賴祥生，林冬燕

(集美大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廈門361012)

釩電池是目前發(fā)展勢頭強(qiáng)勁的優(yōu)秀綠色環(huán)保蓄電池之一(它的制造、使用及廢棄過程均不產(chǎn)生有害物質(zhì))，它具有特殊的電池結(jié)構(gòu)，可深度、大電流密度放電;充電迅速;比能量高;價格低廉;應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。如可作為大廈、機(jī)場、程控交換站備用電源;可作為太陽能等清潔發(fā)電系統(tǒng)的配套儲能裝置;為潛艇、遠(yuǎn)洋輪船提供電力以及用于電網(wǎng)調(diào)峰等［1］。

以釩電池為動力源的電動汽車也逐漸興起，釩電池具有很多優(yōu)勢，但它的能量密度比較低，而通過提高釩離子的濃度或增加釩離子價態(tài)便可增加比能量。釩電池可以瞬間大電流放電，將其作為車用動力電源，可以使車輛得到較好的加速性能。而將釩電池運(yùn)用到城市定點(diǎn)公交車中，雖然會增加車輛的總質(zhì)量，但相對于轎車而已，整車質(zhì)量的增加對公交車而言，其影響小得多。利用ADVISOR軟件建立釩電池電動公交車的數(shù)學(xué)模型，通過虛擬仿真試驗(yàn)，便可得到仿真結(jié)果，最后再對仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較?？梢詫︹C電池電動公交車的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，降低實(shí)驗(yàn)成本。

1 釩電池的原理和應(yīng)用

1.1 釩電池的特點(diǎn)和工作原理

釩電池(VRB，vanadium redox flow battery)是當(dāng)今世界上規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)、最接近產(chǎn)業(yè)化的高效可逆燃料電池，具有功率大、容量大、效率高、成本低、壽命長、綠色環(huán)保等一系列獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、電網(wǎng)調(diào)峰、分布電站、軍用蓄電、交通市政、通訊基站、UPS電源等領(lǐng)域有著極其良好的應(yīng)用前景，日本、加拿大、美國、澳大利亞、西歐等國家和地區(qū)已開始用其取代容量小、壽命短、污染大的鉛酸電池。

釩電池全稱為全釩氧化還原液流電池，是一種活性物質(zhì)呈循環(huán)流動液態(tài)的氧化還原電池。簡單地說，釩電池將存儲在電解波中的能量轉(zhuǎn)換為電能，這是通過2個不同類型的、被一層隔膜隔開的釩離子之間交換電子來實(shí)現(xiàn)的。電解液是由硫酸和釩混合而成的，酸性和傳統(tǒng)的鉛酸電池一樣。由于這個電化學(xué)反應(yīng)是可逆的，所以VRB電池既可以充電，也可以放電。充放電時隨著2種釩離子濃度的變化，電能和化學(xué)能可以相互轉(zhuǎn)換。VRB電池由2個電解液地和一層層的電池單元組成。電解液地用于盛放2種不同的電解液。每個電池單元由2個“半單元”組成，中間夾著隔膜和用于收集電流的電極。2個不同的“半單元”中盛放著不同離子形態(tài)的釩的電解液。每個電解液池配有1個泵，用于在封閉的管道中為每一個“半單元”輸送電解液。當(dāng)帶電的電解液在一層層的電池單元中流動時，電子就流動到外部電路，這就是放電過程。當(dāng)從外部將電子輸送到電池內(nèi)部時，相反的過程就發(fā)生了，這就是給電池單元中的電解液充電，然后再由泵輸送回電解液池。在VRB中，電解液在多個電池單元間流動，電壓是各單元電壓串聯(lián)形成的，標(biāo)稱電壓是1.2 V。電流密度由電池單元內(nèi)電流收集極的表面積決定，但是電流的供應(yīng)取決于電解液在電池單元間的流動，而不是電池層本身［2］。

1.2 本課題采用的釩電池

隨著世界城市化進(jìn)程的不斷加快和汽車保有量的持續(xù)增加，汽車尾氣污染已經(jīng)成為城市空氣污染的頭號污染源。大力發(fā)展節(jié)能、環(huán)保的電動汽車，已成為了人們的共識［3］。隨著釩電池技術(shù)的快速發(fā)展，可以預(yù)期，擁有眾多杰出優(yōu)點(diǎn)的釩電池將在電動汽車(特別是城市公交客車)、電動機(jī)車、電動自行車、電動船舶、交通信號、風(fēng)光互補(bǔ)路燈等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

