外文翻譯-電動(dòng)汽車的電池和超級(jí)電容（中文）

1、<p><b>　　中文10500字</b></p><p>　　出處： Proceedings of the IEEE, 2007, 95(4): 806-820</p><p>　　電動(dòng)汽車的電池和超級(jí)電容</p><p>　　By ANDREW F.BURKE</p><p>　　仿真結(jié)果表明

2、，省油的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車可以設(shè)計(jì)成使用電池或者超級(jí)電容，而這是由兩者之間的技術(shù)成本和使用年限決定的。</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　電池和超級(jí)電容器在純電動(dòng)汽車、充電保持型混合動(dòng)力汽車和插電式混合動(dòng)力汽車上的電能存貯單元中應(yīng)用已經(jīng)被詳細(xì)地進(jìn)行了研究。對(duì)于混合動(dòng)力汽車而言，內(nèi)燃機(jī)和氫燃料電池的使用時(shí)作為初級(jí)的替代能源來考慮的。研究重點(diǎn)是鋰

3、電池和碳/雙層碳超級(jí)電容器作為能量存貯技術(shù)非?？赡軕?yīng)用在未來汽車上。這項(xiàng)研究的主要結(jié)果如下：1）電池和超級(jí)電容器的能量密度和功率密度特點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車、充電保持型混合動(dòng)力汽車和插電式混合動(dòng)力汽車有著足夠的吸引力。2）持續(xù)充電，混合動(dòng)力汽車引擎動(dòng)力可以被設(shè)計(jì)成使用電池或者超級(jí)電容器從而使燃油經(jīng)濟(jì)性改善50%甚至更好。3）插電式混合動(dòng)力汽車可以設(shè)計(jì)成相對(duì)較小的鋰電池使有效行程在30-60公里的范圍內(nèi)。對(duì)較長(zhǎng)的日常駕駛范圍（80-150公里

4、）插電式混合動(dòng)力汽車燃油經(jīng)濟(jì)消耗率可以非常高（大于100mpg），因?yàn)榻^大部分能量（大于75%）通過電流用于驅(qū)動(dòng)汽車。4）輕度混合動(dòng)力汽車可以設(shè)計(jì)使用一個(gè)儲(chǔ)能容量75-150Wh的超級(jí)電容器。使用超級(jí)電容器時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性提升要比使用同質(zhì)量的電池組高10%-15%，這是因?yàn)槌?jí)電容器的高效率和更高效率的引擎運(yùn)轉(zhuǎn)。5）用氫燃料電池供能的混合動(dòng)力汽車可以使用</p><p>　　關(guān)鍵詞： 電池組 控制策略 燃料電池 混

5、合動(dòng)力汽車 改善燃油經(jīng)濟(jì)性 超級(jí)電容器</p><p><b>　　I.引言</b></p><p>　　為了提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率，提供比其他道路交通方式更加節(jié)省石油能量，世界各地的汽車公司正在開發(fā)混合動(dòng)力和燃料電池引擎。這些車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)利用電動(dòng)機(jī)和電能儲(chǔ)存器補(bǔ)充引擎輸出或者車輛在加速和巡航時(shí)燃料電池的補(bǔ)充以及制動(dòng)時(shí)的能量回收。目前正在利用的能量存儲(chǔ)技術(shù)是充電電池和

6、超級(jí)電容器（電化學(xué)電容器）。能量?jī)?chǔ)存單元可以從發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池或者電網(wǎng)充電，非常像一輛電動(dòng)汽車。在后來的例子(通常稱為插電式混合動(dòng)力汽車)，車輛可以同時(shí)使用液體或者氣體燃料和電力網(wǎng)。插電式混合動(dòng)力汽車的一個(gè)有吸引力的功能就是允許使用除了石油外的其他能源產(chǎn)生的電能。</p><p>　　本文主要是關(guān)于供電電池，插電式混合動(dòng)力汽車使用的引擎，燃料電池汽車使用的氫燃料的設(shè)計(jì)及其性能。特別令人感興趣的是如何將儲(chǔ)存的電能單

7、元能最好的利用在一些動(dòng)力系統(tǒng)中（組建的配置和控制策略），提高傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，各種駕駛循環(huán)和車輛使用模式下的能量使用（燃料和電力電網(wǎng)）。通過不同設(shè)計(jì)方案的詳細(xì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)可以利用時(shí)，記錄下車輛測(cè)試數(shù)據(jù)。應(yīng)用在汽車仿真中能量存儲(chǔ)和燃料電池組件的特點(diǎn)對(duì)應(yīng)于現(xiàn)在的這些技術(shù)以及預(yù)測(cè)其性能在未來的改善。</p><p>　　II.電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的電池和超級(jí)電容器</p><p>　　A.不

8、同汽車設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能要求</p><p>　　電能儲(chǔ)存單元必須具有較大的容量，使他們儲(chǔ)存足夠的能量（千瓦時(shí)），并提供足夠的車輛峰值功率使車輛有一定的加速性能和滿足適當(dāng)?shù)鸟{駛循環(huán)的能力。對(duì)于這些用于重大的全電動(dòng)范圍的汽車設(shè)計(jì)，儲(chǔ)能單元必須儲(chǔ)存足夠的電能滿足在現(xiàn)實(shí)世界駕駛的范圍要求。此外，能量?jī)?chǔ)存單元必須符合適當(dāng)?shù)闹芷诤蛪勖?。這些需求將會(huì)有很大的差異性，這主要取決于被設(shè)計(jì)的車輛傳動(dòng)系（電池或燃料電池或混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)）

