车用电池模型研究

车用电池模型研究（共5篇）

车用电池模型研究 篇1

引言

当今随着人们生活水平的提高、生活节奏的加快、石油价格的居高不下以及环保意识的增强,电动车正在逐渐取代摩托车,成为人们首选的交通工具。对电动车的研究也日益受到人们的重视和关注,经过人们的不断探索,作为电动车的其它几个核心部件如电动机、控制器、车体,在理论上和技术上都已取得重大突破,相对比较成熟,但另外两个核心部件——蓄电池和充电器还很不理想,还有待理论突破和技术攻关。而蓄电池和充电器不尽如人意,在很大程度上又与蓄电池的选取及充电方法息息相关,在某种意义上可以说,它们现已成为制约电动车快速发展的瓶颈。

电动车用动力蓄电池与一般蓄电池相比,还有所不同,主要表现在:它以较长时间中等电流持续放电为主,间或以大电流放电,用于启动、加速或爬坡。一般来说,电动车用蓄电池多工作在深度充放电状态。大量研究还表明,电池充电过程对电池寿命影响最大,放电过程的影响较小。也就是说,绝大多数的蓄电池不是用坏的,而是“充坏”的。正确的充电方法对提高蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用,因此,选取一种合理的电动车用蓄电池及充电方法,不仅具有重要的理论意义,还具有深远的现实意义。

目前常用的充电方法主要有恒压、恒流、阶段恒流、浮充和快速充电方法等。虽然近年来充电技术得到了较快的发展,但是还不够完善,各种方法都不是很理想。因此,针对当前电动车用蓄电池的选取及充电方法现状,提出了一种较理想的方法:铅酸蓄电池三阶段充电法,这种方法有很多优点,它避免了恒压充电法开始充电电流过大,而后期电流又过小的缺点,比二阶段恒流充电在中间阶段更接近充电电流接受率曲线,减少了充电时的出气量,克服了蓄电池充电充不满的毛病,还能大大延长蓄电池的使用寿命,减少环境污染。

1、电动车用二次电池的选取方法研究[1]

1.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池历史最悠久,目前应用依然十分广泛。其放电工作电压较平稳,既可以小电流放电,也可以很大的电流放电;工作温度范围宽;这种电池技术成熟,成本低廉,跟随负荷输出特性好。缺点是重量大,铅酸蓄电池重量与其额定容量的比值低,需要维护,充电速度慢。

1.2 镉镍电池

镉镍电池也是一种历史悠久和应用广泛的二次电池,具有优良的大电流放电性能,工作温度范围宽,过充电性能好,可靠性高,充放电次数多、工作寿命长、长期不用也不影响寿命、可靠耐久、容易使用等特点。缺点是镉材料较贵和对环境污染较大;具有记忆效应;充电要求恒流充电,

1.3 镍氢电池

镍氢电池生产、使用的历史较短,是一种新型的电池,有时又称为储氢电池。其具有能量高,充放电性能好,可随充随放、快充深放,无记忆效应,不含镉、铅、汞等有害物质,对环境无污染,属于绿色电池。充电要求恒流充电。

1.4 锂离子电池

锂离子电池是继镍氢电池后研发的一种新型二次电池。具有能量密度大、电压高,放电曲线平稳,自放电率低,循环寿命长,无记忆效应,无污染,容易实现小型化、袖珍化,但成本较高。充电要求以恒流转恒压方式进行充电。

通过对上述几种主要二次电池的比较,既考虑到电动车的工况、又考虑到环境、价格等因数,铅酸蓄电池应该是电动车电池的首选。

2、常规充电方法[1]

2.1 恒流充电法和准恒流充电法

恒流充电法是指:蓄电池在充电过程中,充电电流始终保持不变的充电方法。采用此法对蓄电池充电需要一个直流恒流电源,即恒流充电器。该充电法虽然具有较高的充电效率,但由于直流恒流电源制造成本高,并且制造高精度直流恒流电源难度更大,所以在实际工作中,恒流充电采用很少。

准恒流充电法:是通过在直流电源和电池之间串联上一个电位器,以增加电路内阻来产生恒定电流。具有结构简单、成本低廉的特点。

若仅从时间上考虑,采用此法是有利的。但实际情况不是这样的,因为在充电后期若充电电流仍不变,这时由于大部分电流用于电解水上,导致析氢、析氧现象严重,电解液温度急剧上升,这不仅消耗电能,而且容易使极板上的活性物质大量脱落,造成极板弯曲,蓄电池容量迅速下降等而提前报废。所以,这两种充电方法不适合电动车用蓄电池的充电。

2.2 恒压充电法和有固定电阻的恒压充电

恒压充电法是指:蓄电池在充电过程中,充电电压始终保持不变的充电方法。恒压充电法存在的问题:充电初期充电电流相当大,大大超过正常的充电电流值;充电后期,当蓄电池端电压和充电电源电压接近或相等时,充电电流减至最小甚至为零。虽然采用恒压充电法可以避免充电后期充电电流过大而造成极板活性物质脱落和电能的损失,但存在充电初期充电电流过大,电极活性物质体积变化收缩太快,影响活性物质的机械强度,致使其脱落的致命不足。几年前,国内的电动车生产厂家很多都是采用该充电方式。经过不断的实践探索,发现该充电方法虽然可以用于电动车用铅酸蓄电池的充电,但不是很理想。

2.3 阶段等流充电法

阶段恒流充电法是指:蓄电池在充电初期用较大的电流,经过一段时间改用较小的电流,至充电后期改用更小的电流,即不同阶段内以不同的电流进行恒流充电的方法。阶段恒流充电法,一般可分为两阶段进行,也可分为多阶段进行。

