汽车新能源应用技术

1 汽车新能源应用技术 何洪文副教授 车辆实验楼511B房间 010－68914842 hwhebit@bit.edu.cn 研究生学位课 概述 † 汽车能源应用现状及其特点 † 汽车工业的节能减排和可持续发展 † 汽车能源的未来和应对措施 † 新能源汽车的概念和类别 † 汽车新能源技术应用现状及特点 † 汽车新能源技术的发展趋势分析 课后思考题： 1.我国新能源汽车的种类和特点； 2.世界范围内新能源汽车的发展战略(欧洲、美洲、日本等)； 3.论述发展新能源汽车的必要性； 4.节能减排与新能源汽车之间的关系。 第二章 纯电动汽车技术 研究生学位课 汽车新能源应用技术 2 † 现代电动汽车的概念及特点 † 纯电动汽车构造和工作原理 † 纯电动汽车的整车技术 † 纯电动汽车的能量管理和控制技术 † 纯电动汽车的充电技术 † 纯电动汽车示范运行技术 纯电动汽车技术 现代电动汽车的概念及特点 电动汽车是以电驱动为基础的机动车辆，电驱动由电动机、功 率转换器以及电源组成，在现代电力电子技术发展下，形成了 自己独特的特点； „ 对现代社会而言，电动汽车不仅是一辆车，而且是实现清洁、高效道路运 输的一个全新的系统； „ 电动汽车系统是一个便于和现代交通网络结合的智能系统； „ 电动汽车的是和艺术的结合； „ 必须重新定义电动汽车的工作条件和工况循环； „ 必须对用户对于电动汽车的期望进行调研，这样就能对用户进行适当的有 关电动汽车知识的教育。 ‡ 现代电动汽车理念 ‡ 现代电动汽车组成 机械子系统由底盘和车身、驱动装置、变速器以及电源箱体组成，与之相关的 因素包括道路特性、防撞性、汽车的内部空间、装配时间、适用性以及价格。 电力电子子系统由动力网、电机、控制器和能源系统组成，与之相关的因素有 安全、规则、标准、效率、可靠性、重量以及价格。 信息系统用于处理司机的意愿，并监控汽车的运行、电源、电机、控制器和充 电器的状态，相关的因素有通讯网络、数据处理的算法以及和通讯相关的故障 诊断和充电控制。 现代电动汽车的概念及特点 ‡ 电动车辆总布置设计： „ 电动车辆类型的选择； „ 考虑选用和设计哪些关键技术装备，如何将关键技术装备合理、有序、 便于安装和维修地布置在普通汽车底盘上； „ 进行整车动力性能的设计计算，总质量和质量分配的设计计算，要求保 证电动车辆的动力性能和合理的轴荷分配； „ 电动车辆的电子、电气设备的通信网络的建立和控制系统的设计； „ 现代技术在电动车辆上的综合应用等。 现代电动汽车的概念及特点 3 ‡ 新开发电动车辆总布置设计： „ 电动车辆类型的选择； „ 摆脱用传统汽车底盘改装的模式，用现代设计理念设计和制造技术 设计电动车辆的整车造型； „ 研究和开发电动车辆的专用底盘(电动化底盘)，使电动车辆更加安 全、更加节能、更加环保； „ 现代技术的应用：包括虚拟设计技术、现代控制理论、仿真技术、 CAN总线系统和线控技术等的应用。 现代电动汽车的概念及特点 ‡ 电动车辆设计中的工程哲学 电动车辆的工程哲学在本质上是把汽车工程和电气工程结合在一起，因此， 要在可接受的价格基础上得到好的电动汽车性能必须首先考虑系统的整合和 优化。由于电动汽车的驱动特性与燃油汽车的内燃机驱动有着本质的不同， 对电动汽车工程而言，它需要一种全新的设计方法。能使电动汽车与燃油汽 车相竞争的关键是先进的电源和智能化的能量管理系统。当然，能否使电动 汽车市场化的决定性因数是其总体价格。 现代电动汽车工程的主要问题，是要将汽车工程、电气、电子工程以及化学 工程领域中最新的技术发展结合到电动汽车的设计中来，找到适合于电动汽 车的独特的设计方法和制造技术，实现电动汽车能量的最优化利用。 现代电动汽车的概念及特点 ‡ 电动车辆开发中应考虑的具体问题 „ 了解车辆使用的市场和环境； „ 决定电动汽车的设计哲学； „ 决定使用电动汽车所需的基础设施，以及蓄电池的回收设施； „ 决定整个系统的结构—纯电动汽车、混合车和燃料电池车的结构； „ 设计底盘和车身； „ 决定能量方式，采用发电方式或储存方式，纯电动式或混合式； „ 决定驱动系统，包括电动机、转换器和变速器的类型，单电机和多电机驱动，有齿轮减速或 无齿轮减速器及其安装方式、混合车中的内燃机系统等等； „ 根据电动汽车的行驶要求，决定电驱动的技术条件和能源的容量、电流和电压。 „ 采用智能化的能量管理系统； „ 分析各个子系统之间的相互作用，以及对安全和成本的影响； „ 根据选定的驾驶模式和工作条件优化电机驱动的效率； „ 通过计算机仿真优化整个系统。 现代电动汽车的概念及特点 电动车辆整车的研究、设计、开发、试制和试验； 电动车辆关键技术装备的研究、设计、开发、试制和试验。 电动车辆技术研发和技术准备： 电动车辆试验考核和示范运行： 按照国家的规划、电动车辆的国家标准和企业标准、试验条件和试验方法等进行整车性能 型式认证试验和可靠性考核试验。 通过国家标准，进行电动车辆的试运行试验以及安全性、可靠性、节能性、环保性和成本 等多方面的考核和认证试验； 经过国家主管领导部门、汽车产品质量检测部门、公安部门和交通管理部门的考核和定型 鉴定； 自主知识产权的保护。 