9、，但是一旦車輛的性能目標(biāo)被確定，它們自然也被簡(jiǎn)單合理的決定了。建立能量存儲(chǔ)單元所需的重量，體積和成本并非直截了當(dāng)，而是非常困難的。有了這些特點(diǎn)限制，顯然將排除汽車的成功設(shè)計(jì)和銷售，但是設(shè)置實(shí)際的限度去獲得可行的設(shè)計(jì)是相當(dāng)隨意的。本文采用的方法是注意與各種技術(shù)的性能特點(diǎn)（瓦時(shí)/千克，瓦時(shí)/升，瓦/千克，等等）所對(duì)應(yīng)的合適的儲(chǔ)能單元質(zhì)量和體積。在本文中不考慮成本問題。</p><p>　　如上所述，能量存儲(chǔ)單元的大小

10、決定于一個(gè)能量?jī)?chǔ)存或者功率需求。就電動(dòng)汽車供能的電池而言，電池容量的大小取決于車輛指定的范圍。電池的質(zhì)量和體積可以從車輛能量消耗的需求（瓦時(shí)/千米）以及電池能量密度（瓦時(shí)/千克，瓦時(shí)/升）通過適當(dāng)?shù)姆烹姕y(cè)試周期（對(duì)應(yīng)的時(shí)間）來簡(jiǎn)單的計(jì)算得到。在大多數(shù)電動(dòng)汽車的例子中，電池的規(guī)模很容易滿足車輛的一個(gè)指定的加速性能，爬坡能力的功率要求和最高巡航速度。在此應(yīng)用的電池都是利用的電網(wǎng)電力定期深放電和充電。因此，深放電循環(huán)壽命是一個(gè)主要的考慮因素，

11、電池符合一個(gè)指定的最低要求是非常有必要的。</p><p>　　就使用引擎或者燃料電池作為初級(jí)能量轉(zhuǎn)化器和電池作為儲(chǔ)備能源的混合動(dòng)力汽車，能量?jī)?chǔ)存單元的大小主要由車輛在加速時(shí)單位峰值功率大小決定的。在大多數(shù)混合動(dòng)力汽車，電池的能量存貯被考慮做得比需求更大以滿足車輛適當(dāng)?shù)鸟{駛循環(huán)。可是，多余的能量?jī)?chǔ)備只允許電池運(yùn)行超過一段相對(duì)狹隘的范圍（通常最多5%-10%），還極大的延伸電池的循環(huán)壽命。原則上，決定混合動(dòng)力汽車電

12、池質(zhì)量體積只有電池的脈動(dòng)功率密度（瓦/千克，瓦/升）。然而，對(duì)于一個(gè)特定的電池技術(shù)，它并不如確定適當(dāng)?shù)墓β拭芏戎的敲春?jiǎn)單，因?yàn)閼?yīng)該考慮做出這個(gè)決定的效率。一個(gè)適當(dāng)?shù)拿}沖功率值并不是，因?yàn)槟菚r(shí)的效率非常低（接近50%）。一個(gè)更加合適的電池峰值功率計(jì)算公式如下表達(dá)式：</p><p>　　是峰值功率脈沖效率。</p><p>　　在這個(gè)等式中，假設(shè)脈沖接近于，其中。對(duì)于一個(gè)90%的效率，高效率

13、的電池脈沖功率大約為數(shù)值的。由于將討論該文的下一部分，甚至使用上面的表達(dá)式，應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車中的先進(jìn)電池設(shè)計(jì)擁有高功率的能力，使得它們與充電式混合動(dòng)力汽車相配合使用。</p><p>　　超級(jí)電容器也可以用于插電式混合動(dòng)力汽車。在這種情況下，能量存儲(chǔ)單元大小決定于能量存儲(chǔ)（瓦時(shí)）需求，因?yàn)槌?jí)電容器的能量密度（瓦/千克）相對(duì)更低（5-10瓦/千克）而有用功率密度很高（1-2千瓦/千克）。從超級(jí)電容器的可用功率可

14、使用下面的表達(dá)式估計(jì)：</p><p>　　是峰值功率脈沖效率。</p><p>　　在這個(gè)等式中，假設(shè)脈沖峰值功率發(fā)生在時(shí)，效率為，其中。能量存儲(chǔ)的需求規(guī)范對(duì)于設(shè)計(jì)和使用超級(jí)電容器的動(dòng)力總成的實(shí)用性是至關(guān)重要的。正如在本文后面的討論，功的需求完全取決于混合動(dòng)力汽車上動(dòng)力系統(tǒng)的超級(jí)電容器充放電的控制策略。儲(chǔ)能規(guī)格范圍在75-150瓦時(shí)對(duì)于輕度混合動(dòng)力汽車是比較合理的。與之相對(duì)應(yīng)的超級(jí)電容器

