用于电动自行车的四种动力蓄电池的实验建模比较研究.doc

用于电动自行车的四种动力蓄电池的实验建模比较研究 肖秀玲 王贵明 胡玉祥 马润津 （ 北方工业大学 自动化研究所电动车研究室，100041 北京） 关键词：动力蓄电池 实验建模 电动车 Keywords: Battery Powered Modeling and Test Electric Vehicle 摘要：近几年来我国的电动助力自行车发展迅速，受到全世界的关注。目前能够被电动自行采用的有以下四种动力蓄电池，即密封免维护铅酸蓄电池、胶体免维护铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。电动车的动力蓄电池充放电过程的工作机理复杂，工作性能受到诸多因素的影响，它们之间的定量关系至今还不很清楚，其结果是经常由于使用不当，特别是过度充电和过度放电，影响了蓄电池的使用寿命。另一个需要解决的问题是寻求比较简单、准确的蓄电池剩余蓄电量测定方法来。 本文介绍对四类蓄电池的放电特性做比较研究的结果。通过大量实验测试，研究蓄电池放电过程的数学模型。实验建模分静态模型和动态模型两个部分，前者包括端电压模型和充放电量（安时）平衡模型两类，后者是基于系统辨实和参数估计方法，确定放电过程的动态模型及其参数。文中给出大量的实验研究和对比结果。探讨了蓄电池剩余电量估计的新方法。 电动助力自行车是是以蓄电池作为辅助能源的，能人力骑行、电动和电力助动的两轮交通工具，它具有行进间无污染排放（零排放）的特点，是很有发展前途的新型绿色交通工具。近几年来我国的电动助力自行车发展迅速，国内市场销售量由1997年的1.5万辆发展到2001年的近80万辆左右（图1），由此受到全世界的关注。 图 1. 我国电动助力自行车年销售量的增长情况 一、关于电动自行车的动力蓄电池 目前能够被电动自行采用的有以下四种动力蓄电池，即阀控铅酸免维护蓄电池、胶体铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。 1．铅酸蓄电池 从目前市场上能够大量提供的是铅酸蓄电池，铅酸蓄电池已经有130年的历史了，可以说是使用最多的蓄电池。它的性能可靠，生产工艺成熟，价格也较低。 是目前已商品化的电动自行车的绝大多数是使用的密封式铅酸蓄电池，使用中不需要补充水分，免维护。其主要化学反应是： PbO2 + 2H2SO4 + Pb ←充电、放电→ PhSO4 + 2H2O + PhSO4 氧化铅 硫酸 海绵状铅 硫酸铅 水 硫酸铅 阳极活物质 电解液 阴极活物质 阳极活物质 电解液 阴极活物质 铅酸蓄电池充电时变成硫酸铅的阴阳两极的海绵状铅把固定在其中的硫酸成分释放到电解掖中，分别变成海绵状铅和氧化铅，电解液中的硫酸浓度不断变大；反之放电时阳极中的氧化铅和阴极板上的海绵状铅与电解液中的硫酸发生反应变成硫酸铅，而电解液中的硫酸浓度不断降低。当铅酸蓄电池充电不足时，阴阳两极板的硫酸铅不能完全转化变成海绵状铅和氧化铅，如果长期充电不足，则会造成硫酸铅结晶，使极板硫化，电池品质变劣；反之如果电池过度充电，阳极产生的氧气量大于阴极的吸附能力，使得蓄电池内压增大，导致气体外溢，电解液减少，还可能导致活性物质软化或拖落，电池寿命大大缩短。 铅酸蓄电池重量比能量为28-40 Wh/Kg，体积比能量64-72 Wh/I，太重、太大，而能提供的电能较少，使用寿命较短，作为电动自行车的动力电源一般只能够使用一年左右，性能差或使用不当的只有二、三个月。此外，铅酸蓄电池还有深度放电能力和低温放电能力较差，不能快速充电（但是近来在铅酸蓄电池的快速充电的研究方面已有些进展）等缺点。铅酸蓄电池的改进型——胶体铅酸蓄电池，用胶体电解液代换硫酸电解液，在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通铅酸蓄电池有改善。但是总而言之，从长远看，铅酸蓄电池在电动车上的利用前景不佳。报废的铅酸蓄电池因废弃会造成二次污染，这也是有些地方政府不肯支持电动自行车大量上路的重要原因之一。 2．胶体铅酸蓄电池 胶体蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进。它采用凝胶状电解质，内部无游离的液体存在, 在同等体积下电解质容量大，热容量大，热消散能力强，能避免一般蓄电池易产生的热失控现象；电解质浓度低，对极板腐蚀弱；浓度均匀，不存在酸分层的现象。 上述改进使其在多项重要性能优于阀控式铅-酸免维护蓄电池，例如：使用性能稳定，可靠性高，使用寿命长，对环境温度的适应能力（高、低温）强，承受长时间放电能力、循环放电能力、深度放电及大电流放电能力强，有过充电及过放电自我保护，电池在100%放电后仍可继续接在负载上，在几周内充电仍可恢复至原容量等等优点。　　3。镍氢蓄电池（Ni-MH） 镍氢蓄电池