电动车辆整车产品公告和产业化： 电动车辆整车批量生产和产业化，市场推广应用。 现代电动汽车的概念及特点 4 † 现代电动汽车的概念及特点 † 纯电动汽车构造和工作原理 † 纯电动汽车的整车技术 † 纯电动汽车的能量管理和控制技术 † 纯电动汽车的充电技术 † 纯电动汽车示范运行技术 纯电动汽车技术 纯电动汽车的构造和工作原理 † 内燃机汽车传动系统 发动机、发动机控制装置、机械式动力 传动系统、燃油箱、排气系统 能量的补充方式是向燃油箱加入燃油 纯电动汽车传动系统 „镍镉电池组：264V/140Ah/2000次，动力电池组布置在后排座椅下部； „永磁直流无刷电动机45kW/50kW; „130km/h0~48km/h加速时间6.3sRange270km@88km/h 主电源到电动机的电路； 主电源-DC/DC变换器-汽车电器设备 用电源-电器设备； 制动能量回收到主电源； 主电源充电电路 纯电动汽车传动系统 5 常规型传动系统 纯电动汽车传动系统 无差速器型传动系统 纯电动汽车传动系统 无变速器型传动系统 纯电动汽车传动系统 电动轮型传动系统 纯电动汽车传动系统 6 直流电动机驱动系统 纯电动汽车传动系统 交流电动机驱动系统 纯电动汽车传动系统 电力驱动子系统 电控单元 功率转换器 电动机 机械传动装置 驱动车轮 主能源子系统 主电源 能量管理系统 充电系统 辅助控制子系统 纯电动汽车传动系统 纯电动汽车传动系统 7 M GB D C 纯电动汽车传动系统 M FG D 纯电动汽车传动系统 M FG D 纯电动汽车传动系统 † 车辆电传动的结构形式 M FG FG M 纯电动汽车传动系统 8 † 车辆电传动的结构形式 FG FG M M 纯电动汽车传动系统 M M 纯电动汽车传动系统 PM PM 纯电动汽车传动系统 † 现代电动汽车的概念及特点 † 纯电动汽车构造和工作原理 † 纯电动汽车的整车技术 † 纯电动汽车的能量管理和控制技术 † 纯电动汽车的充电技术 † 纯电动汽车示范运行技术 纯电动汽车技术 9 纯电动汽车整车技术 香港大学U2001-EV电动轿车 比亚迪汽车公司的ET纯电动汽车 „ 4605mm×1832mm×1590mm 3100mm „整备质量1205kg/满载1505kg „ 165km/h,30%,0z100km/h=8.5s „ Range=350km Witnout/300km With AC „ Li-ion动力电池组296V@200Ah@400kg „接触式充电5h/快充60%DOD<1h „ 4×25kW永磁同步电动机 400Nm/2500rpm 5500rpm „ ABS+ASR+ESP集成制动控制系统 „电动转向系统和变频空调系统 纯电动汽车整车技术 北京理工大学纯电动大客车 835 Wh/ km能量消耗率 73.8 dB(A)加速行驶车内噪声 76.4 dB(A)加速行驶车外噪声 190km续驶里程@40km/h ≥ 20％最大爬坡度 9.0 m制动距离@30km/h 14.6s30～50km/h加速时间 10.2s0～30km/h加速时间 80km/h最高车速 50人乘客数 14500/18000（kg）整备质量/满载质量 11850×2540×3300 （mm）整车外廓尺寸 交流电机100kW＋三挡自动变速系统动力驱动系统 锂离子动力电池388V，360Ah动力电池 纯电动汽车整车技术 博信锌-空气电池大客车 装备了DQFC94/94-330型锌－空气电池； 电池组装在大客车的顶棚上。 最高车速72km/h 整备14000kg / 最大19000kg 锌空气电池：2000kg 170kg锌燃料 230～400V 3×330Ah 340kWh <180A 纯电动汽车整车技术 10 哈尔滨超级电容器客车 最高车速50km/h; RANGE=25km/15km市区; 超级电容器：600个单体电容器组成，工作 电压320~160V,输出能量14kWh; 驱动电动机：直流永磁电动机，90kW 超级电容器充电：380V@50Hz, 300A,15min; 位于车顶的充电设备会自动垂直升起，搭到 隐藏在候车站“屋檐”下的电缆上，30秒即可 完成充电，一次充电能平稳行驶3~8公里， 最高速度可达每小时44公里 纯电动汽车整车技术 美国通用汽车EV1 脊梁式车架； T形布置蓄电池组； 纯电动汽车整车技术 日本丰田汽车公司RAV4-EV 125km/h， Range=215km 免维护密封型NiMH动力电 池组 288V ，强制空气冷 却，布置在底盘中部和座 椅的地板下面，保证了车 厢有宽大的乘坐空间以及 较大的行李舱装载空间 45kW永磁电动机驱动，再 生制动。 纯电动汽车整车技术 日本本田汽车公司EV-Plus 家用轿车 130km/h， Range=210km 免维护密封型NiMH动力电池 组288V，动力电池组和各种 高压电气系统集中为一个整 体电池箱，乘坐空间与动力 电池箱完全隔离 49kW，275Nm永磁无刷电动机 驱动，再生制动。 