15、的重量在15-30千克，峰值功率在18-36千瓦之間。在這些功率下，能量單元的往返效率是90%-95%。超級(jí)電容器需要面對(duì)駕駛條件時(shí)周期性的深放電，但是在大多數(shù)時(shí)間下放電深度較淺。用在輕度混合動(dòng)力汽車上的超級(jí)電容器循環(huán)壽命需求將在50萬次以上。</p><p>　　決定插電式混合動(dòng)力汽車的能量存儲(chǔ)單元的大小比純電動(dòng)或者充電保持式混合動(dòng)力汽車復(fù)雜的多。這是因?yàn)榫腿妱?dòng)范圍的汽車的不確定性或者用專業(yè)術(shù)語詳細(xì)來說“全電

16、動(dòng)范圍”。在最簡(jiǎn)單的術(shù)語，全電動(dòng)范圍意思就是混合動(dòng)力汽車可以使用電池供能行駛指定的距離而沒有啟動(dòng)引擎或者燃料電池。在這種情況下，電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和純電動(dòng)汽車相同，而能量存儲(chǔ)需求（千瓦時(shí)）可以通過能量消耗（瓦時(shí)/千米）和指定的全電動(dòng)范圍來計(jì)算。所以，對(duì)于大的全電動(dòng)范圍，電池規(guī)?？梢匀Q于能量需求，對(duì)于較小的全電動(dòng)范圍，電池規(guī)?？梢匀Q于功率需求。對(duì)于設(shè)計(jì)一輛特殊的汽車，將不得不慎重考慮對(duì)于電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)（能量和功率特性），以滿足對(duì)能量存儲(chǔ)（千

17、瓦時(shí)）和功率（千瓦）的要求。和所有化學(xué)電池一樣，電池內(nèi)存在著能量密度和有用功率密度之間的均衡。對(duì)于電池特性的詳細(xì)考慮將在下一部分詳細(xì)介紹。對(duì)于相對(duì)較短的15千米或者更少的全電動(dòng)范圍，電池和超級(jí)電容器的組合將會(huì)是一種可行的方案。</p><p>　　進(jìn)一步復(fù)雜化插電式混合動(dòng)力汽車的問題，所有的全電動(dòng)范圍的概念可以被解釋為大多數(shù)驅(qū)動(dòng)采用電池供能，只有當(dāng)功率要求很高或者車速超過一指定數(shù)值時(shí)有發(fā)動(dòng)機(jī)或者燃料電池協(xié)助供能。

18、結(jié)果顯示，大多數(shù)的電池能量用于驅(qū)動(dòng)汽車，燃油經(jīng)濟(jì)性非常高（100mpg或者更高）。這樣，電動(dòng)傳動(dòng)系（電動(dòng)馬達(dá)和電池）的功率需求會(huì)比一輛所謂的純電動(dòng)汽車更少。能量的消耗（瓦時(shí)/千米）也可能減少。因此，電池的能量和功率需求的減小產(chǎn)生了在相同效率的全電動(dòng)范圍里程更小，花費(fèi)更少的電池。</p><p>　　就插電式混合動(dòng)力汽車而言，電池可以從引擎或者燃料電池充電或者通過墻上插座充電。插電式混合動(dòng)力汽車的一個(gè)吸引人的地方是

19、相當(dāng)一部分驅(qū)動(dòng)車輛的能量可以通過除了石油外其他能源產(chǎn)生的電力來提供。因此，對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車，電池循環(huán)壽命成為了一個(gè)重要的問題。電池從低狀態(tài)充電（深放電后）比純電動(dòng)汽車的電池更加頻繁。因此，插電式混合動(dòng)力汽車的電池循環(huán)壽命會(huì)比純電動(dòng)汽車要求更高。至少需要2000-3000次循環(huán)。因此，在功率和循環(huán)壽命上，插電式混合動(dòng)力汽車對(duì)電池的要求要高于純電動(dòng)汽車。</p><p>　　B.電池和超級(jí)電容器的技術(shù)現(xiàn)狀<

20、/p><p>　　在這一部分，電池和超級(jí)電容器的技術(shù)現(xiàn)狀將被回顧。就電池而言，技術(shù)中主要考慮了密封的鉛酸，鎳氫和鋰離子。對(duì)于超級(jí)電容器，只有碳/雙層碳器件被考慮，因?yàn)檫@個(gè)技術(shù)是唯一被商業(yè)化的。</p><p>　　1）電池：大多數(shù)的電池供能和混合動(dòng)力汽車測(cè)試和市場(chǎng)化到最新（2006年）都用的是鎳金屬氫化物電池。鋰電池發(fā)展取得的重大進(jìn)展使得其正被考慮加入到電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的電池使用中。很多

21、最近的電池發(fā)展考慮到對(duì)混合動(dòng)力汽車對(duì)應(yīng)高功率電池，對(duì)電動(dòng)汽車使用能量密度不高的電池。就像上部分所討論的，功率需求影響混合動(dòng)力汽車的電池規(guī)模多一些，而能量密度對(duì)它的影響就少多了。插電式混合動(dòng)力汽車的電池既需要高功率，也需要高能量密度。更不用說很多用于發(fā)展插電式混合動(dòng)力汽車電池的工作，但是它們的特性可能介于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車之間。</p><p>　　電池特性關(guān)于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車應(yīng)用的總結(jié)見表1。這些數(shù)據(jù)是

