（电力电子与电力传动专业论文）电动车电池组的高压控制.pdf

北方工业大学硕士学位论文 a b s 仃a i c t n o wm es o c i a ld e v e l o p e s ，i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n te n e 琢yi s s i i e s 锨i de n v i r o 埘：i l e n _ t a lp r o t e c t i o n i s s 糙s 疆y b i 斑e l e c 斑e 、强蠹i c l o 诚攮l o w 懿i s s i 鼹s ，l o w i s e 舞v a 娃浚g e sa 糙g e 斑鹅擎。诹鹋 a l 乏e n t 主。毅b yl 量l ew o r l d a s 也ef a s ld e v e l o p m e 嫩o f 也ee l e c t f i cv e h i c l e ，谯= er 戳她愆麴嫩t o 也e b 舭巧t e c l l r l o l o g yi sm 咖e ra n dl l i 曲e r s ot h em a i l a g e m e n to f 也eb a t t e 巧w or _ k i 】呜s t l 钯i sa l s o m o r e 跚l dm o i m p o r t a n t a c c o 撼i 鹋t o 髓搀c 酝f a 痰舐妪c 醒 班v ss 咖c t 瞅ea n d 磁醢v o l t a g ec i 羚堪l ，弧锰sp a p 谨 m h - n i b a 谯c r i e si sr e s e 粼h e d ，b yc a f e 烈a n a l y s i s0 f 忒ib 被硪e sw o 呔p 如e i p l e s ，也e b a 怕e 巧v o l t a g e ，c u r r e n ta n dt e n l p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i e s t l nam 曲v o n a g ec o n t r o lm e t h o d h a sb e e nr a i s e d ，w 陆c hi sm ec o m b i n a t i o no fe x p e r i e n c ea i l di n t e g r a lc 甜c u l a t i o n 霹豫燃a 速黼至k & 瑟面l 搀遗像ep a p 日i s ：愆一峨i 藏g 像e 攻融e 疸e s 知掇e a s 峨龇c 糟e p a g e s i 抛a t i o no fe x t e l j 烈o f 也eb 毪技e 巧，m e a s u r i 蝣m eh l s u l a t i o no ft h eb a ：谯e 巧i n t i 哦o r ，a n d m e a s i l r i n gm eb a t t e 搿sf 缸l u i e s o ，b yr e c h a r g i n gn l ee x t e r i o rl o a d ，i tc a np r o t c c tm eb a t t e r i e s f 如mc r e e p a g ea i i d 嫱1 0 r tc i r c u i t ，w l l i l ei ta j s or c m l c em ef 澈l u r eo f b a _ t t e 巧b o xa i l de ) 淞n dt h e u 专主m 嚣o fb 雏耙叮越o d 毽l e ；b y 越e 鑫s 诞趣g 氆ei 辍越a 专i 髓o f 专h e 巧i 越e 蠢至耄e 鑫薹lp 糟w 星瞧 u n s a f ea l 。