阶段等流充电法所需充电时间较短,充电效果较好。可减少气泡对极板活性物质的冲刷,减少活性物质的脱落,可适当延长蓄电池使用寿命,可节省一定的电能,是当前常用的一种充电方法。

2.4 阶段等压充电法

阶段等压充电法是指:蓄电池在不同的充电阶段,采用不同的充电电源电压的充电方法。阶段等压充电法克服了一般恒压充电法的缺点,发扬了一般恒压充电法的优点。阶段等压充电法,一般可分为两阶段进行,也可分为多阶段进行。该充电方式能有效地避免蓄电池过充。虽不是很完善,但在目前的电动车蓄电池充电中,时有采用。

2.5 浮充电法

间歇使用的蓄电池或仅在交流电停电时才使用的蓄电池,其充电方式为浮充电式。一些特殊场合使用的固定型蓄电池一般均采用浮充电方法对蓄电池进行充电。显然该充电方式作为电动车用蓄电池的充电方式不合适。

3、快速充电方法[2]

蓄电池的快速充电方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的,目的就是使其充电曲线尽可能地逼近最佳充电曲线。目前比较流行的快速充电方法有:

3.1 脉冲式充电法

脉冲式充电方法是:首先采用脉冲电流对电池充电,然后让电池停充一段时间,如此循环。充电脉冲使蓄电池充满电量,而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉,使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除,从而减轻了蓄电池的内压,使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行,使蓄电池可以吸收更多的电量。目前,脉冲式充电法具有许多的分支,有着较广泛的应用,但结构较复杂,成本较高。

3.2 Reflex TM快速充电法

这种充电技术是美国的一项专利技术,它主要是针对镍镉电池而言的,解决了镍镉电池的记忆效应,虽然对铅酸电池有很大的借鉴作用,但还是有较大的差别。因为电动车主要采用密闭式铅酸电池,所以此法对电动车电池充电并不合适。

3.3 变电流间歇充电法

这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上,克服了恒流充电和脉冲充电各自的缺点,将两者的优点结合起来了,是一种比较好的充电方法,但是较复杂。

3.4 变电压间歇充电法

这种充电方法是在变电流间歇充电法的基础上发展起来的,与变电流间歇充电法不同之处在于第一阶段的不是间歇电流,而是间歇电压。在每个恒压阶段,由于是恒压充电,充电电流自然按照指数规律下降,符合蓄电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。且变电压比变电流更加方便、更加容易实现,但成本较高。

3.5 变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法

综合脉冲充电法、Reflex TM快速充电法、变电流间歇充电法和变电压间歇充电法的优点,变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法得到发展应用。该方式电路较复杂,成本较高,用于电动车电池充电暂且不合适。

4、电动车用铅酸蓄电池理想充电方法的探讨——三阶段充电法

目前有的电动车蓄电池充电采用阶段恒流充电法。如:有的采用恒流两阶段充电法,有的采用恒流一阶段充电法。但这两种充电法在充电过程中,都存在远离充电电流接受率曲线的现象,通过理论推导和实践证明:三阶段充电法更符合电动车充电的要求。

三阶段充电法是恒流充电法和恒压充电法相结合的方式。它克服了两者的缺点,发扬了两者的优点。具体过程如下:充电开始和结束阶段采用恒流充电,中间阶段采用恒压充电。蓄电池在充电初期采用较大的电流,经过一段时间后改为恒压充电,当电流衰减到预定值时,由第二阶段切换到第三阶段。采用三阶段充电法的优点是:避免了恒压充电法开始充电电流过大,而后期电流又过小的情况,与两阶段等流充电法相比在中间阶段更接近充电电流接受率曲线α。这种充电法减少了充电出气量,充电既彻底,又延长了蓄电池使用寿命。该方法的关键是:控制好三个充电阶段的时间。三阶段充电法充电电流和充电电压变化曲线如图1所示。

(1)充电电流曲线(2)充电电压

5、结束语

本文对电动车用电池及其充电方法的选取进行了较详细的探讨,结合实际做了大量的实验,实践证明三阶段充电法对电动车用铅酸蓄电池充电,具有能更好地遵循充电电流接受率曲线,减少充电出气量,克服蓄电池充电充不满的毛病,还能大大延长蓄电池的使用寿命,减少环境污染等诸多优点,具有重要的理论和实践价值。

参考文献

[1]周志敏,周纪海,纪爱华.充电器电路设计与应用[M].北京:人民邮电出版社.2005.10(1—13)

[2]国外快速充电资料选编.上海科学技术文献出版社.1985(.16-30)

车用燃料电池产业备受瞩目 篇2

随着原油价格持续向上攀升的市场态势, 车用燃料面临着巨大的成本压力, 同时汽车燃烧汽油、柴油造成的环境污染, 也备受世人关注。诸如类此问题, 一时间对车用代用燃料的研究与开发, 成为业内人士高度重视的热门课题, 也使人们对其应用与推广加快了步伐。车用代用燃料是指除汽油和柴油之外的各种燃料, 就目前而言, 这类车用代用燃料包括液化石油气、天然气、甲醇、乙醇、醚类、生物质柴油、氢燃料、燃料电池等。纵观上述种种车用代用燃料, 除氢能燃料电池外, 其它车代用燃料, 均存在着各种不同的局限性或弊端, 而制约着它们的应用前景。然而, 氢能和燃料电池这类车用代用燃料, 由于其具有的独特优势, 备受人们瞩目。如氢能, 除了可以通过化石能源制备之外, 还可由生物能、风能、太阳能、水利能等可再生能源或者核能转化而来。我们从其能源的易得性、可再生性以及安全环保性来看, 将是其他汽车代用燃料所不能企及的。氢能作为载能体逐渐替代石油是人们提出的“后石油时代”移动能源的解决方案之一。而燃料电池是氢的理想转化装置, 是氢能利用的关键技术。因此, 燃料电池以其绝对优势将会在未来汽车代用燃料的发展中异军突起。