22、從一大堆資源[1]-[7]中收集到的。一般而言，混合動(dòng)力汽車的電池的相關(guān)資訊比電動(dòng)汽車的要新一點(diǎn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)最新的電池發(fā)展都是直接向著混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用而不是電動(dòng)汽車的應(yīng)用。根據(jù)數(shù)據(jù)表面來看，混合動(dòng)力汽車的電池和電動(dòng)汽車的電池相比在幾個(gè)方面上有所不同。首先，電動(dòng)汽車的電池單元的容量（安時(shí))考慮到要比混合動(dòng)力汽車的電池來得大。這是非常有必要的，因?yàn)檫@兩個(gè)系統(tǒng)的電壓是差不多的，但是混合動(dòng)力汽車上面的電池容量就要比電動(dòng)汽車的小很多。這也可以從

23、表1看出來，為混合動(dòng)力汽車而設(shè)計(jì)的電池其功率能力比電動(dòng)汽車要高得多。這項(xiàng)需求是直接來自于低重量的混合動(dòng)力汽車電池以及其在電池充放能量時(shí)的高效率。</p><p>　　表1 各種技術(shù)/類型電池在汽車（電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車）上應(yīng)用的特點(diǎn)</p><p>　　如前所述，電池要有高功率的能力就需要其電池內(nèi)阻很低。因此，電池內(nèi)阻的相關(guān)知識(shí)對(duì)于評(píng)估電池功率能力的大小是至關(guān)重要的。還要注意的是混合動(dòng)力

24、汽車電池的能量密度顯然要低于相同化學(xué)成分的電動(dòng)汽車電池。例如，電動(dòng)汽車的鋰電池能量密度可以達(dá)到100-150瓦時(shí)/千克，而混合動(dòng)力汽車的電池是60-75瓦時(shí)/千克。能量密度和功率密度之間的權(quán)衡是在一些特殊汽車電池優(yōu)化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵特點(diǎn)。</p><p>　　目前為止還沒有專門為插電式混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)的可用電池。理想情況下，這樣的電池需要接近于電動(dòng)汽車的能量密度和接近于混合動(dòng)力汽車的功率密度。插電式混合動(dòng)力汽車的電池

25、大小會(huì)比電動(dòng)汽車的小，因?yàn)樗娜萘看蠖嘣O(shè)計(jì)為電動(dòng)汽車的1/3-1/4。插電式混合動(dòng)力汽車必須被設(shè)計(jì)成深放電，長(zhǎng)循環(huán)壽命，而不像其他混合動(dòng)力汽車那樣設(shè)計(jì)成淺放電。因此，插電式混合動(dòng)力汽車的電池特性相對(duì)普通混合動(dòng)力汽車更接近于電動(dòng)汽車，但是比電動(dòng)汽車具有更高的功率。關(guān)鍵問題是增加了電動(dòng)汽車電池的功率密度同時(shí)會(huì)犧牲較小的循環(huán)壽命。這對(duì)于插電式混合動(dòng)力汽車而言，在相對(duì)較短的全電動(dòng)范圍里確實(shí)是一個(gè)問題。</p><p>　

26、　2）超級(jí)電容器：超級(jí)電容器在汽車上的應(yīng)用是在1990年以后開始發(fā)展的。大多數(shù)的發(fā)展用的都是微孔電極做的雙層碳電容器。從這項(xiàng)工作一開始，就有兩個(gè)被要求達(dá)到的目標(biāo)，分別是至少5瓦時(shí)/千克的能量密度和放電時(shí)較高的功率密度[8]。循環(huán)壽命至少500000次深放電。為了證明超級(jí)電容器的發(fā)展是一項(xiàng)和高功率電池完全不同的技術(shù)，電容器的功率和循環(huán)壽命特點(diǎn)要比高功率電池好很多，因?yàn)殡娙萜鞯哪芰棵芏缺入姵匾俚枚?。近來，有關(guān)于超級(jí)電容器的研究[9]-[1

27、1]是說用電容或者電池的材料做成其中一個(gè)電極，而另外一個(gè)電極使用微孔碳。這項(xiàng)工作要做的就是提高設(shè)備的能量密度。</p><p>　　目前在一些公司——瑪克斯韋爾、內(nèi)斯、愛普科斯、日本化工[12]-[14]已經(jīng)有可用的商業(yè)化碳設(shè)備。</p><p>　　表格2 碳超級(jí)電容器的特性</p><p>　　所有這些公司市場(chǎng)的大型設(shè)備容量在1000-5000法之間。這些設(shè)備適

28、合于高功率汽車的應(yīng)用。一些設(shè)備的性能表現(xiàn)在表2中給出了。顯示的能量密度（瓦時(shí)/千克）對(duì)應(yīng)于設(shè)備的有用功，設(shè)備是基于之間恒功率放電測(cè)試。峰值功率密度通過對(duì)應(yīng)的阻抗和95%的有效脈沖給出。對(duì)于大多數(shù)超級(jí)電容器的應(yīng)用，高效率的功率密度是該設(shè)備的功率能力的適當(dāng)衡量。對(duì)于大型的設(shè)備，能量密度在大多數(shù)可用的設(shè)備中是3.5-4.5瓦時(shí)/千克，95%的能量密度在800-1200瓦/千克之間。近年來，設(shè)備的能量密度通過碳/雙層碳的技術(shù)逐漸上升，通過乙腈作