c i d e l 缱，w 嫩c he g 邑戤也es y s 搬n sn o 跚越w o r kb e c 戳王s eo f 髓l el o wi n s u l 撕o n r e s i s t a n c e ；w i n lb a 舵巧d i a 印o s i ss y s t e l ni ti sp o s s i b l et 0p r e d i c tb a 仕e r yf 撕l u r ee a d i e r ，也i l s t l l ef i a u h l e s sw o r k m gt i m eo f b a t t e 巧p a c kc a i ib ci n e r c a s e d 髓l er u l eo f 赫曲v o l t a g e n t r o li se 瓣s 西n gs a f e 辑i ti s 辔e 鞠睦。或i 糊p o f 缎髓t a s l ( 专on 近g e m ee o n d i t i o 璐o fs a 凳哆1 no r d e rt o 嫩l d ym es a 怨c o 埘i t i o 鹅，w ep r e - c 蛔琴e 娜锹烈l o a da n d m o i l i t o r 硫e m a l 诚池a t i o ns t a e ：o fp i l eb a s e do nc h o o s e db m s ( b a r ym a r i a g e m e n ts y s t e m ) ， t oa c 量i i e v es a f e t y g u a r d 凡n c t i o 髓o fb m s ( b a 仕e 哆m a n a g e m e n ts y s t e m ) k e y 骶砖s ：腿y v e 越c l ep i l e ，b m s 稚e 黟礅勰鑫g e 怒e 越s y s 专e 靛) ，愆- c 姆 。2 - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 匕友王些太堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：美文签字日期：八陴f 月庐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 量友王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权j 量友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 员丢 签字日期：o 瞻勋p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师 签字 电话： 邮编： d 日 = l 匕隽工业大学硕学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义简介 随着人们环境意识的不断提高，加之石油资源的菲可再生性，世界石油资源的存量 逐渐减少，环境闯题与交逶能源成为2 量世纪全球蘑睡的重大挑战，同时也是制约汽车 工业可持续发展的症结所在。世界石油化工能源面临供应短缺，根据美国能源部和世界 能源理事会预测，全球石化类能源的可开采年限分别为石油3 9 年、天然气6 0 年、煤2 n 年，主要分布在美国、加拿大、俄罗斯和中东地区。美国能源部研究预测，2 0 2 0 年以后， 全球石油需求与常规石油供给之闻将出现净缺口，2 0 5 0 年供需缺豳将达到每年5 亿 桶，几乎相当于2 0 0 0 年世界石油总产量的两倍。中国是石油资源相对贫乏的国家，“石 油的稳定供给不会超过2 0 年 。国家发展和改革委员会的研究表明，导致我国今后石油 消耗的主要因素将来自予包括汽车在内的交遥领域，到2 0 2 0 年，汽车消耗的能源将占 到石油总量的5 0 ，届时的嚣油依存度将超过6 0 。