目前才只有7.5万英里。

另外，还有如何让消费者获得氢气。当前氢气生产、输送和分配的基础设施尚无法支持燃料电池汽车的广泛使用。在燃料电池电动汽车成为现实之前，加油站需要投资，使之具有加注氢气罐的能力。但是，由于目前道路上的这类客户极少，因此现有的加油站不大可能进行这项投资。目前，全美国也就总共只有12个氢燃料加注站。因此，氢燃料基础设施问题何时真正得到解决是个大问题。

最后，就是公共教育。在燃料电池技术的好处实现之前，必须让消费者先接受这一技术。如同任何新的车辆技术，当燃料电池汽车第一次进入市场的时候，消费者可能会在可靠性和安全性方面有顾虑。此外，他们必须熟悉一种新的燃料。而公共教育可以加速这一进程。

事实上，与氢燃料汽车相关的运输、存储和生产成本都还过高，这是氢燃料汽车推广的巨大障碍。更有甚者，Joseph Romm认为，不论是现在还是将来，用可再生能源来产生氢气在经济上都是不可行的。而绿色技术媒体（GreenTech Media）在2014年也得出了类似的结论。因此，要推广燃料电池汽车，确实是任重而道远。

各国致力于发展燃料电池汽车

美国

2003年，美国总统乔治·布什提出氢燃料倡议（Hydrogen Fuel Initiative，HFI），该倡议旨在进一步开发利用氢燃料电池和基础设施技术，以加快燃料电池汽车的商业推广。到2008年，美国已经对该项目投资达10亿美元。

虽然在2009年的时候美国能源部长朱棣文（Steven Chu）断言，在未来的10到20年，氢气车辆都不会可行，但是，在2012年，朱指出，随着天然气价格的下降和氢气改进技术的发展，燃料电池汽车在经济上将更加可行。因此，美国政府继续致力于支持燃料电池汽车。

2013年，美国能源部（Department of Energy，DOE）宣布高达400万美元的计划，用于继续发展先进的氢存储系统。2013年5月，能源部推出H2USA方案，重点推进美国的氢基础设施。也在是2013年，加利福尼亚州州长Jerry Brown签署AB 8法案，要在未来10年内每年拨款2000万美元，建设多达100个氢气燃料加注站。2014年5月，加利福尼亚州能源委员会出资4660万美元建设28个氢气燃料加注站。

美国加利福尼亚州大学欧文分校（University of California Irvine）先进电力和能源项目（Advanced Power and Energy Program，APEP）的研究发现，在适当的地点建立68个站，就可以处理至少10000辆燃料电池汽车。而这些站正在逐渐成为现实。到2015年底，加利福尼亚州的9个现役氢燃料补给站中的3个，以及17个新建的站将向一般公众开放，并且有28个站预计要到2016年底交付，意味着短期内氢燃料补给站的总数将达到48个。为在美国推广其燃料电池汽车，丰田汽车公司将继续支持发展便捷、可靠的氢燃料补给基础设施。上述48个氢燃料补给站中的19个将使用丰田公司提供的730万美元的贷款支持，由FirstElement Fuels建造。丰田公司还宣布要为美国东北部地区发展氢燃料补给基础设施做出更多的努力。在2016年，Air Liquide将与丰田公司合作，目标是要在纽约、新泽西、马萨诸塞、康涅狄格和罗德岛这五个州共建设12个补给站。由于东北部的五个州气候寒冷，因此，冬季会严重限制电池电动汽车的行驶范围，在这些地区燃料电池汽车应该更有优势。

除此之外，为推广燃料电池汽车，客户购买燃料电池汽车也会享受许多优惠政策。比如在加利福尼亚州，许多购买燃料电池汽车的客户可以得到联邦和州政府提供的高达13000美元的奖励，意味着如果购买丰田Mirai，其购买价格可以降至45000美元以下。另外，在加利福尼亚州，Mirai有资格获得“白色标签”，从而能够在只有单一乘员的情况下，使用拼车车道（carpool lane），这对于交通高峰时段无疑是个很大的激励政策。而为了推广丰田Mirai，丰田汽车公司打算在前三年提供免费的氢加油，目前现代对它的途胜（Tucson）燃料电池休旅车的承租人就采用了这种方法。并且，丰田公司将为所有的燃料电池组件提供8年或者10万英里保修。