功率调控装置PCU，集中控 制，集中水冷却系统 纯电动汽车整车技术 11 Keio Advanced Zero-Emission vehicle 8×8轮毂电机驱动驱动类型 600 kg 重量 55 kWh / 315 V 总容量 88 Ah, 3.75V 单体电池 锂离子类型 动力 蓄电 池 12000 rpm 最高转速 55 kw (73 PS) x 8 最大功率 100 Nm x 8 ( 0-5500 rpm) 最大转矩 永磁同步电机电机类型电机 驱动 系统 15.3 sec. (0-400m)加速性能 311.67 km/h 最高车速 300 km ( 100km/h 等速 )续驶里程 动力 性能 纯电动汽车整车技术 纯电动汽车特征技术 电池配置 对发动机汽车进行改造制成的电动汽车,有利于 控制成本 标志106 大众GOLF EV1 2座 EV-PLUS 框架式结构，不密封、刚 性与车体固定 集成电池管理、 箱体半封闭 集成实时监控和管理，箱体全封 闭式，与整车绝缘悬浮固定 纯电动汽车特征技术 外箱体：固定在车架上，整体结构采用钢板冲压成型，外表面喷塑处理，内部喷 涂防火绝缘漆，为电池安装提供一个防水、防火、通风的空间。 纯电动汽车特征技术 12 内箱体:提供电池单体安装、固定，电池管理系统，高压防护系统，通风系 统，快速更换接口等安装空间。 纯电动汽车特征技术 可自动快速更换的电池箱系统 箱体模块内，电池容量、电压可根据整车需要 调整。浮动定位，自动快速插接，快速更换。 并实现了更换过程中动力线、通讯线同步自动 插接。 解决了电池箱防尘、防水、防火、通风、散热、对车体绝缘等六方面关键技术。 纯电动汽车特征技术 前面板采用双层式结构，实现电池管 理系统、电池熔断防护系统、手动电 池参数测量系统隐藏式布置； 建立了电池箱侧碰撞缓冲区，实现电 池被动碰撞、过流短路等极端工况的 安全保证。 电池箱内烟雾报警系统、电池极柱、 动力线插头温度检测系统，实现24 小时全天候危险工况预警。 烟雾报警器 温度传感器 可自动快速更换的电池箱系统 纯电动汽车特征技术 内外箱体定位及插接结构：内箱体底部冲压定位导向杆与外箱体右侧滚轮导向定位槽 配合，起到导向定位作用。内外箱体通过定位销实现连接定位。在电池内箱插到底部 时，实现动力线和通讯线插接。 防尘罩 定位销 动力线插接结构 定位槽内箱体底部定位导向杆 通讯线插接结构 防火涂料 纯电动汽车特征技术 13 纯电动汽车特征技术 纯电动汽车特征技术 纯电动汽车特征技术 空气阻力的降低 EV1加大了前端和后端玻璃的倾斜 度； 挡泥板的车轮切割部分安装大的盖 板，使空气平滑流动； 流线型平滑车体形状，呈水滴状，后 部宽度约减少到车体最大宽度的60% 车体下部平滑。 空气阻力系数＝0.19/(0.26) 纯电动汽车特征技术 14 重量的减轻(轻量化设计) EV1铝空间框架，相对钢架降低40% 框架的结合采用环氧树脂粘合剂粘接， 铆钉以及点焊的数目减少40%; 方向盘的芯部、座椅架使用镁制造，控 制仪表板采用玻璃纤维强化甲酸酯和甲 酸酯表皮，省去金属 驾驶系统的前端和后端部件采用铝，前 端Y字形悬挂系统的上臂和下臂采用铝 煅造品。 鼓式制动器用铝和碳化硅复合材料做 成，压铸铝制超薄轮胎。 纯电动汽车特征技术 结合遗传算法和有限元技术，用C++语言编制优化程序。经优化，车身骨架总质量减轻 了719kg，减重比例为25%，同时车身骨架的强度和刚度仍满足要求。 30279N.m/度40200N.m/度车身扭转刚度 120Mpa119Mpa最大应力 258Mpa281Mpa最大应力 2178kg2897kg车身骨架总质量 优化后优化前 优化前后车身骨架参数比较 开始 将决策变量进行编码 初始化种群 是否收敛到最优解 选择 交叉 变异 竞争最优保留 弯扭工况 制动工况 转弯工况 弯曲工况 输出结果 终止 计算每个个体的适应度 是 纯电动汽车特征技术 再生制动和电动制动以及辅助系统 纯电动汽车特征技术 辅助装置对驱动的影响 续驶里程增加的最适宜温度是18~20度 纯电动汽车特征技术 15 辅助装置对驱动的影响 纯电动汽车特征技术 辅助装置对驱动的影响 纯电动汽车特征技术 电机和电池的冷却 纯电动汽车特征技术 † 现代电动汽车的概念及特点 † 纯电动汽车构造和工作原理 † 纯电动汽车的整车技术 † 纯电动汽车的能量管理和控制技术 † 纯电动汽车的充电技术 † 纯电动汽车示范运行技术 纯电动汽车技术 16 动力蓄电池可用容量随着放电率的增加而有所下降 ‡动力蓄电池的放电特性 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 5 7 10 C 120 100 60 80 0 20 40 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池的放电特性 ( V ) 蓄电池的端电压随着放电时间和放电率的增加而下降 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池的充电特性 2.8 1401208060 10040200 3.6 3.2 3.4 4.0 3.8 3.0 4.2 4.4 4.62.