同时大量的石化类交通能源消耗导 致了严重的环境污染，其中燃油汽车排放的废气c 0 2 ，c o ，n 0 2 以及烟尘严重污染了城 市的环境，同时大气层c 0 2 ( 据统计全世界2 0 的c 0 2 来源予汽车燃料燃烧所产生的废 气) 浓度的提高，使褥全球气候变暖，对整个地球的生态环境造戚了难以量化麴毁坏。 联合国开发计划署的中国人类发展报告指出，目前全球2 0 个空气污染最严重的城 市中，中国占1 6 个。在环境和能源的双重压力下，电动车( e v ) 作为种绿色智能高 效的交通工具，它的生产和应用有效地解决了能源和环境可持续发展的问题，电动汽车 重新成为世界各晷尤其是发达重家研究的重点，电动汽车的应用前景广阔酗棚。 电动车成为世界各豳著名汽车制造商的开发热点。电动汽车技术在各国政府以及各 大汽车公司的推动下得到了迅速发展。1 9 9 1 年美国能源部与三大汽车公司( 戴姆勒一克菜 斯勒、福特、通用) 共同成立的先进电池联合体u n l 程ds 露盯嚣sa 淡璐夺f c e db 栅r y c c i n s o 姗m s a b c ) ，致力于研究和发震先进豹电动车能源系统，建立了专f 1 从事 电池及管理系统的测试、试验等研究的实验室和研究机构。之后，全世界汽车制造厂家 纷纷开发并推广使用电动车。于是由于电动车的蓬勃发展和其远大的前景，促进了电池 及其管理技术的发展，世界各大汽车公镯纷纷投叠资并采取结盟的方式研究各种类型的 电池。在电动汽车发展的同时，电池管理技术也取褥了长足的进步。日本青森工业研究 中心从1 9 9 7 年开始至今，仍在持续进行电池管理系统( b m s ) 实际应用的研究；美国 l l a n o v a 大学和u sn a n o c o 公司已经合作多年对各种类型的电池s 0 c 进行基于模糊 逻辑的预测；丰团、本豳以及通用汽车公司等都把b m s 纳入技术开发的重点。 对于我禽来说，电动汽车的研发还是赶超世晁汽车强国的唯一出路。国际电动车辆 技术当前的发展状况主要表现为：纯电动车辆技术日臻成熟，在特定区域推广应用，等 待发展机遇；混合动力汽车技术渐趋完善，进入商业亿推广阶段；燃料电池汽车技术处 予新的突破翦期，正在成为新的研发热点。经过“夕五 、“九五 和“十五”豹技术公 j 艺方工业大学硕士学位论文 关，我国在电动汽车整车及零部件也取得了显著进展，同时对电池管理系统以及充电机 系统进行了长期深入的研究开发，在b m s 方面取得很大的突破，与国外水平也较为接 近，研制产品在纯电动和混合动力电动车上褥到大量使用，部分关键技术已处于国际领 先水平。但电池管理技术还并不成熟，电动汽车的发展及产业化，对动力蓄电池管理系 统将具有巨大的市场需求，同时技术上也将提出更高的要求酗韶。 为了改善电动汽车的动力性和能量利用率，动力蓄电池的电压越来越高，由原来的 几十伏上升到现在的几西伏，所以需要配备专门的系统来管理高压系统的安全。在电动 汽车上不但需要配备专门的车载高压电安全管理系统，而且还应该设计专门的安全测试 系统来监测车载高压电安全管理系统，以迸行安全状况监测。根据电动车辆的实际结构 和电路特性，本文设计了高压电安全测试系统，戆够监测电动汽车高压电系统的绝缘状 态及检测高压工作的可靠性。 1 2 电动汽车高压系统发展现状 电动汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。图l 一1 是燃料电池汽 车高压系统结构图。它由两组高压系统组成；一组是蓄电池组构成的高压系统，另一组 是由燃料电池发动机、d c 构成的高压系统。所以分别采用蓄电池自动断路器和燃料 电池自动断路器来管理。图中列出的电池管理器负责对电池组参数进行采样并且按照一 定的算法对电池的剩余电量进行预测，向动力总成控制单元汇报作为整车控制策略依 据。动力总成控制单元是整车系统的核心部分，通过c a n 总线通讯获得其它控制器提 供的信息并且综合这些信息进行整车能量分配和安全管理。 