近十余年来, 燃料电池产业获得了世界各国的高度重视, 其技术得到了飞速的发展, 产业规模日益持续扩大。据调查统计, 2005年全球燃料电池应用系统已达到14500个, 相比2004年增加了32%, 与此同时, 全球燃料电池的推广应用得到迅速增长, 氢能燃料站也相继持续增加。随着燃料电池成本的不断下降以及技术成熟度的增强, 预计到2010年左右, 燃料电池在价格上将具备与内燃机竞争的能力。届时, 美国市场上以燃料电池为动力的机动车将占美国汽车市场4%的份额, 日本和西欧燃料电池汽车将分别占市场份额的4.5%和3.7%, 到2020年, 燃料电池汽车将占世界汽车市场的25%。当前, 燃料电池汽车市场虽还不大, 美国2002年为225万美元, 但以后5年内, 年均增长率为84%, 2007年达到4760万美元。车载燃料电池组件市场现为12000万美元, 但今后5年内, 预计年均增长率为91%。据预测, 全球汽车燃料电池市场将从2008年6亿美元增加到2013年100亿美元。长期以来, 我国燃料电池产业受到国家的高度重视, 从“九五”、“十五”及现在的“十一五”, 每年都投入大量资金进行相关的研究开发工作。经过多年发展, 我国在燃料电池领域的技术水平已有大幅提升, 与国外相差无几, 这奠定了我国燃料电池行业未来商业化进程的基础。一直以来制约燃料电池商业化进程的最大阻碍便是成本。由于车用燃料电池主要是质子交换膜型燃料电池, 虽然它的综合热效率高达80%, 但是由于氢气的产生、储存、保管、运输和灌装或重整, 都比较复杂, 对安全性要求很高, 使得建站成本较大, 影响了氢气燃料站的快速布局, 从而制约了燃料电池汽车的推广;其次, 由于质子交换膜燃料电池需要用贵金属铂作为催化剂, 而铂造价持高不下, 一定程度上阻碍了其商业化应用的进程。但随着产业技术水平的不断提高, 制约燃料电池产业的成本瓶颈已经逐渐得以缓解。目前, 我国上海神力以其自主开发的常压运行的燃料电池技术优势与苏州金龙联合推出的氢燃料电池公交车的成本仅为国外进口车的1/5, 成本压力大大减轻, 推动了我国燃料电池汽车的发展。

更为重要的是, 我国燃料电池商业化推广的市场介入模式初步形成, 将主要以公交车和政府用车为切入点, 通过政府采购, 加快市场带动与应用。采用公交车的市场切入, 其主要考虑到公交车不仅可以大大提高汽车的装载使用效率, 而且可以最大程度上降低加氢站布点的成本问题, 至于政府用车主要是合理利用政府扶持政策。前不久, 国家发展与改革委员会颁布了2008年第29号公告, 在公布的第164批经审查批准的车型名单中, 一改之前新能源汽车只有混合动力轿车的局面, 上海大众的一款燃料电池轿车位列其中, 这给燃料电池产业带来了新的曙光, 毫无疑问, 将会得到业内人士的加倍关注。

车用电池模型研究 篇3

随着石油资源的日益匮乏和环境污染程度的加剧,迫使世界各国都着力于研发新能源清洁汽车,其中燃料电池汽车(fuel cell vehicle,FCV)倍受瞩目[1],FCV是零排放的新型环保车辆,由于省去了内燃机这个噪声源,取而代之的是风机和电机,人们期待它们更安静和舒适,因而风机和电机成为新的噪声源。由于风机噪声是燃料电池车外噪声的主要噪声源,叶轮在高速旋转中与流道中不均匀气体流场相互作用产生周期性变化激振力,这种激振力的频率与叶轮固有频率相等或成整数倍时,容易发生共振,从而会在风机进气口产生较大的噪声,而且可能导致叶轮破坏。

本文针对燃料电池车用旋涡风机存在进气口振动、噪声大等问题,对风机叶轮进行模态分析。先通过三维坐标仪对该旋涡风机叶轮曲面轮廓进行坐标测量,然后用CATIA软件进行三维建模,并利用有限元软件对叶轮进行模态分析,得出叶轮的各阶固有频率以及相应振型,并结合风机振动模态试验对试验结果进行验证,分析了可能产生的共振频率,从而为有效控制旋涡风机振动噪声等问题提供理论依据。

1 叶轮三维建模

由于实际的旋涡风机叶轮曲面不能用方程来描述,故采用精度很高的三维坐标仪测量出叶轮若干网点坐标数值,然后将扫描生成的点云导入C A T I A软件中进行数据处理,得到叶轮的几何模型。如图1所示。

2 叶轮模态分析

2.1 叶轮结构的动力特征方程

根据振动学理论,具有多自由度结构系统的动力方程可表示为:

式中:{δ}为单元节点位移;{}为单元节点速度;{}为单元节点加速度;[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度矩阵;{Q}为节点载荷列阵。

{Q}节点载荷列阵通常是时间的函数。对于不同的结构,可以选用不同的单元和形状函数矩阵,但动力方程的建立过程均相同。由于结构阻尼较小,对固有频率和振型的影响可忽略不计,由此可得到叶轮结构无阻尼振动方程:

在模态分析过程中,可以研究分析叶轮在无激振力作用下的自然属性。因此,取{Q}={0},则动力方程简化为:

其中wi、ψi、mi、ki分别为各阶模态下的固有频率、振型、质量和刚度,求解方程可以得到[2]。

2.2 材料属性和有限元模型建立

旋涡风机的叶轮设计要求如下:叶轮材料为6A02铝合金,其密度为2700kg/m3,泊松比取0.33,弹性模量取为70600N/mm2。旋涡风机的叶轮主要由轮盘和叶片组成,结构简单,但叶片的几何形状复杂,在空间中存在弯扭曲面。考虑到有限元分析对实际情况的模拟及计算的准确性和可行性,在导入有限元之前进行适当简化:1)叶轮轮盘轮毂密封齿轮处对叶轮整体模态分析影响较少,在模型中可不考虑;2)叶轮模型中可忽略各处的圆角和倒角;3)叶轮中焊接部位均作一体化链接处理[3]。

将CATIA建立修正后的旋涡风机叶轮实体模型导入ANSYS中,对其进行前处理[4],并采用自由方式划分单元网格,建立该风机叶轮有限元模型如图2所示。

模态分析时模态提取采用分块Block Lanczos方法,该方法计算精度高,计算速度比Subspace方法更快。在进行叶轮的振动频率和相应的模态计算分析时,由于高阶模态对振动噪声分析的贡献不大,不会对系统产生较大的影响,因此这里选取了叶轮的前6阶模态。单元类型为20节点实体SOLID95,叶轮单元数目为163074,节点数目为282123。

2.3 叶轮的模态计算

对于本模型,考虑到试验状况下叶轮通过一根柔软的橡胶绳悬吊,接近于自由状态下,因此在模态计算中对叶轮进行自由模态计算,提取前6阶模态结果,如表1所示。限于篇幅本文只列出典型的1阶、3阶、6阶振型图。如图3所示。

3 叶轮振动模态测试试验

为了验证所建立有限元模型的准确性,本文针对旋涡风机的叶轮进行模态测试,获得实际的模态频率,再与基于相同实验约束条件设定下的计算模拟结果作对比,以便获得准确的模型,确保在静态无应力的条件下有限元模型的准确,如图4所示。

本次试验所用的仪器是H e a d公司的SQlabIII(34通道)数据采集系统,加速度传感器为美国pcb公司生产的icp压电式加速度传感器,通过采用激振器单点激振多点拾振的方法,在叶轮的平面上共布置了24个测点。在LMS Test lab模态分析软件中运用人工建模的方法建立了叶轮模态工程的模型网格,如图5所示,并按照标准的模态分析流程建立模态分析系统[5]。叶轮在静止状态下进行人为激振,测量激振力与响应并采用双通道FFT分析,通过LMS Test lab软件的模态计算命令中的曲线拟合,获得其模态频率的幅频图,如图6所示,识别出风机叶轮的前6阶模态参数。

对照试验和仿真模态分析的前6阶结果,可以清楚的看到,叶轮的前3阶振型整体表现为沿轴向的前后摆动,后面几阶模态出现局部振型,说明叶轮各部位刚度存在不均匀的现象。如表1所示。叶轮在自由状态下,各阶仿真模态频率与试验固有频率相差甚微,因此可以认为所建立的叶轮模型的准确性,这也为旋涡风机振动噪声分析提供理论基础。

通过叶轮的模态振型分析可以确定叶轮结构振动形态及其薄弱部位。叶轮前6阶固有频率为600-3800HZ,由此可以计算出各阶临界转速。只要叶轮转速远离其临界转速,在工作过程中就会避免共振和产生较大的躁声。从叶轮振型图中可以找到应力集中区域,寻找到应力最大点,可以采取改变叶轮厚度,合理分配刚度,从而避免叶轮发生局部破坏。

4 结论

1)采用CATIA逆向造型得到叶轮三维几何模型,建立叶轮结构动力特征方程,通过有限元进行求解,得到叶轮的各阶固有频率和振型,同时根据各阶振型变化形态及应力集中区域,分析可能产生的共振。

2)根据求得的前6阶固有频率和振型,结合风机振动模态试验得到的模态参数,验证各阶试验模态和有限元计算结果相差甚微,在允许的5%误差范围内,因此建立的有限元模型是正确的,为风机气固耦合躁声的研究提供理论基础。

参考文献

[1]吴宪,徐庆华,陈昌明.燃料电池轿车底盘总布置智能化装配设计的实现[J].制造业自动化,2004(4):65-68.

[2]张锦.叶轮机振动模态分析理论及数值方法[M].北京:国防工业出版社,2001:142-152,334-337.

[3]张凤格,李惠彬,王国兵等.蜗轮增压器压气机叶片振动分析[J].躁声和振动控制,2003(6):13-15.

[4]博嘉科技.有限元分析软件-ANSYS融会与贯通[M].北京:中国水利出版社,2002.

