純電動車動力系統(tǒng)

1、純電動車動力系統(tǒng)純電動車動力系統(tǒng)李哲李哲清華大學汽車工程系發(fā)動機控制課題組清華大學汽車工程系發(fā)動機控制課題組2006.12NSSN1 純電動概述純電動概述2 純電動動力系統(tǒng)組成純電動動力系統(tǒng)組成3 動力系統(tǒng)的不同布置方法動力系統(tǒng)的不同布置方法4 電機電機 5 電池電池 電池的反應式和基本類型比較電池的反應式和基本類型比較 三類主要實驗，放電特性三類主要實驗，放電特性 與充電方法與充電方法 BMS的任務的任務 SOC估計方法估計方法 單體差異單體差異 安全性管理安全性管理提綱提綱概述概述 發(fā)展純電動車的原因發(fā)展純電動車的原因 環(huán)境環(huán)境 資源資源 政策政策 市場需求市場需求 據(jù)國務院發(fā)展研究中心預

2、測，從2007年我國電力將開始盈余。微型電動汽車在夜間充電有利于我國電力結構優(yōu)化，假定我國2020年電動汽車、微型電動汽車、電動自行車保有量分別達到50萬、500萬和2億輛，以三類電動車年行使里程2萬公里、1萬公里和5000公里為例計算，夜間充電將為電網(wǎng)提供總裝機容量近7%的蓄能設備，為電力產業(yè)發(fā)展節(jié)約投資成本約1000億元。到2008年，北京地區(qū)的機動車排放將實行相當于歐洲號的標準。北京奧組委在北京奧運行動規(guī)劃科技奧運建設專項規(guī)劃中，將電動汽車開發(fā)、示范及產業(yè)化研究、動力鋰離子電池及關鍵材料研究列入重點任務。動力系統(tǒng)組成：動力系統(tǒng)組成：電池及其管理系統(tǒng)電池及其管理系統(tǒng)電機及其管理系統(tǒng)電機及其

3、管理系統(tǒng)輔助子系統(tǒng)輔助子系統(tǒng)純電動動力系統(tǒng)組成純電動動力系統(tǒng)組成動力系統(tǒng)的不同布置方法動力系統(tǒng)的不同布置方法電機電機電磁場基本原理電磁場基本原理磁通、磁場強度、磁感應強度、磁導率電&磁：電動勢E 磁通勢F=NI電流 I 磁通 電流密度I/S 磁感應強度B電阻R=L/rs 磁阻 Rm=L/SI=E/R=E/(L/rs) =F/Rm=NI/(L/S)磁場相互作用磁場相互作用兩個空間磁場，產生相互作用力，使得磁力線方向趨于一致。（指南針）磁力線總是喜歡從磁阻小得地方通過。（吸鐵）電機原理電機原理電機原理：在空間內產生定子磁場和轉子磁場。磁場相互作用產生扭矩和感生電動勢。通過保持兩磁場強度和相

4、對夾角控制扭矩。電動機 (電能機械能)當扭矩方向與旋轉方向相同時輸出機械能。此時感生電動勢方向與電流同相，消耗電能。發(fā)電機 (機械能電能)當扭矩方向與旋轉方向相反時消耗機械能。此時感生電動勢方向與電流反相，產生電能。電機的數(shù)量和布置 選裝幾個電機？ 使用輪轂電機嗎？ 電機選擇什么類型？直流永磁無刷？四輪單獨控制，減少打滑等四輪單獨控制，減少打滑等附著附著制動能量回收制動能量回收重量重量 電機的效率曲線電機的效率曲線輪轂電機輪轂電機線控，體積，空間布置線控，體積，空間布置成本成本浙江雄霸浙江雄霸 800W直流永磁刷直流永磁刷 單個重量約單個重量約8Kg1 直流電機直流電機如傳統(tǒng)汽車用啟動電機 直

5、流電機（通過直流電直接驅動的電機）定子磁場空間固定：通過直流電或永磁體產生轉子磁場空間固定：通過電刷轉子線圈產生 兩空間旋轉磁場，當方向夾角90度時，產生最大作用扭矩。電機分類電機分類2 交流同步電機交流同步電機 交流同步電機(轉子轉速與磁場轉速相同)定子磁場空間旋轉：通過交流電定子線圈產生轉子磁場空間旋轉：通過電刷轉子線圈或永磁體產生電機分類電機分類 勵磁同步發(fā)電機勵磁同步發(fā)電機(APU所用發(fā)電機)轉子通過勵磁機勵磁(無刷直流勵磁)，定子感生交流電 永磁同步電機永磁同步電機(ISG廣泛采用)轉子永磁體，定子線圈，無電刷SN3 直流磁阻電機直流磁阻電機 磁阻同步電機(多用于步進電機)定子磁場空