图l l 离压系统结构图 北方工业大学颈学位论文 电动汽车高压系统检测参数及要求：对予电动汽车的高压电系统和自动断路器的工 作状态及功能的监测，需要检测的参数可以分成以下几类f 4 7 l ： ( 1 ) 高压电气参数：高压系统电压、电流，高压总线剩余电量；( 2 ) 高压电路参数： 动力电池绝缘电阻、高压总线等效电容；( 3 ) 非电测量参数：环境温度、湿度：( 4 ) 数字 量测控参数：主要是开关量的输入和输出。 根据电动汽车和人体安全标准，在最大交流工作电压小6 6 0 v ，最大直流工作电压小 于1 0 0 0 v ，以及整车质量小于3 5 0 0 k g 的条件下，电动汽车的高压安全要求如下： ( 1 ) 人体的安全电压低予3 5 v ，触电电流和持续时间乘积的最大值小于3 潍s ； ( 2 ) 绝缘电阻除以电池的额定电压至少应该大王0 0q ￥，最好是能够确保大于5 9 0 q v ；( 3 ) 对于高于6 0 v 的高压系统的上电过程至少需要1 0 0 m s ，在上电过程中应该采 用预充电过程来避免高压冲击；( 4 ) 在任何情况下继电器断开时间2 0 m s ，当高压系统断 开后l s ，汽车的任何导电的部应该小于分和可触及的部分对地电压的峰值应当小于 4 2 4 v ( 交流) ，6 0 v ( 直流) ，储存的能量应该小于2 0 j 。 为了改善电动汽车的动力性和能量利用率，动力蓄电池的电压越来越高，由原来的 几十伏上升到现在的几百伏，所以需要配备专门的系统来管理高压系统的安全。在电动 汽车上不但需要配备专门的车载高压电安全管理系统，焉且还应该设计专 j 的安全测试 系统来监测车载高压电安全管理系统，以进行安全状况监测。根据电动车辆的实际结构 和电路特性，本文设计了高压电安全测试系统，能够监测电动汽车高压电系统的绝缘状 态及检测高压工作的可靠性。 1 。3 课题研究工作内容阐述 课题来源予国家“十一五 8 6 3 计划“节能与新能源汽车专题课题h e v 用大功率 镍氢动力电池系统技术研发，是其中的电池及其管理系统的一个子课题。本课题归属 予电池管理系统中电池组高压控制的安全保障功能中的一部分，是由于对电池箱管理的 高质量要求丽衍生出的研究方向，其中电池组主要是指混合动力城市公交用电池组。 课题工作内容主要包括以下几点：( 1 ) 检测其外部是否漏电。( 2 ) 电池内部是否绝 缘。( 3 ) 对电池进行故障检测。高压控制的准则是保障系统安全，安全条件的判定则是 其中最重要的工作所以，本课题通过上述三个侧面来研究安全条件的判定对外部负载 进行预充电时防止电池短路及漏毫，减少电池箱故障，延长电池模块的使用寿命；电洮 箱内部绝缘状态检测，防止电池因绝缘电阻低下蕊影响系统工作，发生不安全事故；电 池模块出现故障时候，通过诊断系统能实现电池故障和隐患的早期预报，从而能有效地 增加电动车电池组的续驶里程及无故障工作时间、使维护工作量降到最低。完成电池组 与负载回路的连接控制，增加电动汽车的使用安全感和舒适感，为电动汽车在整界范围 内推广普及提供了必要的安全保障。 北方工业大学硕士学位论文 第二章电动汽车的分类及其构成 2 1 电动汽车发展史 电动汽车是指全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，包括纯电动汽车 e v ( e l e 嘶cv e 越如) ，混合动力电动汽车h 嚣v ( h y 掘dv e 毯e 1 0 和燃料电池汽车f c e v 诬u e lc e l le l e c t r i cv e l l i c l e ) 三种类型。 法国和英国是电动车辆的发源地。1 8 8 1 年8 月，在巴黎举办的国际电器展览会上， 特鲁夫展出了一辆电动三轮车，成为历史上第一辆电动车辆。1 8 8 2 年，英国人w e 阿 顿和约翰壤里也合作组装了一辆三轮电动车。法国人特鲁夫、英国人阿顿和培里被称 为电动车的先驱。从1 8 8 1 年第一辆电动车问世，电动汽车经历了早期的初步发展时代 ( 1 5 5 卜1 5 9 5 ) 、早期的黄金时代( 1 8 9 5 1 9 0 5 ) 进入了一个发展的新时代( 1 9 0 0 1 9 3 5 ) 。