筆者與本課題合作單位從1995年率先在國內(nèi)開始釩電池的研制。先后研制成功了20 W、100 W、500 W的釩電池樣機(jī)，在釩電池的關(guān)鍵技術(shù)上有所突破。成功開發(fā)了四價釩溶液制備、導(dǎo)電塑料成型及批量生產(chǎn)、中型電池組裝配和調(diào)試等技術(shù)。1998年，500 W的釩電池樣機(jī)用于電瓶車的驅(qū)動?，F(xiàn)已研制出800 W的產(chǎn)品樣機(jī)，主要參數(shù)如下:單體數(shù)為10個電極面積，784 cm2;單體電池厚度為13 mm;電解液濃度為1.5 M VOSO4+2 M H2SO4;電解液量為10 L;理論容量為200 Ah;最大充電電流為80 A(電流密度102 mA/cm2);充電電流(50%充電狀態(tài))為40 A;充電電壓為15.0 V，80 A充電電壓為16.5 V;充電容量為40 Ah;最大放電電流為80 A(電流密度102 mA/cm2);放電電流(50%放電狀態(tài))為40 A，放電電壓為11.5 V，80 A放電電壓為10 V;放電容量為30 Ah;充放電利用率大于等于80%;電堆最大功率大于等于800 W。

2 釩電池電動車建模

2.1 原始設(shè)計數(shù)據(jù)

1)額定載客數(shù)80人;

2)最高行駛速度80 km∕h;

3)加速時間40 s(0～80 km);

4)釩離子電液比重1.4 t/m3;

5)釩離子電液的比能量25(kW·h)/m3;

6)電液反應(yīng)堆比重12 kg/kW。

2.2 整車模型的建立

首先按照與實(shí)際功率流流動相反的方向，根據(jù)道路循環(huán)的要求(即速度要求)，由整車動力學(xué)模型計算出汽車要達(dá)到該速度所需的電機(jī)功率;然后計算要得到電機(jī)的功率需要電池的工作電流、電壓等，選擇相匹配的電機(jī)。確定了電池和電機(jī)的主要參數(shù)后，根據(jù)仿真工況對所建立的仿真模型進(jìn)行仿真，得出仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)［4］。圖1所示為電動車功率傳遞路線。

圖1 電動汽車功率傳遞路線

根據(jù)上述動力傳遞路線要求整車模型包括行駛工況模型、車身模型、輪胎驅(qū)動力模型、變速器模型(包括主減速器模型)、電機(jī)模型、電池模型。圖2為整車仿真模型。

2.3 行駛工況選擇

本文選取的CYC ECE EUDC LOW循環(huán)工況，如圖1所示。該工況總行駛里程為6.58 mile(10.59 km)，歷時1 224 s，最高車速55.92 mile/h(90.03 km/h)，平均車速19.33 mile/h(31.12 km/h)，行駛期間共停車13次，怠速時間為338 s。

圖2 電動公交車的整車仿真模型

2.4 車身模型

使用的原型客車為XMQ6116G，其整車技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 XMQ6116G整車技術(shù)參數(shù)

2.5 能量儲存系統(tǒng)ESS模型

根據(jù)客車驅(qū)動模式的要求，在客車低速輕載行駛時，釩電池應(yīng)當(dāng)能夠單獨(dú)驅(qū)動客車，同時還能夠?qū)︼w輪儲能器和蓄電池依次進(jìn)行充電。因此，若客車以40 km/h的中等車速輕載(XMQ6116G的最大總質(zhì)量為16 100 kg，考慮到釩電池比能量較小，所以將模型車輛的最大總質(zhì)量定為17 000±200 kg，輕載時整車質(zhì)量設(shè)為15 000 kg)勻速行駛時所需功率為Pe，則釩電池的最大功率PFC應(yīng)大于Pe。此外還應(yīng)考慮燃料電池對飛輪儲電池充電時的功率Pchg，這里將其最大值定為40 kW。

