【正文】 來越多的電子控制元件(ECO)要在切斷期間利用電流,一般在現(xiàn)代的高級轎車?yán)镉?0個以上的 ECO,由于零部件缺陷、軟件試驗不充分或意想不到的相互作用等緣故有可能會增加所用的電流。結(jié)果,在切斷期間蓄電池會過度消耗。(2)不連續(xù)地用交流發(fā)電機(jī)的輸出匹配舒適性負(fù)載的功率消耗。例如在怠速期間,蓄電池可能得供應(yīng)全部的負(fù)載電流達(dá)到一個相當(dāng)大的百分?jǐn)?shù)。在上述兩種情況下,充放電循環(huán)一般非常淺(放電深度(DOD)10%),但是在幾年內(nèi)累積的 Ah 轉(zhuǎn)換量可能是相當(dāng)大的。因此,有些汽車制造商已經(jīng)將一些有助于淺循環(huán)壽命的要求納入其標(biāo)準(zhǔn)蓄電池的規(guī)范中。一般要求富液式 SLI 蓄電池在其使用壽命終止之前得經(jīng)得起累積 Ah 轉(zhuǎn)換量等于標(biāo)稱容量150倍的淺循環(huán)。對代替 SLL 蓄電池的 AGM 的淺循環(huán)壽命要求一般是富式蓄電池的3倍。 黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）24（3）充電接受充電接受,特別是在低溫下,是一種確定電源系統(tǒng)充電均衡的蓄電池要求。蓄電池須向電負(fù)載提供的電力越多,能夠足夠快地給它再充電就越為重要?；旌蟿恿﹄妱榆噧?nèi)的蓄電池是在部分充電狀態(tài)(PSOC)下動行的,在再生制動過程中提供了重要的補(bǔ)充充電接受(充電接受最好,而且在20%～70%SOC之間最容易控制蓄電池)。對比起來,傳統(tǒng)的12V 汽車蓄電池是在交流發(fā)電機(jī)輸出電壓下連續(xù)充電的,從而在其補(bǔ)充充電接受為極限的高充電狀態(tài)(SOC)下運行。如果隨加速/減速情況而改變電壓設(shè)定值,且在 PSOC 下操作蓄電池,那么在14V 系統(tǒng)內(nèi)起動發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)或許能提供有限的再生功率。視車輛的傳動系和駕駛條件而定,燃耗和 %～4%。這需要蓄電池能夠經(jīng)受住延長的 PSOC 操作和額外的能量流量,及那些類似對輕度混合動力電動車用蓄電池要求的要求。已知典型的交流發(fā)電機(jī)和蓄電池大小及駕駛模式,蓄電池一般會限制再生階段能夠捕獲的功率。（4）儲備容量未來汽車的耗油量將顯著下降,許多技術(shù)要求具有相當(dāng)大的瞬態(tài)電流,如自動變速器控制(VTC)或自動轉(zhuǎn)換齒輪(ASG),頻繁地使用渦輪增壓機(jī)、自動怠速停車等。這些都需要蓄電池具有更大的儲備容量。（5）耐久性和可靠性未來的汽車系統(tǒng)要求蓄電池具有更高的耐久性和可靠性。在42V 動力系統(tǒng)中,蓄電池必須以高倍率提供大量淺充放電循環(huán)。對于發(fā)動機(jī)起動高倍率放電是必需的,而高倍率充電與再生制動有關(guān)。因此在這樣的“HRPSOC”條件下,對于 VRLA 蓄電池的極板——特別是負(fù)極板——有遭受硬硫酸鉛積累的傾向。這種效應(yīng)會減損蓄電池的性能和壽命。在車輛的電系統(tǒng)中引入蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)會大大提高儲能系統(tǒng)的可靠性:不僅可以通過避免使用不當(dāng)情況的發(fā)生來延長蓄電池的平均使用壽命,而且應(yīng)該能夠基本上消除電池的早期失效和意外失效。蓄電池可靠性的另一方面也不應(yīng)被忽視:蓄電池的可靠度基本上是其各個單體可靠度的積。那就意味著高電壓蓄電池(36V 更高)必須在單體電池水平上滿足更加精確的可靠度,以便正好保持蓄電池的可靠 黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）25度跟原來一只12V 蓄電池的可靠度一樣高。因此,為了滿足高可靠度,將需要改進(jìn)蓄電池的工藝過程控制。