这 个时期的电动汽车经具备了现代汽车的雏形，马车特征已不复存在，电动汽车的性能也 褥到了极大的提高，电机效率提高到8 0 _ 9 0 。1 9 0 0 年法国的一辆电动汽车以l o 英里 小时的平均速度连续行驶了1 6 4 英里。这一时期，电动汽车在技术上获得了极大的发展， 电动汽车的品种层出不穷。在技术发展的同时，世界各国还举办了各种电动车比赛，比 如芝加哥拉力赛、纳拉干西特汽车竞赛、辩尼冬汽车赛等，极大地促进了电动汽车的发 展。 在欧美，电动汽车最盛期是在1 9 世纪末。1 8 9 9 年法国人考门吉纳驾驶一辆4 4 k w 双电动机为动力的后轮驱动电动汽车，创造了时速1 0 融m 的记录。1 9 0 0 年美国制造的 汽车中，电动汽车为1 5 7 5 5 辆，蒸汽机汽车王6 8 4 辆，褥汽油机汽车只有9 3 6 辆。进入 2 0 世纪以后，由于内燃机技术的不断进步，1 9 0 8 年美国福特汽车公司t 型车问世，以 流水线生产方式大规模批量制造汽车使汽油机汽车开始普及，致使在市场竞争中蒸汽机 汽车与电动汽车由于存在着技术及经济性能上的不足，使前者被无情的岁月淘汰，后者 则呈萎缩状态。 到了1 9 3 5 年，电动汽车进入了沉睡时期。电动汽车衰落的主要原因是内燃机汽车 的应用。尽管当时电机驱动系统的效率比内燃机系统高4 倍，但由于内燃机汽车在速度、 续驶里程和价格方面的优势，使得内燃机汽车的有利嚣素达到8 0 ，从而在汽车领域占 据了主导地位。经过2 0 年的沉寂之后，1 9 5 5 年电动汽车又迎来了新的春天。从那时起 到现在，世界各国由于受能源危机和生态环境恶化问题的困扰，又开始寻求清洁、易得 的新能源，电动汽车被重新认识并得到了公众的普遍关注n l 。 在我国改革开放以来，我国的汽车工业取得了很大的发展，但在全球市场所占比 重仍很小，尤其是大多数国产汽车的排放污染比较严重，。现行的汽车排放标准的限制 水平远低于发达国家，如一氧化碳的限值是欧洲标准的8 倍，而碳氢和氮氧化物更高达 l o 倍。国际上涌动的电动汽车热，为我国汽车工业实现技术跨越发展提供了空前的机遇。 因为电动汽车与传统的汽油汽车对比，它不单纯是发动机的简单替换，其设计、加工、 4 北方工业大学硕士学位论文 材料以及电气、控制系统都要相应地做出改变，使整车参数合理匹配。这意味着以汽车 工业为国民经济支柱的世界发达国家的工业体系面临着重大的调整，选择发展电动汽车 力我国汽车工业发展的新的增长点，对予改变我汽车工业的落伍状况、促进经济发展、 增强国家实力具有现实的战略意义，而不仅仅只是环境保护和节约能源的问题。 在有关部门和地方的积极努力下，国家电动汽车重大科技产业工程项目己于1 9 9 6 年启动，项目研究进展顺利，总体概念车设计己基本完成，控制器和特种专用电动机也 达到当代国际先进水平，特别是主驱动电机重量轻、功率大、转速快、质量好，各项指 标符合i 殴嚣际标准。包括最有希望成为电动汽车动力的燃料电池在内的几种电池的研 究开发工作也正在分别进行。国家级“汕头一南澳电动汽车试验示范区已经开通，已 有1 7 辆国内外电动汽车在区内试验运行。国家科技部和环境保护总局向国务院上报了 关于实施“空气净化工程 的报告，强调要治理汽车尾气排放，开展“清洁汽车行动嚣， 将进一步推动我国电动汽车的研究开发，攻克动力电池充电时闻长曼一次充电续驶里程 短的技术难关，使国产电动汽车旱日实用化、商品化、产业化，迈向2 l 世纪的汽车之 路。 目前，我国部分城市及地区( 武汉、北京、天津、上海、长春、广东等) 以及三大汽 车集团都在进行电动汽车的相关项磊的开发及课题的研究，全国承担该项嚣的企业约有 ? 0 多家。除上述地区、集团之终，兰州、出东、株洲、苏州等地也有单位、公司积极参 与电动汽车的研发活动并取褥的一定的成果。 2 2 电动汽车的特点及分类 电动汽车与普通汽车以及无轨电车的结构及其原理极为相似，他们间的区别主要 是在动力源上。