29、為電解液，電池的端電壓也上升到了2.7伏。目前的超級(jí)電容器性能適合于使用引擎或者燃料電池作為初級(jí)能量轉(zhuǎn)換器的輕度混合動(dòng)力汽車。輕度混合動(dòng)力汽車是指即使能量存儲(chǔ)單元被耗盡時(shí)，引擎和燃料電池的功率也足夠大，能提供令人滿意的性能表現(xiàn)。超級(jí)電容器單元的大小是由能量?jī)?chǔ)存需求（75-150瓦時(shí)）來決定的。超級(jí)電容器的功率密度能力能達(dá)到最大功率75-150瓦，使得其超過動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的電力需求。超級(jí)電容器不適合作為插電式混合動(dòng)力汽車的初級(jí)能量?jī)?chǔ)存，但是

30、被證明可以和電池結(jié)合用于較短的全電動(dòng)范圍的插電式混合</p><p>　　III.電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的仿真結(jié)果</p><p>　　A.車輛設(shè)計(jì)方案比較的基礎(chǔ)</p><p>　　仿真結(jié)果寫在本文下面關(guān)于電動(dòng)汽車電池的部分，充電保持型混合動(dòng)力汽車使用電池和超級(jí)電容器，插電式混合動(dòng)力汽車使用電池和氫燃料電池來驅(qū)動(dòng)汽車。所有的汽車將被設(shè)計(jì)為具有相同的加速性能，使

31、得設(shè)計(jì)方案比較關(guān)鍵的方法是每公里總能耗（效率）和插電式混合動(dòng)力汽車的多少能量可以作為是電網(wǎng)電力。引擎驅(qū)動(dòng)的汽車將會(huì)在有效燃油經(jīng)濟(jì)消耗率的基礎(chǔ)上比較。引擎和燃料電池驅(qū)動(dòng)的汽車是在相當(dāng)于用汽油和氫燃料作為等效燃油經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上進(jìn)行比較的。</p><p><b>　　B.仿真方法和工具</b></p><p>　　很多汽車的類型和設(shè)計(jì)都是通過用于混合汽車的仿真軟件ADVI

32、SOR[15]來做的，SIMPLEV項(xiàng)目在愛達(dá)荷州國(guó)立工程圖書館開發(fā)用于車輛的電池和燃料電池。燃料電池車的幾個(gè)模擬結(jié)果通過加州大學(xué)戴維斯分校的建模方案而提出的。在適當(dāng)?shù)那闆r下，不同的仿真工具得到的結(jié)果和文獻(xiàn)的模擬結(jié)果相互比較。在所有的情況下，比較了車輛的統(tǒng)一特性（測(cè)試重量、風(fēng)阻系數(shù)、滾動(dòng)阻力系數(shù)）。結(jié)果是依據(jù)假設(shè)所提出來的關(guān)于傳動(dòng)部件的特點(diǎn)和運(yùn)作的控制策略。尤其對(duì)引擎驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力汽車特別真實(shí)。關(guān)于建模的細(xì)節(jié)，在引用和參考里，這里不再重

33、復(fù)使用了。</p><p>　　表格3 電動(dòng)汽車鋰電池的特性</p><p>　　傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，如能量存儲(chǔ)（千瓦時(shí)）和電動(dòng)馬達(dá)以及發(fā)動(dòng)機(jī)/燃料電池功率（千瓦）將在汽車仿真結(jié)果中被引述。</p><p>　　C.純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車</p><p>　　第一組仿真結(jié)果的討論時(shí)電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車。這些設(shè)計(jì)方案都允許電網(wǎng)電

34、力全部或大部分替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛使用液體燃料。電池供電的車輛需要有活動(dòng)范圍限制，而電池的充電時(shí)間很長(zhǎng)（6-8小時(shí)）。插電式混合動(dòng)力汽車就克服了電動(dòng)汽車的這個(gè)范圍限制。兩種使用鋰電池的電動(dòng)汽車的仿真結(jié)果在表3表4中給出了。兩種車輛擁有大約240千米的范圍，其中電動(dòng)汽車甚至是使用了最適合最大的鋰電池（140瓦時(shí)/千克）。里程較短的車輛可以設(shè)計(jì)成更小的電池包。</p><p>　　下面，考慮通過ADVISOR獲得

35、的仿真結(jié)果。這個(gè)車當(dāng)做一輛下降20%的電動(dòng)汽車使用，也可以作為一輛充電保持并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車。用在插電式混合動(dòng)力汽車上的鋰電池重量是裝在電動(dòng)汽車上的1/3。一輛緊湊型轎車的仿真結(jié)果總結(jié)在圖1、表格5和表格6。</p><p>　　插電式混合動(dòng)力汽車的仿真結(jié)果表明，即使是在較長(zhǎng)的日常行駛范圍里，他們的燃油消耗率（汽油）也可以非常高，因?yàn)樗麄兛梢允褂靡淮蟛糠值碾娏泶嫫偷南摹＿@個(gè)可以使用相對(duì)較小的電池組（就98

36、千克的緊湊型車仿真而言）。</p><p>　　D.充電保持混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電池和超級(jí)電容器</p><p>　　模擬還進(jìn)行了混合動(dòng)力汽車幾乎為全零電范圍的情況。該電力傳動(dòng)系統(tǒng)是被來更加有效的運(yùn)行引擎和制動(dòng)能量的回收。在這些汽車的設(shè)計(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)是工作在開—關(guān)模式下，但是他并不是關(guān)閉了很長(zhǎng)的時(shí)間。該電能存儲(chǔ)單元沒有充電網(wǎng)格，但他發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率維持在一個(gè)指定的充電狀態(tài)。因此這些混合動(dòng)力汽車