人們預(yù)料鉛酸蓄電池技術(shù)會繼續(xù)在汽車應(yīng)用領(lǐng)域保持重要的作用。與傳統(tǒng)的起動照明點火(SLI)蓄電池相比,已經(jīng)取得或即將取得顯著的技術(shù)進(jìn)步,改善性能和使用壽命。傳統(tǒng)的起動照明點火(SLI)用液體電解質(zhì)蓄電池是一種以成熟技術(shù)為基礎(chǔ)的商品,其零部件成本很低,約為 S35/kWh 或 S4/kW。一般在使用3~7年后就得更換一次 SLI 蓄電池,然而,由于它們的成本很低,所以將會繼續(xù)用作電荷(Ah)轉(zhuǎn)換量非臨界的汽車的主要儲能系統(tǒng)。蓄電池制造商將繼續(xù)面臨來自汽車制造商的巨大壓力,既要求改善質(zhì)量又要求降低零部件成本。解決這些矛盾性目標(biāo)的唯一機(jī)會就是引入高度自動化的、連續(xù)的、無缺陷的蓄電池制造工藝。因為未來的動力系統(tǒng)概念要求蓄電池具有更高的電荷流量,鉛酸蓄電池應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是并按一定尺寸制造成帶有消耗特性的可用系統(tǒng)。電荷轉(zhuǎn)換量相當(dāng)于蓄電池的消耗量,但是由于一般按冷起動規(guī)范來確定 SLI蓄電池的大小,所以在不犧牲使用壽命的情況下要有一些儲備容量來輸出更高的電荷轉(zhuǎn)換量。用比優(yōu)化 AGM 蓄電池的成本低的成本來進(jìn)一步優(yōu)化富液式汽車蓄電池的淺循環(huán)壽命似乎是可能的。閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)比傳統(tǒng) SLI 蓄電池更能經(jīng)受高 Ah 轉(zhuǎn)換量。吸附性玻纖(AGM)隔板使用了一種可浸潤在電解液中的玻璃纖維。矩形和螺旋卷繞式兩種極板的幾何形狀被認(rèn)為都適合汽車應(yīng)用。與 SLI 蓄電池相比,在相等乃至更高的功率密度下這些蓄電池至少可增加3倍的循環(huán)壽命[5]。用于高倍率部分充電狀態(tài)(HRPSOC)運行的 AGM 技術(shù)正在研發(fā)之中,此項工作即將取得進(jìn)一步的成果。這項技術(shù)的研發(fā)最初集中在42V 輕度混合動力車上,但也能研制出性能顯著改進(jìn)的12V 蓄電池,例如,用于發(fā)動機(jī)停車/起步應(yīng)用 黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）26和再生制動的蓄電池。目前,小批量 AGM 蓄電池的零部件成本總計幾乎是 SLI 蓄電池成本的兩倍,從長期的潛力來看,大批量零部件的成本會下降20%30%。由于在蓄電池的壽命期內(nèi)每電荷流量的成本勝過 SLI 蓄電池,AGM 蓄電池具有很好的潛力適合于需要高循環(huán)壽命的汽車。然而,耐高溫性大概是廣泛引入 AGM 蓄電池的一個瓶頸。近年來,人們應(yīng)車輛系統(tǒng)改進(jìn)的要求,努設(shè)計和開發(fā)出很多新型蓄電池,一方面是使用進(jìn)的蓄電池材料,例如薄金屬膜蓄電池、納米鉛酸蓄電池、石墨泡沫鉛酸蓄電池,另一方面改進(jìn)蓄電池的結(jié)構(gòu),其中有多極耳矩形蓄電池雙極性蓄電池、準(zhǔn)雙極性蓄電池、雙極耳螺旋繞式閥控鉛酸(VRLA)蓄電池、薄極板純鉛/錫術(shù)(TPPL)VRLA 蓄電池。雙極性蓄電池具有以下優(yōu)點,為混合動力提供了極好的潛力[7].（）1)在雙極性結(jié)構(gòu)中,由于電流垂直于表面雙極性極板的一側(cè)傳導(dǎo)到另一側(cè),所以原理上無需具有金屬板柵。 雙極性（右）和傳統(tǒng)（左）單極性蓄電池2)在雙極性結(jié)構(gòu)中存在著均勻的電流密度,而在極高的倍率下,由于涂膏式極板的上部硫酸鹽化,單極性結(jié)構(gòu)限制了循環(huán)壽命(低于50000次循環(huán))。 黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）273)雙極性蓄電池的內(nèi)阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單極性設(shè)計的蓄電池。