电动汽车与无轨汽车相比，区荆仅仅在于无轨汽车的6 v 童流电源是 从高架线上获褥韵，透过集毫枵和调速控制器驱动电动机；电动汽车则是由电池缓供电， 通过调速控制器驱动电动机。因此，无轨电动车与电动车的原理和结构相似。电动汽车 与普通汽车相比。其结构差异见表2 1 【5 】。 北方工业大学硕士学位论文 表2 1 电动汽车与燃油汽车的主要差别 项目燃油汽车电动汽车 能源系汽油或柴油蓄电池 动力系发动机( 内燃机)电动机 速度系变速器，离合器调速控制器 传动系变速器、离合器、传动轴、驱传动轴、驱动桥( 固定减速 动桥器) 由表2 1 可见，由于电动汽车所用的能源形式不同，使得其动力驱动控制系统与 普通汽车有较大的区别。 我们知道电动汽车是指全部或者部分由电动机驱动的汽车，目前主要分为纯电动 汽车、混合电动汽车和燃料电池汽车三种。本课题以混合动力电动车为对象，进行高压 控制工作的研究和设计，因此这里仅对混合动力电动车的相关结构特点进行详尽说明。 有人把混合动力电动车定义为由两种或两种以上的储能器、能源或转换器作驱动 能源，其中至少有一种能提供电能的车辆称为混合动力电动车汽车。但是，这一定义并 未被人们接收。一般来说，我们认为混合动力电动车就是既有内燃机又有电动机驱动的 车辆。按内燃机与电动机的连接方法又可以分为并联式和串联式。近年来推出的混联式， 引起了各大汽车公司的关注。它将现有内燃机、电动机与一定容量的得储能器件通过先 进的控制系统相结合，电动机可补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以通过发电 机吸收内燃机功率不能完全被利用时多余的部分功率和车辆制动的能量，返回储能器件 存储。混合动力电动汽车不仅比传统汽车节约燃油3 0 一5 0 ，而且在同等条件下，比纯 电动汽车节约电能7 0 一9 0 ，一次充满油、电后，可使持续行驶里程提高到5 0 0 一1 0 0 0 公里左右。业内普遍认为：混合动力电动汽车是汽车产业界的一场革命。 其中根据动力系统的连接方式，当前开发研制的混合动力电动汽车可以分为3 个种 类：串联式混合动力电动汽车、并联式混合动力电动汽车和混联式混合动力电动汽车 ( 如下图所示) 。下面分别简单介绍如下n 】。 图2 1 串联式h e v 的结构模型 北方工业大学硕士学位论文 传 | 潞 内蠛机 动 装 雹 i 徽| l 转褫u 电动钒l 图2 2 并联式艇v 的结构模型 内蠛讥 传 蠹厂i i 动 装 警 图2 3 混联试脏v 的结构模型 串联式混合动力电动汽车( s h 琶v ) ：s 琶￥是由发动机、发电视和驱动电动机三大 动力总成组成，发动机、发电机和驱动电动机采用”串联的方式组成s h e v 的驱动系 统。s h e v 用发动机一发电机组均衡地发电，电能供应驱动电动机或动力电池组，使s h e v 的行驶星程得到延长。实际上s h e v 的发动机一发电机组只能看作一种电能供应系统， 发动机并不直接参与s 嚣v 的驱动。s h e v 驱动系统的结构比较简单，动力电池组、发动 机一发电机组和驱动电动机在底盘上的布置有较大的自由度，控制系统也比较简单，因 为只有唯一的电动机驱动模式，其特点是动力特性更加趋近于e v 。s 眦v 必须装置在一 个大功率的发动机发电机组，荐用驱动电动机来驱动车辆。发动机、发电机和驱动电 动机的功率都要求等于或接近于s 鞋e v 的最大驱动功率，在热能一电能一祝械麓之闻的 转换过程中，总效率低予内燃机汽车。三大动力总成的体积较大，质量也较重，还有庞 大的动力电池组，使得在中小型汽车上布置有一定的困难，一般适合大型客车采用。 并联式混合动力电动汽车( p h e v ) ：p e v 是由发动机、电动发电视或驱动电动机 两大动力总成组成，发动槐、电动发电机或驱动电动机采用著联”的方式组成雕科 的驱动系统。从p h e v 的动力系统组成，可大致分为发动机一驱动系统( 变速器和驱动桥) 一驱动轮等，电动机的动力要与车辆驱动系统相组合，可以：在发动机输出轴处进行 组合；在变速器( 包括驱动桥) 处进行组合；在驱动轮处进行组合。