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日本

氢燃料电池汽车要想成功，就需要在他们销售的每个区域都有足够数量的公共氢气加注站。针对要在多个国家建立电动汽车充电基础设施，汽车制造商已经开展了宣传活动。但是，由于氢燃料加注站的成本要高得多，因此，类似的努力就会更加困难。尽管如此，作为其“氢经济”愿景的一部分，日本国家政府已经表现出对燃料电池汽车强有力且持续的支持与承诺。

2015年7月1日，日本三个最大的汽车制造商——本田、日产、丰田——发表联合声明，表示将联合努力，以支持建造新的氢气加油站。在声明中，这三家企业讨论了细节内容，所采取的措施将包括承销一些建设氢气加油站的基础设施公司所产生的运营成本。基于此，汽车制造商将涵盖项目中所涉及的加油站1/3的运营成本，每个加油站的份额大约为1100万日元（约合9万美元）。在每个财年，运营商必须重新申请资助。但到目前为止，汽车制造商尚未表示获得支持的加油站的数量是否有限制。声明指出，在燃料电池汽车确立市场地位，并且氢气加油站基础设施的建设步入正轨前，该项目将一直运行。汽车制造商们认为，这预计会到大约2020年。

日本的氢加油基础设施项目将在政府的巨大努力下展开，以促进燃料电池的各种用途。日本首相安倍晋三（Shinzo Abe）将国家氢加油站网络看作是其“氢社会”的一部分，在“氢社会”中，燃料电池不仅为汽车提供动力，还为家庭和办公楼宇等提供电力。在氢燃料加注站方面，日本已经于2014年建成第一个商业氢燃料加注站，并有40个新站在计划中。东京市政府计划在2020年前，在其管辖范围内资助建造35个站，而2020年正是东京主办夏季奥运会的年份。

除了美国和日本，目前德国已经草拟了氢气加油网络计划，计划要建设50个氢气加注站。同时，草案要求所有的氢气都要产生自可再生能源，从而让汽车从井到车轮（wells-to-wheels）的碳足迹能与电动汽车相比。

燃料电池汽车最新相关技术

不同类型的燃料电池包括聚合物电解质膜（polymer electrolyte membrane，PEM）燃料电池、直接甲醇燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、改良甲醇燃料电池和再生燃料电池。而目前车辆中最常见的燃料电池是聚合物电解质膜电池。

2012年，英国研制成功的聚合物电解质膜燃料电池能在较低的温度下操作，比其它燃料电池更小，更轻，使得它们更适合用于小汽车和货车。英国的聚合物电解质膜燃料电池系统可将汽车总拥有成本降到低于36美元/kW，从而让燃料电池电动汽车足以在成本上与内燃机动力汽车竞争。如果使用该技术，到2050年可以将燃料电池电动汽车的市场总份额从原有预期的25%提高到34%，相当于在全球增加了200万辆燃料电池电动汽车，这等同于300亿美元的聚合物电解质膜燃料电池市场价值，以及全球2.6亿吨的二氧化碳节余。

在2015年4月，一直致力于开发酶方法的弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）生物系统工程系的教授Percival Zhang研究成功了一种直接从植物中制造氢气的新方法。Zhang的方法是“无细胞”的，也就意味着不需要像发酵一样使用微生物。相反，该方法使用酶，把复杂的糖类（比如那些在植物材料中找到的糖）分解成组件成分。目前，他的实验表明，这一过程能够有效地将玉米秸秆（这是美国最富的农业废物产品）转化为氢燃料。张和他的同事们已经证明，相比于传统的发酵方法，该过程能让每单位的糖多产生三倍的氢。目前这项技术仍处在初期阶段，仅使用一两毫升的反应器在小规模内得到了验证。但张教授说，这种方法与现在使用微生物从有机材料中生产氢的过程（包括纤维素乙醇）几乎一样快，并且一样有能效。张教授的下一个目标是提高生产规模，将其从几毫升提高到一升，并且他希望三年内能够在加油站中应用这一过程。如果可能，这一方法将会成为经济实惠的方式，这或许能够为依靠农业废弃物的氢气加气站铺平道路。张教授甚至设想，如果该过程被证实可行的话，未来汽车可以有一个车载反应器，将糖转化为燃料。但是，目前该技术也存在一些问题。首先，其潜在的成本尚不确定，要真正变成大规模的可用商业化可行过程还有很长的路要走。其次，这一过程取决于酶，而张教授的技术中需要的酶的成本相当高。并且，目前尚不清楚大规模时该酶是否足够稳定。但无论如何，该方法为经济实惠的提取氢带来了希望。