4)雙極性設(shè)計提供了一種可能性,具有比單極性設(shè)計高得多的堆積壓力。當(dāng)然,這需要使用專用可耐高壓的吸附性玻璃纖維隔板。5)在一只蓄電池或數(shù)量有限的串聯(lián)蓄電池組中,無外部電纜連接等就能達(dá)到要求的電壓。雙極耳螺旋卷繞式閥控鉛酸(VRLA)蓄電池能夠在部分充電狀態(tài)(PSOC)運行條件下輸出車輛所需的高倍率性能。螺旋卷繞式設(shè)計能夠很好地保持對正極活物質(zhì)的壓縮。此外,圓形是一種理想的形狀,使電池之間有足夠空間供熱管理用。雙極耳設(shè)計可改善活物質(zhì)的利用率、降低電池的溫度梯度、促進(jìn)電池更有效地接受和輸出電流。美 Firefly 能源股份有限公司開發(fā)了一種創(chuàng)新的碳—石墨泡沫鉛酸蓄電池。這種電池技術(shù)使用了一種三維高表面積泡沫材料。該材料可使鉛酸電池釋放出很高的電勢。這種蓄電池技術(shù)在性能上能夠與任何其它的先進(jìn)化學(xué)電源相匹敵,而且更加關(guān)注環(huán)境問題,使鉛含量降低多達(dá)2/3。EnerSys 公司的薄極板純鉛/錫技術(shù)(TPPL)VRLA 蓄電池具有很多無與倫比的性能優(yōu)點,其中包括優(yōu)良的發(fā)動機(jī)起動能力、長期的擱置壽命、持久的循環(huán)壽命和儲備容量。此外,還有很好的深放電恢復(fù)能力、快速充電能力和耐振動能力。薄極板技術(shù)使得在標(biāo)準(zhǔn)尺寸內(nèi)能夠裝下更多的極板,使蓄電池能夠提供很大的電流。電解雙層電容器(超級電容器)具有極長的淺循環(huán)壽命,因為伴隨著其充放電循環(huán)不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。因此為了延長鉛酸電池的壽命,應(yīng)該保護(hù)負(fù)極板免于高倍率放電和充電。改善鉛酸電池壽命的傳統(tǒng)方法是把電池組與超級電容器并聯(lián)地連接在一起。眾所周知,超級電容器能夠輸出和接受很高的功率,但是可輸出和接受的能量很低,所以對于 HEV 應(yīng)用,這種技術(shù)的最佳運用是從再生制動吸收高功率與為加速提供高功率。由一個電子控制器來控制電容器與電池組之間能量和功率的流量。原理上,在車輛制動和加速期間,控制器將首先調(diào)整進(jìn)出超級電容器的功率,然后再調(diào)整進(jìn)出電池組的功率。在 黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）28發(fā)動機(jī)充電和常速行駛期間,控制器將主要調(diào)整進(jìn)出電池組的功率和能量。這種系統(tǒng)已于2022年由澳大利亞 CSIRO 開發(fā)出來并成功地用在 HoldenECOmmodoreaXcessaustraliademonstration 車上。然而,此系統(tǒng)的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜和價格太高。然而它們的能量密度不如蓄電池,而且其電壓垂度與 SOC 成正比例。技術(shù)關(guān)注點與暴露在高電壓和高溫下有關(guān)。電解質(zhì)的選擇仍是一個未解決的問題,因為在一些市場上認(rèn)為乙腈是有毒的,有可能的替代物會犧牲成本和/或性能。（1）儲能系統(tǒng)隨著對車輛儲電裝置要求的不斷增長,越來越著眼于作為一個儲能系統(tǒng),而非僅是一個單純的低成本商品。一方面,這意味著以電子監(jiān)測系統(tǒng)和專門蓄電池管理策略等形式的知識對保持安全性、蓄電池充電和壽命成本將是所必需的。另一方面,它還可能使兩種(或更多)儲存裝置之間的儲能功能分開。在上述兩種情況下,發(fā)生故障的風(fēng)險從電化學(xué)電池移至電子控制設(shè)備。（2）蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)隨著車輛電氣化程度的不斷增加和節(jié)省燃油的電源管理策略的引入,較復(fù)雜的蓄電池運行管理變得突出了。