6、間旋轉：通過直流電定子線圈產生轉子磁場空間旋轉：無轉子磁場電機分類電機分類4 交流異步電機交流異步電機 交流異步電機(轉子轉速小于磁場轉速)定子磁場空間旋轉：通過交流電定子線圈產生轉子磁場空間旋轉：通過金屬條(鼠籠)感應產生電機分類電機分類永磁同步電機永磁同步電機永磁同步電機分類 永磁同步(PMSM)轉子永磁體形成的空間磁場強度沿周向呈正弦波分布。隨轉子旋轉，定子線圈感生反電動勢(bemf)為正弦波。為產生平穩(wěn)扭矩，定子電流隨轉角也應為正弦波。NSSN永磁同步電機分類 交流無刷(BDCM)轉子永磁體形成梯形空間磁場隨轉子旋轉，在定子線圈感生反電動勢(bemf)為梯形波為產生平穩(wěn)扭矩，定子電流也

7、應控制為梯形波。但不可能產生完全平穩(wěn)扭矩輸出(只有當bemf為理想矩形波時)永磁同步電機永磁同步電機 電機損耗 銅損(電損)定子線圈為銅導線，銅損是指由于導線內阻R引起的損耗電損隨定子電流幅值增大而增大。 鐵損(磁損)定子導磁材料為鐵片，鐵損是指由于磁路漏磁Rc引起的損耗。鐵損隨磁通和轉速增大而增大。即隨定子電壓幅值增大而增大。永磁同步電機永磁同步電機電池電池電動汽車產業(yè)化發(fā)展的瓶頸之一電池電動汽車產業(yè)化發(fā)展的瓶頸之一 常見蓄電池的反應式常見蓄電池的反應式 電池類型電池類型 化學反應式化學反應式鉛酸鉛酸PbAcid鎳鉻鎳鉻NiCd鎳鋅鎳鋅NiZn鎳氫鎳氫NiMHLi聚合物電池聚合物電池LiIo

8、n鋰離子電池鋰離子電池22442222bbbPPOH SOPSOH O22222()2()didiCN OOHH OC OHN OH22222()2()niniZN OOHH OZ OHN OH2()iiMHN OOHMN OH,iyziyzyzxLM OL xM O M O為過渡金屬氧化物11,xxyzyzxxyzLi CLiM OCLiM OLi CLiM O為鋰碳化合物，為鋰化過渡金屬氧化物鉛酸電池鉛酸電池鎳鎘電池鎳鎘電池鎳氫電池鎳氫電池鋰離子電池鋰離子電池超級電容器超級電容器能量密度能量密度（Wh/kg）差差3040一般一般4050好好5090優(yōu)良優(yōu)良60200非常差非常差015功率密

9、度功率密度（W/kg）差差100150良好良好3040好好1501500良好良好1502500優(yōu)異優(yōu)異100030000低溫性能低溫性能一般一般良好良好良好良好差差優(yōu)良優(yōu)良高溫性能高溫性能一般一般良好良好一般一般一般一般優(yōu)良優(yōu)良循環(huán)壽命循環(huán)壽命差差良好良好優(yōu)良優(yōu)良一般一般優(yōu)良優(yōu)良記憶效應記憶效應無無有有無無無無無無安全可靠性安全可靠性好好好好好好差差好好應用成本應用成本低低較低較低較高較高高高高高發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀商業(yè)化商業(yè)化商業(yè)化商業(yè)化商業(yè)應用商業(yè)應用有應用實例有應用實例有應用實例有應用實例動力電池體系發(fā)展現(xiàn)狀比較動力電池體系發(fā)展現(xiàn)狀比較蓄電池主要實驗蓄電池主要實驗性能實驗性能實驗測試變溫度/