虽然燃料电池汽车和为其加注氢的基础设施目前都还处于早期部署阶段，但燃料电池汽车却有可能对交通运输系统产生革命性的影响。如果氢燃料能够成为一种可行的低碳能源载体，那么要提高能源安全，实现能源来源的多样化，同时减少温室气体排放，氢动力燃料电池汽车可能是重要的长期的解决方案。要真正将燃料电池技术从一个实验室项目转变成一个现实世界的解决方案，以实现车辆的零排放，这不仅是汽车制造商的任务，也是整个社会的任务。无疑，未来还有很长的路要走。

电动车电池保养方法[推荐] 篇9

电动车电池保养，电动车电池修复

1、重新配组：整组电池损环以后，我们往往对电池进行充放电检测，在检验中往往会发现一组电池中有50％的电池并没有损坏。其原因也就是在串连电池组中，个别的电池落后形成整组电池功能下降，以至于整组电瓶功能下降。

2、补水：对使用了半年的电池进行一次补水，可以延长电池的使用寿命，延长时间平均达到3个月以上。应该注意的是，每次补水以后，电池都利用处于过充电状态把电池由“准贫液”转为“贫液”状态，而这个过充电对提高电池容量是有好处的。

3、消除硫化：采用电池修复设备，对电池进行消除硫化的处理。

4、微粒发生器： 采取微粒发生器并联在电池上，对电池进行修复。这种方法对修复电池比较好，但是由于修复的比较彻底，所以，如果没有过放电，对于连续使用的电池来说，往往是彻底消除了电池硫化的可能性。

5、综合修复方法：对电池采用定期检验，及时除硫和补水，单只电池充电、重新配组。电池说明，如果是免维护，一般不需要加水。如果需要加水，先检测一下电动车电池自身的电解液密度，根据不同的情况选择相应浓度或没有浓度的水进行补充，这样才能让电池容量有所增加或延长使用寿命。电动车充电，电动车充电多长时间？

1、电动车不存在充电越久使用时间越长的说法。一般来说，电池充10个小时就满了，继续充电并不能延长电池的使用时间，过度充电会促使极板活性物质硬化脱落，并造成失水和蓄电池变形，从而大大缩短电池使用寿命。电动车充电时间长短最好是8至10个小时，尽量不要超过10个小时。

2、电动车电池寿命的长短，与电池的质量及保养有很大关系。电池惧怕高温，夏天应尽量降低电池的温度，保证良好的散热，防止在烈日下暴晒后即充电，也不要在阳光直射下充电；刚充满电，应该等待几分钟至电池温度降低后再使用。合理充电才能充分发挥电池性能，延长电池使用寿命，保障电动车正常运行，同时可以减少安全隐患，避免意外事故发生。电动车电机通电不转怎么办？

1、保险丝烧掉：在这种情况下，更换保险丝后电机就可以正常转动了，这个故障维修费用也最低了。

2、电源开关损坏：判断方法是打开电源开关，用万用表欧姆档测量一下电源开关的输入端与输出端之间的电阻，如电阻值为零则正常，如电阻值为无穷大，则电源开关坏，应更换电源开关。

3、霍耳转把损坏：具体诊断方法是用万用表直流电压档测量一下转把输出端绿色线的输出电压，如有1-4.2电压输出，则转把正常，如无电压输出则转把烧坏，需更换转把。

4、控制器损坏：用万用表直流电压档测量一下控制器输出端红色接线（接转把线的插头），如有5伏左右电压输出则控制器正常，如无电压输出则控制器烧坏，需更换控制器。

5、电机各接线头松动：把每个接插头重新检查一遍。还可能是电池盒放入车架时不到位，触点接触不好。

6、电机烧坏：将电机与控制器的连线断开，其余线均接好，慢慢转动电机，用万用表测霍尔线，看信号是否有电压变化，若有一相无变化，则是电机霍耳元件烧掉，造成缺相，需更换电机。这种情况也是维修费用最贵的。