37、只能用汽油（或者其他燃料）。</p><p>　　能量存儲(chǔ)單元和能量存儲(chǔ)是比較小的，而且存儲(chǔ)單元的大小是由功率需求來決定的。能量存儲(chǔ)單元可以是電池或者超級(jí)電容器?，F(xiàn)在，這種類型的所有混合動(dòng)力汽車被各大汽車公司市場(chǎng)化，用的都是鎳氫電池。先前使用鋰電池的車輛正在被測(cè)試，可能會(huì)在不久的將來上市。超級(jí)電容器正在被考慮使用到充電保持混合動(dòng)力汽車上。但是只有有限的工作被納入到了實(shí)際的混合汽車中[18]-[20]。仿真將給出充

38、電保持混合動(dòng)力汽車使用電池和電容器的結(jié)果。</p><p>　　表4 鋰電池電動(dòng)汽車的仿真結(jié)果</p><p>　　設(shè)計(jì)這樣的汽車中考慮的一個(gè)關(guān)鍵問題是電力傳動(dòng)系統(tǒng)（馬達(dá)）的最大功率能力和引擎相對(duì)應(yīng)的功率大小。如果電機(jī)的功率較大（50千瓦或者更大），那么該引擎可以精簡(jiǎn)，該混合動(dòng)力汽車稱為全混合動(dòng)力汽車。如果電動(dòng)馬達(dá)的功率很?。ㄉ儆?0千瓦），那么該引擎并沒有較大的縮減，這種混合可以被稱為“

39、輕度或者中度）混合動(dòng)力汽車。電池可以使用在任何全混合動(dòng)力汽車或者輕度混合動(dòng)力汽車上，而超級(jí)電容器只適合于輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，只有在能量存儲(chǔ)需求上相對(duì)較?。?5—150瓦可用能源）。仿真結(jié)果將對(duì)各方案的燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，還可以使用各種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行預(yù)期改進(jìn)。一般情況下，使用全混合動(dòng)力汽車的方案的燃油經(jīng)濟(jì)性提高非常大，但是這些混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)的成本花費(fèi)比輕度混合動(dòng)力汽車要高的多。因此，比較這兩種方法之間的燃油經(jīng)濟(jì)性的改善非常有意思。

40、</p><p>　　這些本文的仿真結(jié)果直接取自于[21]-[24]。這些資料通過各種方法對(duì)充電保持混合動(dòng)力汽車進(jìn)行了詳細(xì)的研究分析。這些報(bào)告的主要研究結(jié)論是：1）使用輕度混合動(dòng)力汽車可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性40%-50%，而動(dòng)力系統(tǒng)相對(duì)較低的花費(fèi)使得比全混合動(dòng)力汽車更有效率。2）利用超級(jí)電容器作為能量?jī)?chǔ)存可以比電池提高10%-15%的燃油經(jīng)濟(jì)性，即使是高功率的鋰電池。第二個(gè)結(jié)論的可行性取決于超級(jí)電容器成本在0.25-

41、0.5美分每法拉[25]，[26]的持續(xù)減少。無論使用什么設(shè)計(jì)方法，仿真結(jié)果表明充電保持混合動(dòng)力汽車在所有使用汽油或者柴油的汽車中有著大幅度提高燃油經(jīng)濟(jì)性的吸引人的方式。</p><p>　　以上討論的結(jié)果可以通過[21]-[24]給出的額外的仿真來說明其合理性。首先，考慮了各種大小車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)類型的全混合動(dòng)力和輕度混合的比較。仿真結(jié)果和由此得出的經(jīng)濟(jì)性比較在表7-10給出[21]-[22]。這些結(jié)果顯示了通過多

42、尺寸和發(fā)動(dòng)機(jī)類型的充電保持混合動(dòng)力汽車試驗(yàn)可以提高大幅度的燃油經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于全混合動(dòng)力汽車和輕度混合動(dòng)力汽車在燃油經(jīng)濟(jì)性和車輛成本花費(fèi)上的總結(jié)在圖2。權(quán)衡的百分比在獨(dú)立的汽車種類中是必須的。注意下輕度混合動(dòng)力汽車和全混合動(dòng)力汽車的曲線斜率表明輕度混合動(dòng)車比全混合動(dòng)力汽車的花費(fèi)效率更高。</p><p>　　表5 插電式混合動(dòng)力汽車FUDS循環(huán)仿真結(jié)果</p><p>　　表6 緊湊型插電式混

43、合動(dòng)力汽車在美國(guó)聯(lián)邦公路上的仿真結(jié)果</p><p>　　表7 不同設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車的特點(diǎn)</p><p>　　圖1.ADVISOR關(guān)于插電式混合動(dòng)力汽車在FUDS的輸出（緊湊型轎車）</p><p>　　接下來，要考慮在輕度混合動(dòng)力汽車上使用超級(jí)電容器。這種設(shè)計(jì)在[23]和[24]中已經(jīng)被分析了。評(píng)估超級(jí)電容器在混合動(dòng)力汽車上使用的關(guān)鍵問題是建立能量存儲(chǔ)的需求。