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 160 铅酸电池 0.1C 0.2C 0.1C 0.2C 不同类型的蓄电池其充电特性曲线不 同。 在充电过程中必须严格控制电压和温 度，以防止蓄电池的过充和过热，因 为过充或过热对电池的性能和寿命会 产生永久性的损坏，甚至会引发严重 的安全问题。 电压控制型充电； 电流控制型充电； 电压和电流控制型充电 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡铅酸动力蓄电池的充电方法 S3 S1 S2 12 10 8 6 4 2 7650 1 2 3 4 充电时间(h) 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 1.8 2.6 S4 多步恒流充电，主要特点是它能减少过充，并通过四步分步充电(S1/S2/S3/S4恒流 充电+涓流均衡充电)来提高系统的充电效率。 纯电动汽车的能量管理和控制技术 17 ‡镍氢动力蓄电池的充电方法 0 25 50 75 100 125 150 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 输入容量(%) 0.1C 1C 0.3C采用恒流充电方式 由于镍氢电池对过充非常敏感，所以对充 电电流必须加以限制以避免出现过温升 适当的充电控制对于避免镍氢电池的过 充电非常重要： 电池电压降法(–ΔV)或者称为零 电压降法(0ΔV)； 温度控制法(TCO)； 温升控制法(ΔT/Δt) 电池电压 温度 V- TCO tΔ/TΔ 温升率 充电时间 充电停止点 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池管理系统(Battery Management System) 对电动汽车动力电池实施有效的管理，使动力电池工作在合理的电压、电流、温度范围 内，并且尽可能地延长电池的使用寿命，严格保证动力电池使用安全。 数据采集 数据显示 状态估计 热管理 数据通信 安全管理 能量管理 故障诊断 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池管理系统(Battery Management System) BMS一般由一些传感器(用于测量电压、电流和温度等)、一个带微处理器的控制单元和 一些输入/输出接口组成。BMS最基本的作用是监控电池的工作状态(电池的电压、电流 和温度)，预测蓄电池的SOC和相应的剩余行驶里程，管理电池的工作情况(避免出现过 放电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象)以便最大限度的利用电池的存 储能力和循环寿命。 纯电动汽车的能量管理和控制技术 非在线分析装置电池电压、电流和温度电池诊断 显示装置电池电压、电流和温度预测电池的SOC和剩余行驶里程 平衡装置电池电压和温度电池组件电压和温度的平衡 热管理系统电池的温度温度控制 电机功率转换器电池电压、电流和温度避免深放 充电器电池电压、电流和温度防止过充 执行器件传感器输入的信号任务 ‡动力蓄电池管理系统(Battery Management System) 纯电动汽车的能量管理和控制技术 18 电池组集中式管理结构 电池组分布式管理结构 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡电压采集 继电器阵列 A/D 转换 光 耦 隔离 单 片 机 驱 动 电 路 1 2 . n+1 继电器阵列法 由端电压传感器、继电器阵列、A/D转换芯片、光藕、多路模拟开关等组成。如果需 要测量n块串联成组电池的端电压，就需要将n＋1根导线引入电池组中各节点。当测 量第m块电池的端电压时，单片机发出相应的控制信号，通过多路模拟开关、光藕和 继电器驱动电路选通相应的继电器，将第m和m＋1根导线引入到A/D转换芯片。整个 电路结构简单，只有分压电阻和模数转换芯片还有电压基准的精度能够影响最终结 果的精度，并且通常电阻和芯片的误差都可以做得很小。所以在所需要测量的电池 单体电压较高而且对精度要求也高的场合最适合使用继电器阵列法。 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡电压采集 恒流源法 + -1U + + 2U +12V 2R 1R 3R 0U + I oV 运放和场效应管组合构成的运算恒流源电路 在不使用转换电阻的前提下，将 电池端电压转化为与之成线形变 化关系的电流信号，以此提高系 统的抗干扰能力。 纯电动汽车的能量管理和控制技术 隔离运放采集法 ‡电压采集 隔离运算放大器是一种能够对模拟信号进行电气隔离的电子元件，非常适合应用于 电池单体电压采集电路中，它能将输入的电池端电压信号与电路隔离，从而避免了 外部干扰而使系统采集精度提高，可靠性增强。 