电动车改装，提速安全警示

1、改装后的电动车，“可能会出现断裂，自燃等现象。”改装车由于对其动力以及其他配置进行了严重的更改，这样就会造成原本的部件和后来改装部件不相配的现象，从而在行驶的过程中出现自燃以及车身发生断裂等现象。

2、车子刹车主要取决于轮胎与地面之间的摩擦力，摩擦力的大小取决于摩擦系数，由于电动车、摩托车只有两个轮子，且轮胎较窄而且是弧形，所以刹车距离比轿车更长，且易翻车。电动车本身设计的车速较低，改装后车速提高，车身增重，车架可能难以承受。若车速超过60公里每小时，一旦刹车后轮抱死，后果不堪设想。

3、国家标准《电动自行车通用技术条件》规定，电动自行车“最高时速不超过20公里，整车质量(重量)不大于40公斤，一次充电后的续行里程不小于25公里。”，因此，对于电动车通过改装提速的行为，是违法的。

电动车好还是助力车好？ 电动车优点：

1、经济环保：电动车只需充电即可骑行，不会排出有毒气体，造成空气污染，这是电动车的第一大优点。

2、高效方便：由于电动车车身小，反而比汽车快，有利于疏导交通拥挤，减轻交通压力。并且，对于骑行者有了极大方便性，不用为车位发愁了。如果一味地发展公交车，还是一样占用车道，并且转站麻烦，增大负担，下车后还要步行一段才到达目的地。而电动车就没有这些麻烦。

3、骑行安全：由于电动车比较车、比较慢、安全性能高，刹车等各方面指标都有了很大的改进，能够满足日常人们的出行安全需要。

4、占车道小，电动车体积小，重量轻，不需要占用车站和过多的公共空间，避免能源、道路、车位等资源浪费。电动车缺点：

现在的电动车，技术比较落后，电瓶不耐用，电瓶回收管理不完善，给环境造成污染；车架、刹车各系统使用的材料和制作工艺粗糙，安全性相对摩托车要差很多，而且受充电的束缚，使用的地理范围窄一些，不能载人载物。

电动汽车电池 篇10

能源和环境压力促使各国推动电动汽车的发展[1,2,3,4,5]。电动汽车是新能源战略和智能电网的重要组成部分,预计2020年中国新能源汽车将占20%,电动汽车将达到1 000万辆[6]。目前电动汽车处于示范推广期,充电的便利程度将直接影响消费者对电动汽车的购买行为[7]。大规模的电动汽车快速充电将对电网产生冲击,影响电能质量,加大配网改造压力[8]。2011年1月,国家电网公司确定了“换电为主、插充为辅、集中充电、统一配送”的电动汽车服务网络发展策略[8,9,10]。

集中充电、统一配送模式的服务网络由集中充电站和电池更换站2个部分组成。集中充电站依托变电站建设,投资成本高,数量较少,负责电动汽车动力电池的统一充电、维护、仓储、物流配送等;电池更换站以方便快捷地满足用户换电需求为目标广泛布点建设,投资成本相对较低,数量较多,统一从集中充电站获得动力电池配送,负责电动汽车到站更换电池。集中充电、统一配送模式需要解决电池产权和使用权关系等问题。目前,基于电池租赁的换电模式在以色列、加拿大等国得到应用和推广[10]。

集中充电站数量少,可在候选变电站中根据占地面积、地价、电力线路传输容量等因素,采用专家评价评分后选址。但集中充电站配送区域内的电池更换站数量众多,事先逐个给出更换站的候选站址并评价选址并不现实。电池更换站不仅要考虑服务范围和规模,还要考虑用户换电和更换站电池配送的成本。虽然针对整车快速充电站布局规划已经有了一些研究[7,8,11,12],但针对电池更换站的规划研究尚未起步。本文主要针对集中充电站选址完成后,电池更换站布局的最优规划,从换电需求及其分布的分析入手,建立电池更换站布局的最优规划模型,采用Voronoi图和改进粒子群算法相结合的方法,解决了规划范围换电需求分布不均匀的规划问题,可以自动生成站址和规模,并给出更换站服务区域,使更换站投资及成本最小。