车用蓄电池快速充电技术分析 篇4

电无空气污染, 这是众所周知的事情。用电能驱动的汽车, 无任何尾气排放, 这是我国汽车产业的发展目标。然而, 电能有多种载体和存在形态 (电能以化学能形态储存, 就是蓄电池, 该电能输入电动机驱动汽车行驶, 就是蓄电池汽车;以有线电力直接输入电动机驱动汽车行驶, 就是有线电力汽车;还有氢燃料电池汽车、超级电容汽车、太阳能电池汽车等多种汽车) , 到底选择哪种电能驱动汽车才能够最经济和实用?这是需要认真研究的问题。只有最经济和实用的电能驱动的汽车, 消费者才能够踊跃购买, 这种汽车产业才能够发展, 否则一事无成。

1 汽车蓄电池的发展方向

1.1 纯蓄电池驱动汽车行驶的优点

蓄电池驱动的轿车就是用所携带蓄电池中的电能代替燃油 (气) 汽车携带汽 (柴) 油燃烧的热能。使用纯蓄电池驱动轿车的最大好处是无空气污染, 并且机动行驶能力与燃油 (气) 轿车是一样的。

如果纯蓄电池驱动的轿车在续驶里程 (充满一次电或加满一次油能够行驶的最大里程叫一个续驶里程) 、充电时间、动力性能、百公里费用、年折旧费用、购车价格上与燃油 (气) 轿车基本相同的话, 消费者就能够愿意购买这种纯蓄电池轿车, 用来代替燃油 (气) 轿车, 从而达到使用无空气污染轿车的目的。这是最理想的要求, 也是我国乃至全世界科技工作者的奋斗目标。然而, 实际情况与理想还有很大的差距。

1.2 消费者对当前国产电动汽车的态度

当前, 消费者对我国生产的纯蓄电池驱动的轿车多持不满意的态度。所谓不满意之处, 也就是当前生产的纯蓄电池轿车的缺点。

总体来说, 广大消费者对我国当前生产的纯蓄电池驱动的轿车是不满意的, 具体表现在:当前国家大力提倡使用纯蓄电池轿车, 并且采用价格补贴、减免购置税、设立配套充电站、对购置燃油 (气) 轿车者按排量征收环保税费、规定行政事业单位购轿车必须购买一定比例的纯蓄电池轿车等多种措施。即使这样, 购买纯蓄电池轿车的数量与购买燃油 (气) 轿车的数量相比, 仍然占很小的比例, 没有达到预计的目标 (以携带燃油 (气) 发动机为增程手段的新能源汽车不包括在内) 。

那么, 采取这么多的鼓励措施消费者仍然不愿意买纯蓄电池轿车的原因是什么呢?经调查, 原因不在于车本身的质量、不在于电费高 (蓄电池轿车百公里耗电10度, 电费是燃油 (气) 轿车油费的1/9左右) 、也不全在于消费者没有环保意识, 而在于驱动轿车的蓄电池性能让消费者不满意, 具体表现如下。

(1) 蓄电池电能储存量少

下面以与燃油 (气) 轿车满油箱汽 (柴) 油重量相等的蓄电池相比较。

当前驱动轿车的铅酸蓄电池价格最低, 其轿车价格也最低, 但跑完燃油 (气) 轿车的一个续驶里程要充5次电 (铅酸蓄电池轿车的一个续驶里程是50~120 km) 。锂电池等新材料电池储存电量多一些, 但也只达到燃油 (气) 轿车一个续驶里程的1/3左右, 即燃油 (气) 轿车每加一次油, 则锂电池轿车要充3次电 (锂电池轿车的一个续驶里程是130~250 km) 。

(2) 蓄电池充电时间长

当前生产的驱动轿车用蓄电池 (也叫动力电池) , 无论铅酸蓄电池还是锂电池等新材料电池, 充满电时间都在3~8 h之间, 即快充满电需要3h, 慢充满电需要8 h。少于3 h的快充电对电池损害极大, 不能采用。假设蓄电池轿车按平均80 km/h速度行驶, 按以上数据计算, 铅酸蓄电池轿车每跑1~2 h要充3~8 h电;锂电池轿车每跑2~3 h要充3~8 h电。这样慢的充电速度, 对于需要跑长途的消费者来说, 是不能接受的。

如果在蓄电池轿车上加装燃油 (气) 发动机做为增程手段 (当前此类车比较多) , 就又回到了污染空气的老路上, 是最不科学最不合理的, 从长远看应该废止。即使当前有很大一部分消费者购买此类汽车也应该废止。

即使用增加蓄电池重量的方法也行不通。若用此法达到燃油 (气) 轿车的续驶里程, 就不能坐人了, 就失去了轿车的作用。另外, 这样做在经济上也行不通。

如果用增设更换动力电池 (用无电的电池换充满电的电池, 交一定的费用) 服务站的方法增程也行不通。这样做一则需要服务人员多、装卸机械多, 工作量太大;二则动力电池品种、型号太多, 每天的用量也不均衡, 服务站很难备齐;三则新旧好坏不等, 很难做到双方都满意。总之, 此方法很难服务到位, 很难让消费者满意。

(3) 蓄电池使用寿命短

当前生产的动力电池, 不论普通电池还是锂电池等新材料电池, 最长的使用寿命是4年。当前一个续驶里程在200~250 km的蓄电池轿车, 其蓄电池价格在6万元左右。照此计算, 每年蓄电池的折旧损耗在1.5万元以上。也就是说, 消费者每年用蓄电池轿车节省的行驶费用 (燃油轿车的油费减去蓄电池轿车的电费之差, 就是节省的行驶费用) , 需要减去约1.5万元的蓄电池折旧损耗, 才是纯节省的行驶费用。这也影响到消费者购买使用纯蓄电池轿车的信心。

(4) 电量剩1/4时, 车速太慢无法行驶

动力电池的电量所剩不到一半时, 车速会随着电量的逐渐减少而逐渐降低直到停车。当车速低于15 km/h以下时, 因车速太慢消费者一般不使用。因此, 消费者应用的续驶里程是出厂标注的3/4左右。