该 部 分 重 复 4 9 次 I S O 1 2 2 + V - V VU 1 21 = VU 1 22 = VU 1 24 9 = VU 1 25 0 = I S O 1 2 2 + V - V 1 2 3 1 5 1 6 9 1 0 7 8 1 2 1 5 1 6 9 1 0 7 8 1 2 3 + V - V + - A 5 6 1oU 5 0oU 多 路 复 用 器 单 片 机 控 制 电 路 ISO122的输入部分电源取自动力电 池组，输出部分电源则出自电路板 上的供电模块，电池端电压经两个 高精密电阻分压后输入运放，与之 成线性关系的输出信号经多路复用 器后交单片机控制电路处理。隔离 运放采集电路虽然性能优越，但是 较高的成本却影响了其广泛应用。 纯电动汽车的能量管理和控制技术 19 ‡电压采集 压/频转换电路采集法 把电压信号转换为频率信号的元件，具有良好的精度、 线性度和积分输入等特点, LM331 inV sV sV sV− 1R 2R 3R4R 5R 6R 7R 8R 9R 10R 11R 1C 2C 3C outf sV sV− icVlog 1N 电压信号直接被转换为频率信号，随 即就可以进入单片机的计数器端口进 行处理，而不需A/D转换。这种方法 所涉及的元件比较少，但是压控振荡 器中含有电容器，而电容器的相对误 差一般都比较大，而且电容越大相对 误差也越大 纯电动汽车的能量管理和控制技术 线性光藕合放大电路采集法 ‡电压采集 1U 2U 1R 2R 3R 4R5R 6R 1A 2A rI 1pI 2pI 电池单体电压值(即 1U 与 2U 之差)经运算 放大器 1A 后被转化为电流信号 P1I 并流过 线性光耦 TIL300，经光电隔离后输出与 P1I 成线性关系的电流量 P2I ，再由运算放 大器 2A 转化为电压值得以进行 A/D 转换 并完成采集。 线性光耦放大电路不仅具有很强的隔 离能力和抗干扰能力，还使模拟信号 在传输过程中保持了较好的线性度， 因此可以与继电器阵列或选通电路配 合应用于多路采集系统中，但其电路 相对较复杂，影响精度的因素较多。 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡温度采集 热敏电阻采集法：利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性，用一个定值电 阻和热敏电阻串联起来构成一个分压器，从而把温度的高低转化成为电压信号，再 通过模数转换得到温度的数字信息。但是热敏电阻的线性度不好，而且制造误差一 般也比较大。 电热偶采集法：热电偶的作用原理是双金属体在不同温度下会产生不同的热电动势。 通过采集这个电动势的值就可以通过查表得到温度的值。由于热电动势的值只与材 料有关，所以热电偶的准确度很高。但是由于热电动势都是毫伏等级的信号，所以 需要放大，造成外部电路比较复杂。一般来说金属的熔点都比较高，所以热电偶一 般都是用于高温的测量。 集成温度传感器：集成温度传感器很多都是基于热敏电阻式的，但都在生产的时候 仔细校正过，所以精度可以媲美热电偶，而且直接输出数字量，很适合在数字系统 之中使用。 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键 „动力蓄电池建模－电压-内阻模型 纯电动汽车的能量管理和控制技术 20 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键 „动力蓄电池数学建模－PNGV动态模型 Rp为电池内部由于电解液浓度 差造成的极化内阻，Ω； C为电池内部由于电解液浓度差 造成的极化电容，F； 1/Uoc’为描述电池开路电压随负 载电流积分变化的等效电容，F。 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键 „动力蓄电池数学建模－充放电MAP 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键 „动力蓄电池SOC估计－理论计算法 %100×= t r C CSOC Cr和Ct分别表示蓄电池在计算时刻的剩余容量 和总容量, Cr受放电率或放电电流的影响很大. %100×= tI rI I C CSOC „ Peukert方程，电池的可用 容量与放电电流存在： InTi=K K为常数，表示电池的可用 容量。 则： 11 −− ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Δ−= n k s s k kk I IC tISOCSOC 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键 „动力蓄电池SOC估计－开路电压法 只适用于OCV随SOC变化明显的蓄电池 2.5 3.0 4.54.03.5 0 25 100 75 50 对于测试稳定状态下的SOC有很高的精度，主要 缺点在于蓄电池在充电或放电之后，OCV需要很 长的时间才能稳定(一般是12h) 纯电动汽车的能量管理和控制技术 21 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键 „动力蓄电池SOC估计－安时计量法 ∫−= t N Idt C SOCSOC 0 0 1 η 初始SOC0的确定； 电流测量不准确导致SOC计算累积误差； 电池充放电效率的合理取值。 „动力蓄电池SOC估计－负载电压法 根据放电电压和电流查表确定，能实时估计 电池组SOC,但实际应用中剧烈波动的电压给 负载电压法带来应用困难。 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键 „动力蓄电池SOC估计－安时计 量法+开路电压补偿算法 %100× 总体可用的安时 时剩余的安时－消耗的安 ∫ t Idt 0 ％总体可用安时 时剩余的安时＋增加的安 100× 纯电动汽车的能量管理和控制技术 „电池组峰值功率预测 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键 ① 放电功率：基于当前电池组状态，在 tΔ 时间内预测出电池组最大输出功率， 而不超出电池组当前约束条件，包括单体电压、荷电状态、功率和电流。 ② 充电功率：基于当前电池组状态，在 tΔ 时间内预测出电池组最大吸收功率能 力，而不超出电池组当前约束条件，包括单体电压、荷电状态、功率和电流。 min max min max min max min max ( ) ( ) ( ) ( ) u u k u z z k z p p k p i i k i < <⎧⎪ < <⎪⎨ < <⎪⎪ < <⎩ 纯电动汽车的能量管理和控制技术 基于电池电压预测方法„电池组峰值功率预测 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键 k k k( ) OCV( ( )) ( )u t z t R i t= − × dis volt k min max k dis chg volt k max min k chg OCV( ( )) OCV( ( )) z t ui R z t ui R −⎧ =⎪⎪⎨ −⎪ =⎪⎩ ( ) ( ) ch g c h g v o lt m in s p m a x m in kk d is d is v o lt m a x s p m in m a x kk m a x ( ) m in ( ) P n n u i P n n u i ⎧ =⎪⎨ =⎪⎩ (1)没有考虑电池电池 SOC、功率 和电流的约束，不够完善； (2)仅 考虑了电池组瞬时功率，不能适 用于给定时间 tΔ 内的持续峰值 功率预测，电池可能出现过充或 过放现象； (3)电池组模型过于简 单，不能给出较为准确的结果； (4)比较粗糙的预测结果不能反映 电池组真实状态，电池组使用寿 命会受到影响。 纯电动汽车的能量管理和控制技术 22 基于电池SOC预测方法„电池组峰值功率预测 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键 k k k k( ) ( ) ( ) tz t t z t i t C η Δ⎛ ⎞+ Δ = − ⎜ ⎟⎝ ⎠ dis soc k min max k chg soc k max min k Ah ( ) ( ) z t zi t C z t zi t Cη −⎧ =⎪ Δ⎪⎨ −⎪ =⎪ Δ⎩ ( ) ( ) chg soc chg soc min min kk dis soc dis soc max max kk max min i i i i ⎧ =⎪⎨ =⎪⎩ dis soc min max chg soc max min Ah ( ) ( ) z t zi t C z t zi t Cη −⎧ ≈⎪ Δ⎪⎨ −⎪ ≈⎪ Δ⎩ 纯电动汽车的能量管理和控制技术 基于电压和SOC的电池组峰值功率预测„电池组峰值功率预测 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键 k k k( ) OCV( ( )) ( )u t t z t t R i t+ Δ = + Δ − × k A h k k k A h A h k k z = z ( t ) 1 k k O C V ( ( ) ) O C V ( ( ) ) O C V ( ) = O C V ( ( ) ) ( ) ( ( ) , ) tz t t z t i C t tzz t i R z t i C z C η η η Δ+ Δ = − Δ Δ∂− × +∂ k Ah k k k z=z (t) k OCV( )( ) OCV( ( )) ( ) ( )t zu t t z t i R i t C z η Δ ∂+Δ = − × − ×∂ 纯电动汽车的能量管理和控制技术 k k d is vo lt k m in m ax k