1 换电需求和电池更换机数量预测

1.1 电动汽车换电需求及其分布

一般生活区或商务区等是车辆较为集中的区域并配有停车场,其常规电力负荷水平反映了小区的生活和消费水平,从另一方面也反映了小区的电动汽车购置和集中水平。在规划水平年,各规划功能小区的电动汽车数量可按照其常规电力负荷预测值成比例分布,小区内电动汽车均匀分布,小区几何中心点代表换电需求点,换电需求点与电池更换站的距离为该小区电动汽车换电行驶距离。小区电动汽车的能源供给应大部分由充电桩慢充满足,少量来不及慢充的电动汽车需要更换站的换电服务,换电需求可以按照电动汽车总数的某一比例取值。

若规划范围电动汽车总数为na,需求点j的换电需求可表示为:

其中,nj为需求点j的日换电需求;α为电动汽车换电比例;Pj为需求点j的常规电力负荷;P鄱为规划范围的总常规电力负荷;JSN为换电需求点集合;fround函数为四舍五入取整函数。

1.2 电池更换机数量

在集中充电站配送区域内,电池更换机数量不仅由换电需求决定,还与用户到站情况和用户换电排队承受力有关。若用户能容忍的单台更换机的排队车辆数为ns辆,配送区域内更换机数量NSW鄱i为:

其中,μ为电动汽车的同时到站率;JSNCi为配送区域i的换电需求点集合;JCH为配送区域集合。

2 电池更换站布局最优规划的数学模型

在配送区域内,电池更换站布局规划不仅要考虑更换站的建设成本,还要考虑用户在换电途中的耗时成本和更换站的电池配送成本。

2.1 目标函数

其中,Fcost为电池更换站的社会年总成本;CSW为更换站的年建设运行成本;CVT为用户换电途中年耗时成本;CDL为更换站电池年配送成本。

2.1.1 更换站年建设运行成本

年建设运行成本包括年固定投资和年运行成本。固定投资主要是电池更换机、土地、辅助设施的投资成本。运行成本主要是由更换站规模而来的人员工资和设备维护等成本。

若动力电池成本属于电池集中更换站,电池更换机是更换站固定投资的决定因素,电池更换机越多,服务车辆越多,备用电池储存越多,占地面积越大,相应的土地购置和其他辅助设施的固定投资越大,同时管理人员越多,运行维护成本越大。因此,固定投资和运行成本都是电池更换机数量的函数。年建设运行成本可表示为:

其中,fSW(NSWi)为更换站i的固定投资函数;uSW(NSWi)为更换站i的年运行成本函数,可按固定投资的一定比例取值;NSWi为更换站i的更换机数量;r0为贴现率;ms为更换站折旧年限;JSW为更换站集合。

2.1.2 用户换电途中年耗时成本

换电途中年耗时成本要考虑换电需求及其换电距离,可表示为:

其中,β为城市出行时间成本系数;λij为需求点j到更换站i的城市道路非直线系数;dij为需求点j到更换站i的空间直线距离;v为城市交通平均行驶速度;JSNi为属于更换站i的换电需求点集合;年计算时间设为365d。

城市道路非直线系数λij是城市两点间道路实际最短距离与其空间直线距离之比[13],表示为:

其中,dtij为i和j两点间道路实际最短距离;dij为和j两点间空间直线距离。

λij最小值为1,λij越小表明两点之间交通越便捷。文献[13]归纳了4种道路网络结构的λij:方格网式1~1.41;环形放射式1.1~1.2;自由式1.1~2.6;混合式1~1.4。

2.1.3 更换站电池年配送成本

更换站的备用电池可按日服务车辆数的1.5~2倍来配送。电池年配送成本由电池配送数量和配送距离决定,可表示为:

其中,γ为电池配送成本等效系数;η为电池备用系数;nSWj为更换站j日服务车辆数;rij为更换站j到集中充电站i的直线距离;JCS为集中充电站集合。

2.2 约束条件

a.各更换站的更换机数量满足其服务区域换电需求的等式约束:

其中,μi为属于更换站i的电动汽车同时到站率。

b.更换站的更换机配置不等式约束:

其中,NSW.min和NSW.max分别为更换机配置的最小和最大值。

c.换电需求点到更换站距离的不等式约束。为避免用户长距离行驶换电,换电需求点到更换站距离约束可表示为:

其中,dmax为换电需求点到更换站最大距离。

d.更换站间距离不等式约束。为避免更换站布局过于集中,站间距离约束为:

其中,Dij为更换站i和j的直线距离;Dmin为更换站间最小距离。

联合式(3)—(11),构成电池更换站布局最优规划的数学模型。模型中有众多变量,包括更换站及其服务区域内换电需求点组成的集合变量;站址坐标组成的连续变量;各更换站的换电需求组成的离散变量;更换站数量及其更换机配置组成的整数变量等。对于这样复杂的优化问题,传统优化方法难以求解。

3 Voronoi图和改进粒子群算法的联合求解

3.1 Voronoi图和改进粒子群算法

Voronoi图(简称V图)又称为泰森多边形(Thiessen polygon)。V图可看作由生长点集的每个生长点pi(i=1,2,…,n,n≥2,nR)以等同速度向四周扩张,直到相遇为止,扩张结束形成V图。每个pi唯一对应一个V图凸多边形,凡落在其V图凸多边形内的空间点均距pi最近,反映了该生长点pi的势力范围(influence region)特性。除V图公共边外,各V图凸多边形互不重合。具备最邻近特性的V图在气象、测绘、考古等领域,尤其是地理设施选址方面被广泛应用[14],在电力系统也有应用于变电站选址定容[15]。V图的生成方法就算法特点而言,主要分为矢量生成法和栅格生成法。目前,高版本的地理信息系统(GIS)软件(如Arc GIS和Map Info)和高版本MATLAB软件都可以方便地实现V图的生成,如MATLAB7.9的V图命令“voronoi”。

粒子群优化PSO(Particle Swarm Optimization)算法是1995年由美国学者J.Kennedy和R.C.Eberhart提出的基于群体智能优化技术,是群体迭代的启发式算法,初始化的群体在搜索空间并行搜索,通过个体间的行为交互达到全局寻优的目的。PSO算法与遗传算法(GA)有类似之处,但PSO算法没有选择、复制、变异等操作。与同为群体智能算法的蚁群(ACO)算法相比,PSO算法保留了个体和全局的最优信息,具有个体和群体的协同搜索能力。PSO算法需要调整的参数不多,结构简单易于实现。本文采用在原始PSO算法[16]中修改惯性权重w和学习因子c1、c2,达到提高搜索速度、减少陷入局部最优的效果。

惯性权重w采用在[0.5,1]间随机取值,实验表明比线性递减策略精度更高,收敛速度更快[17]。惯性权重w表示为:

其中,rand为[0,1]的随机数。

学习因子c1、c2采用非线性反余弦加速,c1先大后小,而c2先小后大。基本思想是搜索初期粒子飞行主要参考本身的历史信息c1,到了后期则更加注重社会信息c2。构造方式[16]如下:

其中,c1s、c2s为迭代初值;c1e、c2e为迭代终值;t为当前迭代次数;tmax为最大迭代次数。本文取值为:c1s=2.5,c2s=0.5;c1e=0.5,c2e=2.5。

3.2 V图和改进PSO算法联合优化求解流程

采用具备全局随机寻优能力的PSO算法与V图联合求解。具体规划步骤如下。

步骤1根据集中充电站位置做V图,V图凸多边形对应各集中充电站的配送区域,为配送区域编号i(i∈JCH),计算各配送区域电池更换机总数NSWΣi,如式(2)所示。

步骤2在配送区域i内,确定配送区域整体更换站数量nci,nci∈[nci.min,nci.max](i∈JCH),且有:

其中,nci.min和nci.max分别为更换站最小和最大数量。

在配送区域i内,以更换站数量nci为整数循环变量,搜索不同数量更换站及其更换机配置方案的最优解。

步骤3在配送区域i内,随机生成nci个更换站址坐标,并编译为粒子初始坐标X。若随机站址坐标集S={(x1,y1),(x2,y2),…,(xnc,ync)},编译为粒子的2nc维空间坐标表示为:

若粒子种群为m,则每个更换站随机同时产生m个站址坐标,编译后粒子群初始坐标可表示为:

其中,X为m×2nc阶矩阵,第i行表示第i个粒子的2nc维空间坐标。

步骤4在配送区域i内,以更换站址坐标S为生长点作V图,V图凸多边形对应各更换站的服务区域,根据各服务区域内换电需求利用式(8)确定各更换站的更换机配置NSWi。m个粒子并行计算可得到与各粒子相对应的更换站的更换机配置集合:

其中,NSW为m×nc阶矩阵,第i行表示第i个粒子所对应的各更换站的电池更换机配置。

步骤5计算各粒子适应值。各更换站更换机配置NSW代入式(4)可得到各更换站年建设运行成本。同时,由各更换站址坐标和其服务区域内换电需求点坐标,得到需求点到其所属更换站的直线距离dij(i∈JSW,j∈JSNi),利用式(5)得到用户换电途中年耗时成本。由各更换站服务区域内换电需求得到日服务车辆数nSW,利用式(7)得到电池配送成本。最后由式(3)得到电池更换站的社会年总成本,作为PSO算法中的适应值,记录个体极值Pp和全局极值Pg。约束条件采用罚函数法。

步骤6更新粒子群速度和位置并编译为新的更换站址坐标。循环至步骤4,直至达到迭代次数或预定收敛精度。预定收敛精度可选用寻优结果的站址坐标变化量达到预定精度值。本文采用较大迭代次数,便于展现改进PSO算法的寻优过程。

步骤7重新选择配送区域,i=i+1(i∈JCH),循环至步骤2,直至所有配送区域寻优完毕。

V图和改进PSO算法联合求解整体流程图如图1所示。

4 算例计算与分析

某规划区面积8.2 km2,分成34个功能区,主要是住宅、商业、办公等,远期常规电力负荷预测总计177.5 MW,负荷分布见图2。远期电动汽车总数预测na=4 500,电动汽车日快充比例α=0.1,则电动汽车日总换电需求为450辆,需求分布按式(1)分析,如图2所示。需要说明的是,图中括号中数据为该小区日换电需求,括号上方数据为该小区常规电力负荷。用户能容忍的单台更换机服务的排队车辆数ns=4,更换站的电池更换机配置范围NSW.min=4,NSW.max=12。

更换站固定投资用电池更换机数量Nchi的二阶多项式模型表示为:

其中,w为固定不变投资,包括营业建筑和道路等辅助建设,取w为100万元;q为与电池更换机单价有关的投资,取q为70万元/台;e为与电池更换机数量有关的等效投资系数,包括占地面积、配变和电缆等,取e为1.5万元/台2。

年运行成本uSW(NSWi)取固定投资成本的10%。更换站折旧年限ms=20 a,贴现率r0=0.08,城市出行时间成本系数β=25元/h,城市道路非直线系数λij=1.2,城市交通平均行驶速度v=25 km/h,更换站电池配送成本等效系数γ=1元/(个·km),更换站电池备用系数η=1.5,电动汽车同时到站率μ=0.6,换电需求点到更换站最大距离dmax=0.9 km,更换站间最小距离dmin=0.5 km。

若已知集中充电站2座及其坐标,应用第3.2节图1的流程,设置粒子种群数20,最大迭代次数300。2座集中充电站配送区域的不同更换站数量的计算结果如图3所示。最优解对应的更换机配置及其各项投资见表1。站址及其服务区域划分见图4。PSO算法的适应值,即社会年总成本的计算结果见图5。

图3结果表明2个配送区域的更换站都为4座时最优。若更换站太少(如3座),与更换机数量有关的等效投资,包括占地面积、配变和电缆等提高了年总成本;若更换站太多(如5座),更换站固定不变投资,包括营业建筑和道路等辅助建设同样提高了年总成本。需要说明的是,根据总电池更换机需求量和电池更换机配置最大值,2个配送区域最少都需要3座更换站;同时,由于更换站间距离的限制,在各配送区域内最多只能容纳6座更换站,因此2个配送区域更换站数量计算范围为3~6座。

从表1中可以看到,各更换站有不同的更换机配置,换电需求和更换机匹配恰当,有利于充分利用更换站。更换站年总成本主要由年固定投资和年运行成本合成的年建设运行成本组成,用户途中耗时成本和电池年配送成本虽然不大,但反映了用户使用更换站和更换站获得电池配送的便捷程度,第3.2节的联合求解流程充分考虑这个要求。

在图4中,虚线为2座集中充电站的V图边界,划分出各自的配送区域。三角形代表的更换站在配送区域内布局合理,既靠近换电需求重心,又与集中充电站较近。实线V图为更换站服务区域,有效解决换电需求不均匀的规划问题。

图5适应值结果显示V图和改进PSO算法联合求解良好的全局搜索能力,能够迅速接近全局最优解附近,后期局部精确搜索得到全局最优解。适应值的减小反映了粒子搜索最优坐标的过程。

5 结论