动力电池以上这4种缺点, 是制约蓄电池轿车业发展的技术瓶颈问题, 此问题是世界性的难题。而前3种难题是最主要的。就因为这3种难题没有解决, 才使得消费者对购买和使用纯蓄电池驱动的轿车热情不高, 国家即使采用了多种优惠政策, 其收效也不太明显。

那么, 动力电池的技术瓶颈问题就不能打破吗?就不能有一个技术的飞跃吗?现在, 对于动力电池充电时间长和使用寿命短的问题, 在技术上应该得到了突破, 至少看到了成功的希望。

1.3 电池充电时间长、使用寿命短的问题有望得到解决

据2014年10月14日人民日报报道, 新型电池充满电仅需5分钟。

据该报报道:新加坡南洋理工大学研究人员表示, 他们经过三年努力, 成功研制出一种超快速充电电池, 两分钟即可充电70%, 充满电仅需5分钟, 并且电池寿命长达20年。现在的电池一般可充电500次, 按每天充电一次计算, 大约为两年使用寿命。而新型电池可充电1万次, 按每天充电一次的假设, 其寿命至少20年。

据介绍, 传统锂电池的电极使用石墨, 而该新型电池使用二氧化钛的新型凝胶材料来代替, 并且使用新技术使材料形成微小纳米管, 加快电池中的化学反应速度, 令电池可以极快速充电。

虽然上述报道内容没有提到已经研制成功的极快速充电电池是否可以直接用于驱动汽车, 但是, 蓄电池充电慢和使用寿命短的原理问题已经得到解决。我国完全可以通过引进或自主研发, 在这个基础之上, 通过我国广大科技工作者的不懈努力, 应该能够研制出极快速充电和使用寿命长的动力电池, 用来驱动汽车行驶。

作者认为, 如果驱动汽车的蓄电池充满电时间能够缩短到10~15 min, 即使动力电池存电量少这个技术瓶颈问题没有解决, 消费者也能够接受这种纯蓄电池轿车。也就是说, 普通蓄电池驱动的轿车每跑50~120 km (1~2 h) 需要停车充电10~15min;锂电池驱动的轿车每跑130~250 km (2~3h) 需要停车充电10~15 min, 那么, 就可以解决消费者停车充电等待时间过长的问题。同时, 动力电池的使用寿命能够加长的话, 再加上国家对购买蓄电池轿车的一系列优惠政策扶持, 按现在的电价不变, 那么, 消费者购买使用纯蓄电池轿车的积极性就必然极大提高, 纯蓄电池轿车的销售量就必然大幅度上升, 就能够基本上达到用节能环保的纯蓄电池轿车代替燃油 (气) 轿车的目的。

2 目前实用的三种车型

作者在《交通节能与环保》2014年第5期 (总第43期) 题目为《关于我国发展电力汽车产业及其配套公路的设想》论文中, 设想了“蓄电池有线电力两用轿车 (简称A型车) ”、“蓄电池超级电容两用轿 (客) 车 (简称B型车”和“燃油 (气) 有线电力两用大型货车 (简称C型车) 这三种车型, 并且分析了各自的优缺点, 主张在动力电池的技术瓶颈问题没有打破之前, 为解决燃油 (气) 汽车的尾气排放问题和减少燃油 (气) 消耗量, 应该根据实际情况, 试用这三种车型。

A型车是蓄电池与有线电力两套动力系统, 跑短途用蓄电池驱动, 跑长途进入有线电力车站后在其公路上用有线电力驱动, 相当于现在的“无轨电车”。该车优点是蓄电池轿车用有线电力增程, 纯电驱动, 无空气污染, 无限续驶里程;缺点是有线电力公路建设费较高。

B型车是蓄电池与超级电容两套动力系统, 其特点是两套动力系统可以根据充电站情况任意选择使用。利用超级电容充电快 (充满电仅0.5~1 min) 的特点, 即充即走。超级电容的优点是充电快, 动力强劲, 纯电驱动, 无空气污染, 有机动行驶能力;缺点是续驶里程短 (3~5 km) , 因此停车充电频繁。

C型车是用现在的燃油 (气) 大型货车加装有线电力驱动系统增程, 优点是跑长途纯电驱动, 无空气污染, 无限续驶里程。该型车虽然也用燃油 (气) , 但由于大型货车所跑路程主要是长途, 用有线电力系统跑长途, 就可以大量节省燃油 (气) 消耗, 解能减排效果相当显著;缺点也是建设费较高。

综上所述, A型车和B型车都是纯电驱动, 动力强劲, 无技术瓶颈问题, 只是机动行驶能力都不如单纯蓄电池驱动的汽车。如果蓄电池汽车的充电时间能够缩短到10~15 min, 动力电池使用寿命能够加长, 消费者能够普遍接受蓄电池汽车时, 还是发展蓄电池汽车为第一选择。如果解决动力电池的技术瓶颈问题遥遥无期, 为解决我国燃油 (气) 汽车的空气污染问题, 应该优先考虑选择A型车和B型车。

由于大型货车需要的驱动力很大, 在动力电池存电量少这个技术瓶颈问题没有解决之前, 不论其它技术瓶颈问题是否解决, 都不能用蓄电池驱动行驶, 而只能用有线电力和燃油 (气) 系统驱动, 所以, 要想解决燃油 (气) 大型货车的空气污染问题 (同时为大量节省燃油资源) , 现在就应该考虑应用C型车。

3 结语

多年来, 我国科技工作者一直在研究动力电池, 力求打破动力电池的技术瓶颈问题。当前, 在外国科技工作者对于电池充电慢和使用寿命短这两个技术瓶颈问题已经打破的情况下, 我们认为, 希望国家增加这方面的研究经费, 引进这项新技术成果, 加强这方面的技术力量, 在此基础上, 进行技术攻关, 尽快研制出极快速充电和使用寿命长的动力电池, 装备我国的汽车业 (首先应该是用于驱动轿车和客车) 。作者认为, 只要动力电池充电慢和使用寿命短这两个技术难题得到解决, 即使存电量少这个技术难题没有解决, 消费者也能够踊跃购买纯蓄电池轿车, 这就能够迎来纯蓄电池轿车产业大发展的春天, 为我国乃至世界汽车节能环保事业做出贡献。

参考文献

[1]王天乐.新型电池充满电仅需5分钟[N].人民日报国际部分, 2014, 10, 14:22版.