z= z (t) d is ch g vo lt k m ax m in k A h z= z (t) ch g O C V ( ( )) O C V ( ) O C V ( ( )) O C V ( ) z t ui t z R C z z t ui t z R C z η −⎧ =⎪ Δ ∂ +⎪⎪ ∂⎨ −⎪ = Δ ∂⎪ +⎪ ∂⎩ 基于电压和SOC的电池组峰值功率预测„电池组峰值功率预测 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键 chg chg min p min k 1 chg chg chgAh p min k min chg min 1 ( ) (OCV( ( ) ) ) s s n k n k P n i u t t tn i z t i R i C η = = = + Δ Δ≈ − − × ∑ ∑ s s n dis dis max p max k k=1 n dis dis disAh p max k max dis max k=1 ( ) (OCV( ( ) ) ) P n i u t t tn i z t i R i C η = + Δ Δ≈ − − × ∑ ∑ 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键-热管理系统 蓄电池 气流 变速风扇 电池组 系统组成：电池箱、风机、传热介质、监测设 备等 系统功用： „电池温度的准确测量和监控； „电池组温度过高时的有效散热和通风； „低温条件下的快速加热； „有害气体产生时的有效通风 „保持电池组温度场的均匀分布。 纯电动汽车的能量管理和控制技术 23 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键-热管理系统散热结构设计 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键-均衡装置设计 t C I u t uCI i i i i Δ=Δ⇒Δ Δ= ChargeCharge t C I u t uCI i i i i Δ=Δ⇒Δ Δ= DischargeDischarge 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键-均衡装置设计(单体电池间的自动均衡) 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键-均衡装置设计(充电器均衡充电控制) 纯电动汽车的能量管理和控制技术 24 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键-均衡装置设计(充电器均衡充电控制) 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键-均衡装置设计(充电器均衡充电控制) 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键-均衡装置设计(均衡管理模块辅助控制) 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键-均衡装置设计(均衡管理模块辅助控制) „ 功耗型 „ 电阻分流均衡 „ 压控电流分流均衡 纯电动汽车的能量管理和控制技术 25 ‡动力蓄电池管理系统的技术关键-均衡装置设计(均衡管理模块辅助控制) „ 能量回收型 DC/DC回馈 隔离DC/DC双向 回馈 集中式隔离 DC/DC回馈 多线圈变压器均 衡 纯电动汽车的能量管理和控制技术 对电池组实施智能化的管理对提高电池寿命、为多能源管理控制系统提供准 确的电池组状态很有必要，是决定电池组是否能实现车辆行驶功率均衡的关 键。 纯电动汽车的能量管理和控制技术 纯电动汽车的能量管理和控制技术 纯电动汽车的能量管理和控制技术 26 ‡动力蓄电池管理系统举例 韩国大宇公司DEV5-5电动 汽车电池管理系统： „ 电池控制单元BCU „ 主充电器 „ 辅助充电器 „ 热管理系统 „ SOC计 „ 电池警报装置 „ 模块传感装置 „ 安全模块 纯电动汽车的能量管理和控制技术 ‡动力蓄电池管理系统举例 电池控制单元实时监测电池工作状态，向各子系统发送合适的指令以使动力电池正常工作 纯电动汽车的能量管理和控制技术 防止过充、过放，合理利用剩余电量-高精度、高可靠性的专用电池管理系统 电池管理系统结构 SOC的实时在线估算方法 电池电压测量精度：0.5% 电池温度测量误差：±0.5℃ 电流测量精度：0.5% 电池的SOC估算精度：<8% 工作温度：-25－75℃ 电池管理系统 配 套 手 持 检 测 设 备 电池箱面板内设备布置图 纯电动汽车的能量管理和控制技术 高压电安全和电池组安全是必须解决的最重要的核心技术。 