44、如果存儲(chǔ)容量太大，重量、體積和花費(fèi)就會(huì)太高使得超級(jí)電容器不能和電池相比，尤其是鋰電池。能源需求對(duì)于混合動(dòng)力汽車的控制策略是至關(guān)重要的。在[23]和[24]中，顯示了控制策略可以使用一種“鋸齒”策略，是指和一些列混合動(dòng)力汽車相似在全電模式和發(fā)動(dòng)機(jī)模式下繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。這種控制策略允許發(fā)動(dòng)機(jī)工作在較高的效率，該動(dòng)力既驅(qū)動(dòng)了車輛還對(duì)超級(jí)電容器充電。使用了這種策略的混合動(dòng)力汽車的模擬輸出在圖3。請(qǐng)注意超級(jí)電容器在充電狀態(tài)是完全充電和近50%時(shí)使用了這

45、種策略的FUDS駕駛循環(huán)。</p><p>　　該發(fā)動(dòng)機(jī)的相應(yīng)操作顯示在了圖4中。請(qǐng)注意發(fā)動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間工作在高效率（這個(gè)例子的平均能效是29%）。超級(jí)電容器的規(guī)模大小應(yīng)該被規(guī)定，使得發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)之間的時(shí)間不是太短。仿真結(jié)果表明對(duì)于FUDS和聯(lián)邦公路循環(huán)，能量存儲(chǔ)時(shí)100瓦時(shí)可用能量的中等汽車至少可以保持開關(guān)時(shí)間在30s以上。引擎在一個(gè)FUDS部分循環(huán)情況在圖5中。</p><p>　　表8

46、 使用PFI汽油機(jī)汽車的基本特性</p><p>　　幾種超級(jí)電容器和電動(dòng)馬達(dá)結(jié)合的中等汽車（測(cè)試重量1680千克）仿真結(jié)果見表格11。注意燃油經(jīng)濟(jì)性相比超級(jí)電容器單元的大?。ㄖ亓亢湍芰看鎯?chǔ)）更依賴于電動(dòng)馬達(dá)的功率。因此對(duì)于中型客車，電動(dòng)傳動(dòng)系應(yīng)該有一個(gè)大小為30千瓦峰值功率，但是超級(jí)電容器的能量存儲(chǔ)需求則不必大于100瓦時(shí)。從使用麥克斯韋商業(yè)電容器的仿真表明在FUDS和高速公路駕駛循環(huán)中平均電容器的使用效率大于

47、92%，即使是在電容器深放電到50%（一般的額定電壓）。鋸齒策略是用來減少能量存儲(chǔ)的需求使得其相比電池更加適合超級(jí)電容器，因?yàn)槌?jí)電容器的低電阻和高效率。這種策略比其他策略擁有更高的發(fā)動(dòng)機(jī)效率，但是相比于輕度混合動(dòng)力汽車的一般控制策略，其對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的要求較高。這是因?yàn)橛幸淮蟛糠帜芰坑糜隍?qū)動(dòng)汽車，通過使用鋸齒策略可以大幅度提高引擎的效率。要在輕度混合動(dòng)力汽車上得到燃油經(jīng)濟(jì)性的提高，需要引擎在關(guān)閉模式或者效率最低的時(shí)候不要激發(fā)。影響發(fā)動(dòng)

48、機(jī)在燃油經(jīng)濟(jì)性的提高在文[24]中有研究。表格12顯示的結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦力的影響是非常重要的，但是燃油經(jīng)濟(jì)性等級(jí)的提升還是保持在較大值。</p><p><b>　　E.燃料電池汽車</b></p><p>　　人們普遍認(rèn)為做有效的方法就是使用燃料，尤其是氫，傳統(tǒng)的汽車是直接將燃料電池轉(zhuǎn)換成電能 。燃料電池汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)汽車類似，而是將電池取代為燃料電池和氫儲(chǔ)

49、能單元（見圖6）。這個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)是用于混合動(dòng)力的設(shè)計(jì)，燃料電池可以負(fù)載使用小的電池或者超級(jí)電容器，非常像充電保持混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。</p><p>　　氫能源的存儲(chǔ)相比于電池要大的多。例如，3千克的氫相當(dāng)于3加侖的汽油或者100千瓦時(shí)。對(duì)于一輛客車，它就可以比電池多存儲(chǔ)能量。燃料電池的運(yùn)行特性和電池在一些參數(shù)電壓，電流和電阻上是相似的。該燃料電池有大約1.2伏的開環(huán)電壓，隨著電池?cái)?shù)的增加，電壓和電流也會(huì)減少。用氫和

50、空氣的PEM燃料電池[25],[26]的伏安特性在圖7。單元和系統(tǒng)效率也被顯示在了圖上。注意燃料電池的效率要高于內(nèi)燃機(jī)，最高時(shí)是在低功率（小電流）而不是相對(duì)高功率的發(fā)動(dòng)機(jī)。燃料電池具有高效率使得在相同尺寸和性能表現(xiàn)下，其燃油經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于汽油汽車。燃料電池汽車的一個(gè)關(guān)鍵問題是在同等的燃油經(jīng)濟(jì)性下，燃料電池的基準(zhǔn)會(huì)比汽油高。大多數(shù)燃料電池的研究關(guān)于氫的需求都是假設(shè)提高了2-3倍?？紤]到測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果是否支持這種假設(shè)是有意義的。和這個(gè)最