所以PFC≥Pe+Pchg=38+50=88 kW。

考慮到車載用電設(shè)備消耗功率，將釩電池最大功率PFC定位90 kW。

電機(jī)的峰值功率越大，電系統(tǒng)的電壓等級越高，對保證電流不超過一定限值是非常有利的。但電壓等級也不能超過電系統(tǒng)的最高電壓限值，否則系統(tǒng)高壓安全問題難以解決。本文選定電池組的額定電壓為380 V，對釩電池而言，單體電池模塊的電壓為12 V，因此所需總模塊數(shù)N=380/12=31.666 7，取整后為32。

在確定釩電池容量時，可參考同類車型的蓄電池容量。本文參考BJD6100－EV車型，根據(jù)已有的相關(guān)研究確定電池容量為365 Ah［5］。

2.6 其他模型的選取

當(dāng)釩電池電動公交車電機(jī)選取時，是在原有電機(jī)模型參數(shù)基礎(chǔ)上修改的。修改后，該電機(jī)模型的最小工作電壓為247 V。

其他模型包括變速箱(包括主減速器)模型、車輪/車橋模型、附件模型和能量控制模型［6］。根據(jù)現(xiàn)有模型數(shù)據(jù)，選擇變速箱模型為手動TX_1SPD_BUS，車輪/車橋模型為WH_HEAVY，附件模型為ACC_SER_HYBRID_BUS，能量控制模型為PTC_EV。

3 仿真結(jié)果分析

車輛動力性和經(jīng)濟(jì)性的仿真結(jié)果如表2所示。

表2 車輛動力性和經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

1)經(jīng)濟(jì)性。該仿真模型車輛等效油耗為10.8 mpg(英里每加侖)，折合百千米油耗為26.14 L/100 km。從蓄電池SOC圖可以看出，蓄電池SOC值從1降為0.12，所耗電池容量Q=365×(1－0.12)=321 Ah，蓄電池工作電壓為380 V，80 km耗 電 量 為W=321×380=121 980 Wh≈122 kWh，該車型平均能耗為1.52 kWh/km，即行駛1 kg需要耗電1.52度。假設(shè)市場油價為6元/L，工業(yè)用電0.8元/(kW·h)，則等效油耗價值Q1=26.14×6=156元/100 km，而使用電能的價值Q2=152×1=122元/100 km。另外作為純電動車，它在行駛中無污染，噪聲也小得多，能量利用效率高，還能節(jié)約能源，所以倘若能降低釩電池的生產(chǎn)成本，這種車型具有很好的市場前景。

2)動力性。0～80 km加速時間為41.9 s，這與設(shè)計原始數(shù)據(jù)40 s基本相符。0～40 km的加速時間也只要8.3 s。仿真結(jié)果的最高車速達(dá)到60.9 mph，即98 km/h，同樣能夠很好地滿足原始設(shè)計值。該車以10 km/h速度行駛時的最大爬坡度為19.8%，具有很好的爬坡性能。

4 結(jié)束語

通過對所建立的釩電池動力電動公交車模型，利用ADVISOR軟件對其進(jìn)行動力性和經(jīng)濟(jì)性仿真分析，結(jié)果表明:所建立的模型基本符合原始設(shè)計條件，該車型平均能耗為1.22(kW·h)/km，0～80 km加速時間為41.9 s，10 km/h速度行駛時的最大爬坡度為19.8%，在動力性和經(jīng)濟(jì)性上都能夠滿足城市公交車的要求。此外該車型使用過程中無污染、噪聲小，使用成本也比較低。值得強(qiáng)調(diào)的是，如果該車型采用車隊(duì)建制，如能再建造一個太陽能充電式電解液更換站，將是城市公共交通的一種理想模式。

［1］ 郭炳焜.化學(xué)電源—電池原理及制造技術(shù)［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2009.

［2］ 羅冬梅.釩氧化還原液流電池研究［D］.沈陽:東北大學(xué)，2005.

［3］ 陳清泉.電動車現(xiàn)狀和趨勢［J］.機(jī)械制造與自動化，2003(1):1－4，19.

［4］ 劉清虎.純電動汽車整車能量建模與仿真分析［D］.長沙:湖南大學(xué)，2003.

［5］ 汪學(xué)明.純電動汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的仿真研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2009.

［6］ 王勇.燃料電池電動車動力傳輸系統(tǒng)的布置、建模與仿真［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2004.