10、DOD/充放電速率下的 時間電壓 或 時間SOC 等曲線，了解電池的本身特性。隨車實驗隨車實驗記錄不同轉速/扭矩下的電池電壓/電流/溫度/SOC，優(yōu)化電池的管理策略，不僅用于純電動車，還用于混合動力車（結合混合動力車輛的構型、能量分配策略和控制算法）。極限實驗極限實驗在刺穿/熱失穩(wěn)等極限條件下，評估電池的安全性。電池性能實驗：電池性能實驗：充電倍率對電壓與溫度曲線影響 不同溫度下的充電電壓曲線 不同倍率充電時的壓力變化 放電倍率對電池容量的影響 溫度對電池可用容量的影響 隔膜種類對電池荷電保持特性的影響 恒流特性研究報道較多，脈沖性能研究報道較少恒流特性研究報道較多，脈沖性能研究報道較少小容量

11、電池研究報道較多，大容量電池研究報道較少小容量電池研究報道較多，大容量電池研究報道較少蓄電池的放電特性曲線蓄電池的放電特性曲線 電池的端電壓在不同的放電率下（C）與放電時間的關系曲線： 放電率越小，曲線越偏上 80Ah 鎳氫電池051015202530350.60.70.80.91.01.11.21.31.41.53C電壓（V） 放電時間（min)2C4C5C6C7C如：100Ah額定容量的蓄電池：若c/5速率放電，20A，5h放電完畢，則c/10速率放電，即10A放電，則放電時間超過10h；則以1c速率放電時，即100A放電，則放電時間小于1h。蓄電池的可用容量隨著放電率的上蓄電池的可用容量

12、隨著放電率的上升而有所下降升而有所下降Optima55Ah Yellowtop Pd-Acid 12V60A恒流放電恒流放電OUR DATA蓄電池的可用蓄電池的可用容量隨放電率容量隨放電率的上升而下降的上升而下降基于穩(wěn)態(tài)開路電壓的SOC估計方法：t=0時 OCV=12.993V SOC=100%t=finish OCV=11.895V SOC=44.75%在在SOC=44.75%時，端電壓就下降到了危險的時，端電壓就下降到了危險的6.4VS1：C/6恒流充電直到達到冒氣電壓（2.4v），切斷充電電流，使得端電壓稍微下降到2.2v。S2：75S1電流充電，直到達到冒氣電壓，切斷充電電流，使得端電

13、壓稍微下降到2.2v。S3：50S1電流充電，直到達到冒氣電壓，切斷充電電流，使得端電壓稍微下降到2.2v。S4： 25S1電流充電，直到電池電壓在15min內不再上升為止。S5：進入脈沖均衡充電過程。當S4后電壓下降到2.13v時，開始這一過程，一直持續(xù)到電池電壓在15min內不再上升為止。S6，S7：重復S5，以保證所有的單體都被充滿。S8：涓流充電，以補償自放電的損失。只要開路電壓低于2.13v時，就開始這一過程，使用c/100的電流或者脈沖電流，一直持續(xù)到電池電壓在5min內不再上升為止。蓄電池的充電特性蓄電池的充電特性鉛酸電池的非車載多步充電法鉛酸電池的非車載多步充電法s1s8 電池

14、性能模型研究現(xiàn)狀電池性能模型研究現(xiàn)狀等效電路模型等效電路模型電化學模型電化學模型神經網(wǎng)絡模型神經網(wǎng)絡模型電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，本文簡稱為BMS）是電池組熱管理技術和SOC估計技術的應用平臺。BMS對于電池組的安全、優(yōu)化使用和整車能量管理策略的執(zhí)行都是必需的。所有的現(xiàn)代電動汽車都安裝有BMS。電池管理系統(tǒng)的功能主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、狀態(tài)估計、熱管理、數(shù)據(jù)通訊、安全管理、能量管理和故障診斷。數(shù)據(jù)采集熱管理能量管理故障診斷安全管理數(shù)據(jù)通訊溫度控制電流 電壓 溫度負載充電機上位機整車控制器電機控制器等信號流功率流電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示狀態(tài)估計蓄電池監(jiān)測和

15、管理系統(tǒng)蓄電池監(jiān)測和管理系統(tǒng) 1 BMS的主要任務任務任務傳感器輸入的信號傳感器輸入的信號執(zhí)行器件執(zhí)行器件防止過充電池電壓，電流和溫度充電器避免深放電池電壓，電流和溫度電動機功率轉換器溫度控件電池溫度冷熱空調電池組件電壓和溫度的平衡電池電壓和溫度平衡裝置預測電池的SOC和剩余行駛里程電池電壓，電流和溫度顯示裝置電池診斷電池電壓，電流和溫度非在線分析裝置2 SOC估計理論SOC計算方法：（1）理論上理論上：SOC=Cr/CtCr：電池在恒流I放電時在計算時刻的剩余容量；Ct：電池在恒流I放電時在計算時刻的總容量； 而而Ct與與I的關系如下計算：的關系如下計算： (1)21121 12 2lg(/