51、相關(guān)最近（2006）的可用數(shù)據(jù)是本田FCX汽車[27]，在表13中給出了。基于城市/高速公路循環(huán)的燃油經(jīng)濟(jì)性（25/34mpg)基本線為基礎(chǔ)，F(xiàn)CX在2005年城市循環(huán)中提高了2.5倍，高速公路上提高了1.5倍，平均為提高了2倍。燃料電動(dòng)汽車的仿真結(jié)果基本是一致的，只是略微超過了本田FCX的測(cè)</p><p>　　表格9 車輛輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)的使用屬性</p><p>　　表10 全混合動(dòng)

52、力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的使用屬性</p><p>　　圖2 燃油經(jīng)濟(jì)性和成本花費(fèi)在輕度混合動(dòng)力汽車和全混合動(dòng)力汽車之間的權(quán)衡</p><p>　　圖3 鋸齒策略在FUDS循環(huán)的特性</p><p>　　圖4 鋸齒策略在FUDS循環(huán)下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行圖</p><p>　　圖5 通過鋸齒策略在FUDS循環(huán)下的發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)運(yùn)行情況</p><

53、p>　　表11 在緊湊型轎車上使用鋸齒策略和超級(jí)電容器的仿真結(jié)果總結(jié)</p><p>　　表12 發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響</p><p>　　圖6 燃料電池汽車傳動(dòng)方案示意圖</p><p>　　圖7 PEM燃料電池的單位和系統(tǒng)特性</p><p>　　表13 美國(guó)燃料環(huán)保署對(duì)本田FCV評(píng)級(jí)</p><p>

54、;　　表14基于仿真結(jié)果燃料電池車在燃油經(jīng)濟(jì)性的改進(jìn)（中等客車）</p><p><b>　　IV.總結(jié)</b></p><p>　　電池和超級(jí)電容器的儲(chǔ)能單元在電動(dòng)汽車、充電保持混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車已經(jīng)被詳細(xì)的討論了。內(nèi)燃機(jī)和氫燃料電池作為初級(jí)能源轉(zhuǎn)換也計(jì)算比較了。研究中，鋰電池和碳超級(jí)電容器很有可能作為能量?jī)?chǔ)存單元用在未來的汽車上。在汽車上應(yīng)用上的設(shè)計(jì)

55、需求都和現(xiàn)在的能量存儲(chǔ)現(xiàn)狀進(jìn)行了比較和討論。對(duì)多種電動(dòng)混合動(dòng)力和插電式混合動(dòng)力汽車以及傳動(dòng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果呈現(xiàn)了在城市和高速公路駕駛循環(huán)中能量的消耗，燃油經(jīng)濟(jì)性，用電量。這項(xiàng)研究的結(jié)果可以總結(jié)為如下。</p><p>　　1）電池和超級(jí)電容器的的能量密度和功率密度對(duì)于設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和插電式混合動(dòng)力汽車而言是很有吸引力的。對(duì)于這個(gè)技術(shù)最關(guān)心的是它的循環(huán)壽命和成本花費(fèi)。</p>

56、<p>　　2）鋰電池電動(dòng)汽車只要搭配了合適的電池組就可以達(dá)到范圍為240千米。這些汽車的加速性能會(huì)比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車更有競(jìng)爭(zhēng)力。</p><p>　　3）持續(xù)充電，引擎供電的混合動(dòng)力汽車可以被設(shè)計(jì)成使用電池組或者超級(jí)電容器，從而提高了燃油經(jīng)濟(jì)性50%甚至更高。全混合電動(dòng)汽車可以使用減規(guī)模的引擎和相對(duì)較大的電動(dòng)機(jī)來獲得最大的燃油經(jīng)濟(jì)性。這些汽車會(huì)使用由功率大小來決定的電池（鎳氫電池或者鋰電池），并在中

57、等狀態(tài)下淺放電。</p><p>　　4）插電式混合動(dòng)力汽車使用相對(duì)較小的鋰電池可以被設(shè)計(jì)成30-60千米的全電動(dòng)范圍。插電式混合動(dòng)力汽車在日常的驅(qū)動(dòng)范圍（80-150千米）里燃油經(jīng)濟(jì)性可以非常高（基于汽油機(jī)大于100mpg），使得大部分的能量（大于75%）用電流的形式驅(qū)動(dòng)汽車。</p><p>　　5）輕度混合動(dòng)力汽車可以設(shè)計(jì)成使用容量為75-150瓦時(shí)的超級(jí)電容器。仿真結(jié)果表明，在城市

58、駕駛中使用鋸齒策略可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性40%-50%。超級(jí)電容器的燃油經(jīng)濟(jì)性要比同質(zhì)量的電池組高10%-15%，因?yàn)槌?jí)電容器的高效率和更有效率的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。</p><p>　　6)燃料電池供能的混合動(dòng)力汽車也可以使用電池或者超級(jí)電容器作為能量存儲(chǔ)。仿真結(jié)果顯示燃料電池的等效燃油經(jīng)濟(jì)性比同質(zhì)量和負(fù)載的內(nèi)燃機(jī)汽車要高2-3倍。相比于一引擎驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力汽車，燃料電池的等效燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)是1.67-2.0倍甚至更高。這

59、些燃油經(jīng)濟(jì)性的改善因素并不包括初級(jí)能源中的氫效率。</p><p>　　tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1D

60、kaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7