车用电池箱液冷系统仿真设计 篇5

电池作为电动汽车上装载有电池组的主要储能装置,是电动汽车的关键部件[1,2]。电池液冷系统是电池包热管理的一个核心的机械部分,其良好的设计理念对整个系统乃至整个电动汽车的发展都有实质性的突破。优秀的设计方案不仅能提高电池包的散热效率,减轻汽车的重量,还能更好的保证电动汽车的安全性和使用寿命。动力电池液冷系统是电动汽车电池管理系统的一个重要组成部分,散热、加热高效均匀,结构简单简洁,价格适中且实用的电池液冷系统不仅为电动汽车电池组提供一个安全稳定的工作环境,还可以降低电动汽车的成本,对电动汽车的产业化,市场化发挥重大的作用。

1、电池包设计流程

1.1 设计要求

以某新能源科技有限公司生产的高性能镍氢动力电容电池-NMCH300S为例。为达到对电池进行能量管理的目的,该箱应具备一定的条件和要求:1)电池箱体必须是密封的。2)电池箱体的形状与单体电池模块的形状相适应。3)电池箱体应能保证冷却液体与电池的绝缘,车身与箱体绝缘,防止存在电池与外界接触可能性而存在安全隐患。4)将电池单体整合后其质量很大,必须进行强度校核5)单体电池的通气孔保证在电池液面上方,保证电池工作过程中正常的换气。6)让更多冷却液接触电池表面。

综上所述,箱体零件在一台机器中占有很大的比例,同时在很大程度上影响着机器的装配精度和抗振性能等。正确的选择箱体零件的材料和正确设计其结构形式及尺寸,是减小机器质量、节约金属材料、增强机器刚度的重要途径。

1.2 设计流程

电池包相关的参数确定之后,根据电池的形状、性能参数、车身的空间布置等来确定电池包的结构形状和冷却形式。除了满足上述功能性的参数后,还需从箱体工作性质校核箱体的刚度、强度,设计其制造精度。设计流程如图1所示:

1.3 参数确定

动力电池的选型需要综合考虑电动车的整车性能和动力系统的匹配。本论文采用的是某新能源科技有限公司生产的高性能镍氢动力电容电池-NMCH300S。该电池的性能参数如下表1所示:

镍氢电池组的参数如表2所示:

2、箱体设计和校核

根据设计要求,知道电池箱体的重要性,所以本文重点对箱体进行了设计和校核。

2.1 箱体设计

(1)材料选取。

由于电池包处在的工作环境非常复杂。电池的质量决定了电池包的强度和刚度足够大;车辆在行驶过程中出现加速减速转弯等,电池包具备一定的冲击能力和耐疲劳特性;此系统采用的液冷形式,需与绝缘冷却液接触,材料还需抗腐蚀能力;电池箱体在制造的过程中,制造工艺上还需具有良好的焊接性能;考虑到车辆的整体质量和成本,经济性的情况下尽可能减轻箱体的质量。

比较各种材料的特性和用途,采用硬铝合金2A12 (原LY12),其切削加工性能在失效状态下良好,耐腐蚀性中等,焊接性能好,适宜做高载荷零件和构件[3]。因此,此材料是不错的选择。

(2)电池包结构形状。

箱体常采用的截面形状有多种。综合考率到箱体的重量、制作成本,采用矩形截面的铝板。

1)壁厚。

首先,采用经验法或类比法确定壁厚和其他结构的尺寸,再用有限元法(ANYSIS)计算强度和刚度,经过不断的修正,获得合理的尺寸。初步选取厚度为5mm。目的是保证箱体的质量和强度的情况下进行优化。

2)加强肋。

加强肋可改善箱体的刚度,同时还起到了液流密封的作用。在箱体的四个角上,其强度要求高,受力工况复杂,并且此处采用的焊接工艺,无法保证足够的强度,因此设计初加上加强筋。在电池箱体增加的冷却液加热箱,为了能够承受电池箱体的重量,同样在加热箱的周围布置一定数量的加强肋板,以增强其承受能力。

3)电池定位。

单体电池定位及安装不仅设计单体电池模块的更换机维护,而且设计到整个电池组的安全运行。考虑到电池箱体在制造、安装、联接以及定位和液流走向等因数。设计过程中考虑将30块单体电池分成3列,每列安装10块单体电池,将其水平紧凑的镶嵌在电池箱体底座内,电池上部通过固定特制的框架将电池的四周限制,然后用螺栓将框架与电池箱体固定。从而确保电池单体各个方向的固定。电池箱体的剖面图如图2所示。

4)焊接。

由金属材料的性质,采用不熔电极氩弧焊,由于有气体的保护作用,使热量集中,熔池小,焊速快,热影响区较窄,焊接变形小,电弧稳定,飞溅少焊缝致密,表面无熔渣、美观。生产效率高,焊接费用中等水平,适用于硬铝合金的焊接能保证箱体在复杂载荷条件下工作。