作為一個先決條件,需要準(zhǔn)確地了解蓄電池的狀態(tài),而蓄電池的狀態(tài)得由蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)(BMS)發(fā)送出來。于是,BMS 能夠滿足一種雙功能:改善電源系統(tǒng)的可靠性和耐久性,并為對蓄電池有更高要求的節(jié)約燃油/CO2的措施創(chuàng)造了條件。（3）雙儲能系統(tǒng)有時一只鉛酸蓄電池不再能夠單獨地滿足儲能要求,在這樣的情況下,將蓄電池分成兩個互補(bǔ)的裝置能夠有助于滿足要求。一般,一只蓄電池會維持發(fā)動機(jī)起動,而另一只蓄電池會承擔(dān)大多數(shù)循環(huán)負(fù)載。將在功率輸出方面優(yōu)化前者(例如,一只小容量高冷起動電流的富液式蓄電池),而在循環(huán)能力方面優(yōu)化后者(例如,一只中、小功率額定值的 AGM 蓄電池)。作為一種低成本的轉(zhuǎn)化,可以考慮使用兩只相同的起動型蓄電池。無論這兩只蓄電池是相同的還是不同的,它們的標(biāo)稱電壓都為12V,而且在正常駕駛過程中(充電)它 黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）29們是并聯(lián)的。裝有這類富液式/AGM 雙蓄電池系統(tǒng)的車輛主要是歐洲高級轎車,在市場上可以買到這種車輛。在美國,在卡車和一些改造的車輛也使用了這樣的系統(tǒng)。第六章 總結(jié)與展望人們一方面日益關(guān)注降低燃耗和 CO2 排放的環(huán)保要求 ,另一方面又要汽車系統(tǒng)不斷提高其安全性、舒適性和駕駛性能等需求,這必然要求汽車用蓄電池不斷改進(jìn)性能,提高功率。由于成本原因,短期之內(nèi) 12V/14V 單電壓系統(tǒng)還有用武之地。擴(kuò)展 12V/14V 系統(tǒng)的范圍的重要手段有 :車輛水平的能量管理,使用低成本蓄電池傳感器的蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)和雙儲能系統(tǒng)。富液式汽車蓄電池將面臨要產(chǎn)生延長的淺循環(huán)壽命、耐久的 PSOC 運行和良好的動態(tài)充電接受等挑戰(zhàn)。AGM 蓄電池技術(shù)能夠代替或改善富液式起動型蓄電池,改善蓄電池的壽命和可靠性,但其適用性日前受雜費和熱敏性的限制。在高電壓(42V)電系統(tǒng)中動力系高度( 微、中度或完全)混成。到目前為止,所有市場上可以買到的完全混合動力車都選擇使用 NiMH 蓄電池技術(shù)。但 NiMH 蓄電池的成本較高,而鉛酸蓄電池的成本很低,目前正在為混合動力電動車開發(fā)可行性鉛酸蓄電池。超級電容器,它的能量密度幾乎為零,可以找到特殊的用途,如果所預(yù)計的進(jìn)一步降低價格成為現(xiàn)實,那么就可以與鉛酸蓄電池一起聯(lián)合使用,作為蓄電池的緩沖器。在 HEV 應(yīng)用中,超級電池的部分充電狀態(tài)運行窗口比 VRLA電池的寬,并且超級電池技術(shù)能夠滿足或超過了最小助力和最大助力系統(tǒng)要求的功率、有效能量、冷起動和自放電等指標(biāo)。在循環(huán)性能方面,超級電池至少是 VRLA 電池的 4 倍,且與 NiMH 電池的不相上下。 黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）30致謝隨著本畢業(yè)論文的最后落筆，我三年的大學(xué)生活也即將劃上一個圓滿的句號?；貞涍@三年生活中的點點滴滴，從入學(xué)時對大學(xué)生活的無限憧憬到課堂上對各位老師學(xué)術(shù)學(xué)識的深沉沉湎，從奔波于教室圖書館的來去匆匆到業(yè)余生活的五彩繽紛，一切中的一切都是歷歷在目，讓人倍感留戀，倍感珍惜。三年黃石理工學(xué)院的學(xué)習(xí)生活注定將成為我人生中的一段重要旅程。三年來我的師長、我的領(lǐng)導(dǎo)、我的同學(xué)給予我的關(guān)心和幫助，使我終身收益，在此我真心地感謝他們。