16、 )/lg(/)ntnnCKInttIIKI tI tI1：最高放電電流I2：最低放電電流t1：與I1對應的放電時間t2：與I2對應的放電時間由于電流、溫度、自放電、老化等因素對SOC的非線性影響使得在線準確估計電池組的SOC具有很大難度。電動汽車動力電池SOC估計方法主要有放電試驗法、安時計量法、內放電試驗法、安時計量法、內阻法、開路電壓法、負載電壓法、神經網(wǎng)絡法和卡爾曼濾波法阻法、開路電壓法、負載電壓法、神經網(wǎng)絡法和卡爾曼濾波法。 （1）放電試驗法）放電試驗法 放電試驗法是最可靠的SOC估計方法，它采用標準電流對電池進行恒流放電，當達到放電終止條件時，放電電流與時間的乘積即為電池放電前的剩

17、余電量。放電試驗法有兩個顯著缺點：電池進行的工作要被迫中斷；需要大量時間。所以放電試驗法不適合電動汽車上實時應用。 （2）一些實用性方法一些實用性方法 （2）內阻法 電池內阻R有交流內阻（Internal Impedance，也稱交流阻抗）和直流內阻（Internal Resistance）之分，它們都與SOC密切相關。交流阻抗表示電池對交流電輸入的抗拒能力，交流阻抗受溫度影響大，且關于應該在電池平衡狀態(tài)還是在充放電過程中進行交流阻抗測量存在爭議，所以很少應用。直流內阻表示電池對直流電輸入的抗拒能力，等于在同一很短時間段內電池電壓變化量與電流變化量的比值。直流內阻法的缺點是難于在電動汽車上實時

18、測量，也很少應用。（3）開路電壓法 電池的開路電壓OCV（Open Circuit Voltage）與SOC存在單調變化的一一映射關系。在使用開路電壓法前須通過試驗得到OCV與SOC的對應關系。開路電壓法的顯著缺點是需要將電池長時靜置以達到電壓平衡，電池從工作狀態(tài)恢復到平衡狀態(tài)一般需要幾個甚至十幾個小時，靜置時間如何確定也是一個問題。所以該方法單獨使用只適于電動汽車駐車狀態(tài)。根據(jù)作者的研究經驗，即使對于處于平衡狀態(tài)的鎳氫電池使用開路電壓法，誤差水平也可能大于20%。0.00.20.40.60.81.011.512.012.513.013.514.014.5開路電壓（V） SOC電池開路電壓隨S

19、OC的變化趨勢(80Ah)（4）負載電壓法 負載電壓法的原理可由式 說明：UL為負載電壓，IL為負載電流。以不同電流對電池組進行恒流充電，將得到一組以電流標記的互不交叉的SOC與充電電壓的關系曲線（如圖下左）；以不同電流對電池組進行恒流放電，將得到一組以電流標記的互不交叉的SOC與放電電壓的關系曲線（如圖下中）；基于這兩組曲線可以得到電流IL、電壓UL和SOC的三維對應關系（如圖下右），該對應關系就是負載電壓法應用的基礎。負載電壓法的優(yōu)點是能在電動汽車上實時應用，對于恒流放電的電池對于恒流放電的電池組有較好的精度組有較好的精度。但電動汽車上劇烈波動的電池組電壓給負載電壓法應用帶來困難，誤差較大

20、。所以負載電壓法很少應用到實車上，但常但常用來作為電池充放電截止的判據(jù)。電流為零時的負載電壓法即為開路用來作為電池充放電截止的判據(jù)。電流為零時的負載電壓法即為開路電壓法。電壓法。(,)LLSOCf UI0.00.20.40.60.81.012131415162C1.5C1C0.5C電壓/VSOCC/31. 00. 80. 60. 40. 20. 010111213142C1.5C1C0.5C電壓/VSOCC/3-200-100010020000.250.50.751300350400450500550電流/ASOC電壓/V（5）安時計量法如果電池在充放電起始時刻t0的SOC為SOC0，那么t時