(3)电池包三维设计

以上箱体设计造型过程中无法对箱体的结构应力进行详尽计算分析,因此常采用安全系数偏大的,导致箱体体积和质量过大,既增大制造成本,还增加车身的重量。本文电池箱体采用Pro/E三维造型,将实体模型导入ANSYS有限元分析,对模型进行校核。

通过设计的电池包的整体装配模型如图3。

2.2 强度校核

(1)模型和有限元分析

将Pro/E设计成的电池箱体的IGS模型导入ANSYS的结构静力分析模块中,对模型进行网格划分(由于模型结构比较简单),采用的计算机自动生成有限元网格功能,由此生成节点和单元。其中网格类型为六面体20节点Solid186单元,生成的网格如图4所示。

施加载荷:根据箱体的工作性质和环境,由于采用的液冷形式,箱体除了在电池重量作用的面载荷外,还需承受冷却液的载荷和冲击载荷。

由电池参数值知单体电池的质量为6.4Kg,其底面积为为120*60mm2,电池箱体电池槽中的压力为:P=F/A=8711.1Pa=0.0087MPa

电池箱体中除了电池压力外,还有电池冷却液对箱体的压强。有液体压强知识可知:

P=ρgh=1.62Kg/L*9.8N/Kg*280mm=0.0045MPa考虑到车辆在行驶过程中,汽车存在急加速或急刹车的情况,液体在箱体中存在一个惯性的趋势。此时,液体势必给一面箱体壁一个额外的冲击载荷,此时应从强度要求和安全系数出发,给箱体长壁一个模拟的力。根据实际考虑,假设给箱体前后壁同时一个5g加速度的载荷,有牛顿第二定律可知:

F液=M液a=ρVa=1.62Kg/L*31.67L*5*9.8N/Kg=2513.96N由此可以求得一面箱体壁的液体冲击载荷为:

液流在箱体中的液流压力为:取冷却液泵的扬程为6m,由此可算得压力P泵为0.06MPa。

经过上述的静力学分析,对箱体加载的形式和作用平面如下所述:

箱体外底面施加全约束;箱体一侧(748*280)施加P泵+P液载荷:箱体壁的其余三面则施加P泵;箱体内地面施加两个载荷(电池对箱体的载荷P和冷却液体对箱体底部的压力P液)。

将上述压力同时加载在箱体上,通过ANSYS结构新型静力分析,可得到加载后的位移云图(如图5)和应力云图。箱体主要的位移发生在箱体的四壁面的上部,并且位移值不是很明显,最大的位移只有7.12561mm。基本上不影响箱体结构的稳定性。

图6可知,箱体的绝大多数的应力还是比较小,最大的应力224.721MPa,并且应力主要集中在在箱体壁的四个焊接处、箱体壁的窄边以及导流块的根部。

通过ANSYS的计算结果显示,其危险点在207号节点上,其应力值如表5-1所示。

其中S1表示第一主应力;S2表示第二主应力;S3表示第三主应力;SINT表示应力强度;SEQV表示等效应力

(2)强度校核

根据材料属于塑性材料,引起塑性变形失效,采用畸变能密度理论(第四强度理论)校核——无论什么应力状态,只要畸变能密度vd达到材料性质有关的某一极限值,材料就发生屈服。

畸变能密度屈服准则:

许用应力[σ]为:其中S为安全系数,σs为屈服极限

按第四强度理论的得到的强度条件[4]:

有上述公式和数据代入可知:

由此可以判断箱体的结构强度满足第四强度理论的强度条件,箱体设计方案可行。

3、其他设备

电池液冷系统主要有电池包(箱)、微型控制器、温度传感器、冷却水泵、散热风扇、散热器、冷却液管道、电控三通阀、不燃冷却绝缘液等部件组成。其冷却液线路如图7所示:

温度传感器作为液冷系统的的采集的温度信号传送给微型控制器,控制器对信号处理后发出一个执行命令,执行机构(冷却液泵、三通阀、加热装置)接受指令后执行相应的动作。

4、结论

此文对电池液冷系统中电池包部分的设计进行优化,设计出液冷电池包的结构形状,并且绘制出机械工程图。同时,应用有限元分析软件ANSYS分析箱体在线性静载荷和附加的模拟动态载荷的极限综合作用下箱体应力的分布强度并分析应力图,运用第四强度理论(畸变形强度理论)校核箱体最大应力点处的强度要求,从而说明设计符合要求,从而一定程度上解决纯电动车用镍氢电池使用过程中温度过高或过低,以及电池模块温差大,影响电池的充放电性能和使用寿命等难题。

摘要：电池包的热管理系统是电动汽车和混合动力安全有效行驶过程中必不可少的辅助系统。本文分析电池工作环境,总结了其设计要求,以某新能源科技有限公司生产的高性能镍氢动力电容电池-NMCH300S为例,运用三维建模软件设计出了电池包的机械结构,并利用有限元ANSYS软件计算出危险点位置,用第四强度理论校核了最危险点强度满足设计要求,使仿真设计起到减少试加工成本的作用。

关键词：电动汽车,电池包,机械结构,强度校核

参考文献

[1]陈全世,齐占宁.燃料电池电动汽车的技术难关和发展前景[J]汽车工程,2001,23(6)362-363.

[2]林成涛,陈全世.燃料电池客车动力系统结构分析[J]公路交通科技,2003,20(5)134-135.

[3]吴宗泽.机械设计实用手册[M].化学工业出版社2010.