单体电池温度和电压 独立自动监控预警 1 单体电池温度和电压 独立自动监控预警 111 66 88 77 66668888 7777 电池舱烟雾探测电池舱烟雾探测 44 电池舱烟雾探测电池舱烟雾探测 44 33 电池箱系统防挤压和碰撞电池箱系统防挤压和碰撞333333 电池箱系统防挤压和碰撞电池箱系统防挤压和碰撞 电池安全技术电池安全技术 电池散热与阻燃电池散热与阻燃55 电池散热与阻燃电池散热与阻燃5555 22 电池箱快速解脱电池箱快速解脱 2222 电池箱快速解脱电池箱快速解脱 纯电动汽车的能量管理和控制技术 27 ‡动力蓄电池管理系统设计要求 国家"十一五"863项目对电池管理系统的具体要求: 电池管理系统工作稳定; 传输的数据真实可靠; CAN通信功能稳定; 有效的充放电保护措施和散热环境; 通过国家权威机构电磁兼容性试验及振动实验; 保证电池与电池箱之间的绝缘电阻; 工作温度范围为-20~600C; 电压检测精度为士0·6%; 电流检测精度为士0.5%; 温度检测精度为士0.5oC; SOC估计精度为6%。 纯电动汽车的能量管理和控制技术 纯电动汽车的能量管理和控制技术 采用三路CAN总线分别对整车高压、低压和电池等系统信息进行采集和控制，突破 了电驱动系统对整车的电磁干扰。 车身中央控制系统充电机控制系统 左前灯节点右前灯节点前门节点后顶节点后门节点后灯节点 GPS模块电池管理系统 驾 驶 室 显 示 系 统 ABS AMT控制器 电机控制器 整 车 控 制 器 CAN2 CAN3 CAN1 纯电动汽车的能量管理和控制技术 † 现代电动汽车的概念及特点 † 纯电动汽车构造和工作原理 † 纯电动汽车的整车技术 † 纯电动汽车的能量管理和控制技术 † 纯电动汽车的充电技术 † 纯电动汽车示范运行技术 纯电动汽车技术 28 纯电动车辆充电技术 充电器可分为车载和非车载两种。车载充电器一般设计为小充电率，它的充电时间长 (一般是5~8小时)。由于电动汽车车载重量和体积的限制，车载充电器要求尽可能体积 小、重量轻(一般小于5kg)。因为充电器和电池管理系统(负责监控蓄电池的电压、温度 和荷电状态)都装在车上，所以它们相互之间容易利用电动汽车的内部线路网络进行通 讯，而且蓄电池的充电方式是预先定义好的。而非车载充电器一般设计为大充电率， 没有重量和体积的限制。 蓄电池充电器 纯电动车辆充电技术 接触式充电器简单采用插头与插座的金属接触来导电，充分利用了技术成熟、工艺 简单和成本低廉的优点。 dcV+ dcV− acV~ dcV+ dcV− acV~ 接触式充电器 纯电动车辆充电技术 整流器 功率转换器 充电站控 制器 电池管理系 统 蓄电池 电力驱动 保 护 电 路 电 压 电 流 显示器 电压选择 电流选择 时间选择 启动/停止 电池电压 电池电流 电池温度 电池荷电状态 锁止信息 锁止杠杆 T V I 关闭信 号 插座插头 蓄电池充电器 纯电动车辆充电技术 感应充电器 耦合器 输入口 蓄电池 变换器 整流器 交流电 源 整流器 高频逆变器 充电站 电动车 29 oVdcV 纯电动车辆充电技术 感应充电器 † 实现动力电池快速、高效、安全、可靠、便捷的更换。 † 特点：无线通讯遥控指挥电池的装卸； 激光定位方式，保证定位精度； CAN总线通讯，确认电池箱状态； PLC中央控制，进行更换操作。 纯电动车辆充电技术-机械式充电技术 动力电池更换子系统的构成 水平移动 轨道车 旋转平台 升降臂 伸缩臂 水平推 拉装置电池搁 置平台 控制箱 液压总成 纯电动车辆充电技术-机械式充电技术 † 水平移动轨道车，由电机驱动，主要用于机械臂沿轨道作水平方 向的前进或后退。 † 旋转平台，实现更换，并可调整机和车的平行度。 † 升降臂，实现电池组垂直方向的运输和定位调整。 † 伸缩臂，实现更换机械在水平方向靠近电动客车或电池存储平台。 † 水平推拉装置，实现电池箱在存储平台和车辆电池仓的推入和拉 出。 † 电池搁置平台 ，由电池组钢架和可移动电池组框架两部分组成。 动力电池更换子系统的构成 纯电动车辆充电技术-机械式充电技术 30 更换动作基本原则 † 分箱组合式更换； † 双侧两个更换设备同时独立工作； † 电池选择原则：在充满电的基础上，优先选取电池存储平台上 端电池组进行更换操作（下端为手动更换备用电池组）； † 更换顺序：沿车身方向，先2后3； † 人工选择更换电池组并启动更换设备。 纯电动车辆充电技术-机械式充电技术 关键动作及其用时分布 序号 工作内容 时间 累计时间 1 抽取电动车辆前部电池 58秒 5分20秒 2 移动并旋转 22秒 3 安装电动车辆前部电池 30秒 4 将电池输送并放置到充电架 56秒 5 取充电架上充满电的电池 58秒 6 取电动车辆上后部电池 36秒 7 移动并旋转 24秒 8 安装电动车辆后部电池 36秒 纯电动车辆充电技术-机械式充电技术 奥运村环线 电池更换及充电站 北部赛区环线 媒体村环线 GPRS 网络 GPS卫星 中心区环线 组建了世界上规模最大的纯电动客车车队。在奥运史上，首次组织实施了奥运中心区零排放电 动客车工程，兑现了“使用纯电动客车昼夜不间断服务”的申奥承诺，实现了中央提出的“技术一 流、自主创新、中国特色” 的高水平纯电动客车“奥运中心区服务零抛锚”目标。