21、刻的SOC由式計算，即為安時計量法的原理，其中CN為額定容量，Eta為庫侖效率。由于安時計量法原理簡單，工作穩(wěn)定，是目前電動汽車最常用的SOC估計方法。清華大學計算機系設計的電池管理系統(tǒng)、豐田公司Prius、本田公司的電動汽車EV Plus，通用大宇的電動汽車DEV5使用的都是安時計量法，F(xiàn)CB也使用安時計量法。安時計量法有兩個主要缺點：安時計量法有兩個主要缺點：方法本身不能估計初始SOC；庫侖效率難于準確測量，不準確的庫侖效率對SOC誤差有累積效應。解決電池初始SOC的問題，目前通常引入開路電壓法或負載電壓法來輔助解決。對庫侖效率問題主要是基于大量實驗數(shù)據(jù)進行修正。安時計量法能夠基本滿足電動

22、汽車電池組SOC估計的需要，但是精度還需提高。FCB對SOC估計精度要求為8%，安時計量法無法在所有電池使用環(huán)境都達到該精度。001ttNSOCSOCI dC（6）神經網(wǎng)絡法 神經網(wǎng)絡法原理如圖所示 神經網(wǎng)絡法適用于各種電池，缺點是需要大量的試驗數(shù)據(jù)進行訓練，估計誤差受訓練數(shù)據(jù)和訓練方法的影響很大，適用范圍受訓練數(shù)據(jù)限制，而且在電池管理系統(tǒng)中較難實現(xiàn)。 大量文獻使用神經網(wǎng)絡估計處于恒流、恒負載充放電狀態(tài)的電池的SOC。實際電動汽車動力電池的工作狀態(tài)多樣且電流劇烈變化，適合電動汽車工況的神經網(wǎng)絡SOC估計方法還在研究中。電流溫度電壓SOC（7）卡爾曼濾波法卡爾曼濾波理論的核心思想是對系統(tǒng)的狀態(tài)做

23、出最小方差意義上的最優(yōu)估計。如式所示，卡爾曼濾波應用于電池SOC估計，電池被電池性能模型和安時計量法描述為離散的系統(tǒng)，SOC是系統(tǒng)的一個狀態(tài)，SOCk和SOCk+1分別表示兩個臨近的具體SOC值?？柭鼮V波法估計SOC的算法是一套包括SOC估計值和反映估計誤差的協(xié)方差矩陣的遞歸方程。與其他方法相比，卡爾曼濾波法的優(yōu)點是對初始SOC誤差不敏感和更適于電流波動劇烈的電動汽車應用環(huán)境，缺點是對電池性能模型精度及電池管理系統(tǒng)計算能力要求高。目前，豐田公司、本田公司和福特公司生產的混合動力汽車使用的電池組SOC估計方法都是電流（安時計量法）結合電壓（開路電壓法和負載電壓法）的估計方法，精度約為10%20

24、%，電池SOC使用范圍為0.50.8。各個公司都在不斷對自己的電池組SOC估計技術進行改進，因為這是各個公司的核心技術，在公開文獻中，各公司從未對技術細節(jié)進行介紹。香港大學、德國烏爾姆大學、德國亞琛工業(yè)大學都正在進行電池SOC估計方法的研究。在上面介紹的多種SOC估計方法中，神經網(wǎng)絡法和卡爾曼濾波法是比較有希望的新方法。1,()/(,)kkkNL kLkkkSOCSOCItCUUSOC I T 電池電池SOC估計方法總結估計方法總結SOC估計方法優(yōu)點缺點應用現(xiàn)狀放電試驗法準確無法實時在線估計實驗室驗證用安時計量法實時、簡單、穩(wěn)定受電池初始SOC、效率及累計誤差影響已在電動車上應用Prius, EV Plus, DEV5-5開路電壓法簡單、實時時間長、誤差大，需開路與其它方法組合使用負載電壓法實時、簡單、誤差大與其它方法組合使用直流內阻法實時、簡單、兼測SOH誤差大已應用于鉛酸電池交流阻抗法實時、可兼測SOH、對初始SOC 不敏感某些等效電路元件缺乏明確的物理意義已應用于鉛酸電池人工神經網(wǎng)絡法實時受訓練數(shù)據(jù)和方法影響開發(fā)中卡爾曼濾波法實時、對初始SOC 不敏感、精度較高模型及其計算要求高開發(fā)中3 控制單體差異控制單體差異的方法的方法 1 均衡充電法：采用脈沖電流，以期將所有電流都充滿，只能在充電過程