因此，阴e v 的驱 动力组合有以下不冠的组合模式：( 1 ) 动机轴动力组合式p 溉v ( 2 ) 动力组合器动力 组合式p h e v ( 3 ) 驱动轮动力组合式p h e v 混联式混合动力电动汽车( p s h e 、，) ：是综合s h e v 和p h e v 结构特点组成的 p s 髓v ，由发动机、电动，发电褫和驱动电动机三大动力总成组成。由于电动发电机必 然是装在发动机的输出轴上，才能起发动机飞轮和起动机的作用，也才能保持发动机 稳定运转并进行发电。因此电动机的动力要与车辆驱动系统相组合，只有：在变速器( 包 j 艺方工业大学硕士学位论文 括驱动桥) 处进行组合；在驱动轮处进行组合。因此，p s h e v 的驱动力组合有以下不 同的组合模式：( 1 ) 力组合器动力组合式p s 遁v ( 2 ) 驱动轮动力组合式p s 艇v 冒翦所开发出来的混合动力电动汽车以串联式和并联式为主，这两种方式的技术难 度较低。串联式混合动力电动汽车完全依靠电动机提供动力，发动机、发电机和电动机的 功率都很大；而且对电池的要求较高，电池的体积、重量、成本相对较高，价格性能比较 低。并联式混合动力电动汽车主要依赖于发动机提供动力，电池仅是串联式的l 怨，而且能 量传递损失较小，但是排放污染最大，发动机的燃烧效率不高。随着1 9 9 7 年丰田p 砖u s 混 联式混合动力电动汽车的出现，世界各大公司逐渐将混联式混合动力电动汽车列为开发 重点。混联方式是相对比较完善的种混合动力系统，它能较好地将燃油汽车与电动汽车 的优点有桃地统一起来，也将燃油汽车和电动汽车的技术力量统一起来。电池的体积、重 量、成本较低，发动机总在最高效率下工作，具有很好的燃料经济性，加速性和平稳性也很 好，能够有效地弥补串联式和并联式混合动力电动汽车的缺点【l 钉。 2 3 电动汽车的构成 鼙前常用的电动汽车驱动方式主要有直流电机驱动、交流毫机驱动和混合驱动。 驱动系统主要由蓄电池、能量转换换器、电机组成下，其驱动原理图如下图2 一l 所示。 蓄电池是电动汽车的动力源，能量转换器用于将电池直流电源转换成驱动电机需要的直 流电或交流电，由控制系统控制电机需要的电流或电压以改变车辆行驶速度。辅助能源 系统可以是另一组蓄电池( 对壹流或交流驱动型也可能没有) 或小型发动机( 对混合驱动 型) 。对于使用辅助能源系统混合驱动型电动汽车，其运行范围可不受电池容量限制。 电动汽车是否会被公众接收主要取决于其运行性能、可靠性、使用寿命和制造成本。其 中关键技术是提供牵引动力的蓄电池和驱动系统秘l 。 图2 4 电动汽车驱动原理图 2 。3 电动率驱动系统 驱动系统包括电动机、功率电子系统、电机驱动系统、电池充电器等d l 。 ( 1 ) 电动机：功率转换器和电动机将电池的能量转换成机械能驱动电动汽车前进， 电机特性决定了推进系统和控制系统的特性，同时也决定了功率转换器中功率转换装置 的特性。霉翦电动汽车使用的尼种电机是：它励电蓐l 式直流电枧、三相感应式电机、永 j 艺方工业大学硕士学位论文 磁式同步电机、开头式磁阻电机、同步式磁阻电机等。电机技术的优势与功率电予技术 的优势相结合，可以得到体积更小、重量更轻、效率更高的电动汽车动力传动和驱动系 统。对电动汽车用电机的主要性能要求是：使用寿会长、输出扭矩与转动惯量之比大、 过载系数为3 4 、高速操纵性能好、少维修或免维修、外形尺寸小、容易控制、成本低。 在电动汽车上使用的电机功率约在5 0 k w 1 0 0 k w ，在电动摩托车上使用的电机在 l o o o w 上下。 鞠前，感应式电机仍是电动汽车推进系统最好的原动机，电动摩托车则较多采用 无刷直流的壳转电机。 ( 2 ) 功率电子系统；功率电予系统由功率开关装置、功率转换部件和电机闭环控制 系统组成。对电动汽车的整车特性来说，功率转换器的选择非常重要。随着大功率半导 体技术的发展，高性能的电动汽车功率转换器正在开发中。 ( 3 ) 电机驱动系统：功率电子系统完全取决于所使用的电机。如果使用直流电机， 在负载周期性交化时必须使用斩波器；如果使用的是三相交流电机，则必须使用三相脉 宽调制桥式转换器。电动汽车需要更高的效率，所以软开关技术是菲常重要的。 在电机推进系统中，必须对扭矩和速度进行有效控制。当电机以额定及以下速度 工作时，它工作在恒扭矩区；当电机在额定转速以上运行时，则以恒功率模式工作。推 进系统具有较好的加速特性。转换系统及其控制系统应提供四个象限的操作，并具有较 好的制动畿量再生功能。制动能量的再生是一个较为复杂的过程，当电动汽车割动减速 时，能量将反馈给电机，使电机处于发电状态。在制动能量再生过程中，电机将动能转 换成电能，并对电池进行充电。能量再生式制动改善电动汽车的续驶里程，研究表明效 果能达到l 溉一王褊，并延长制动器的寿命。超大容量电容器和再生能量制动器的使用， 还将使电动汽车的负载特性德到平衡。 ( 4 ) 电池充电器：充电器是电动汽车的重要组成部分，目前常用的充电方式有：常 流充电、常腿常流充电、电流渐降充电、脉冲充电、点滴式充电和飘浮式充电。具体的 充电方式随使用的电池丽定。力了缩短充电时阔并提高充电效率，可以进行多次充电。 为此快速充电技术正褥到开发研究。但快速充电需要大电流装置，且对电池寿命有不利 影响。 2 3 2 电动车蓄电池系统 蓄电池系统的容量是限制电动汽车发展和使用的主要原因，因为逛涟成本较高、 充电时闻长往往使用户难以接受。电池的功率决定了电动汽车的加速和爬坡性能，容量 给出潜在的运行范围，循环寿命决定了电池充电次数，电池的体积和重量影响到整个车 辆系统的效率。舀前在电动汽车上使用的电池主要有：铅酸电池、镍钙电池、钠硫电 涟、锌空气电池、镍氢电池、锂聚合物电池等。 为了提高电动汽车的续驶里程，扩大运行范围，正在研究应用的能量存储的其它储 一 北方工业大学硕士学位论文 能装置还有超容量燃料电池、飞轮技术和超容量电容器等。 电动汽车用蓄电池的主要性能指标有：容量、熊量密度、功率、自放电率、循环使用 寿命，蓄电池的造价等l m l h 。 ( 1 ) 容量。 蓄电池在一定的放电条件下所能放出的电量容量称为电池的容量，蓄电池的容量 一般是指它的库仑容量，用符号c 表示。常糟的单位为安培小时( a 玲，它等于放电电 流与放电时阀的乘积，单位为a h 。其表达式如下： c = i ( t ) d t ( 2 - 1 ) 这种方式定义的电池容量小于电池的标称容量。因为组成电池时，除活性物质外还 包括非反映成分，如外壳、导电零件等，同时还与活性物质被有效利用的程度有关。在 实际应用中我们一般采用荷电状态s o c ( s 扛癌eo fk 强g c ) 来描述需电池的剩余容量。s o c 定义为剩余容量与总容量的酉分比。与蓄电池的容量相同，其s o c 也是蓄电池放电率、 工作环境温度和蓄电池老化程度的函数。 ( 2 ) 蓄电池的能量密度。 定义为动力电池组单位质量或单位体积的蓄电池所能输如的能量。通常质量能量密 度定义为蓄电池的比能量( w 腿g ) ，体积能量密度定义为蓄电池的能量密度( 。其 中比能量显得更为重要，它影响到电动车的整车质量及续驶里程，是评价电动车的蓄电 池是否满足预定的续驶里程的重要指标。丽体积能量密度只影响到电池的布置空阆。 ( 3 ) 蓄电浊的功率密度。 功率密度是指单位质量或单位体积的蓄电池所具有的输出能量的速度，它也可分为 比功率删g ) 和功率密度( w 。对电动车而言，重点考虑比功率参数。它是评价蓄电 池能否满足毫动汽车加速和爬坡能力的重要指标。 ( 4 ) 能量效率。 电池作为能量储能器，充电时把电能转变成化学能储存起来，方电时把电能释放出 来。在这个可逆的电化学转换过程中，有一定的能量损耗。遂常用电池的能量效率来表 示电池的充放电效率。它表示为放电时输出的熊量与充电时输入的能量比。电池内阻是 影响能量效率的主要原因，它使电池能量以热的形式损耗掉。 ( 5 ) 放电倍率。 电池以某种电流强度放电时的数值为电池容量的配数。常用e 表示。例如电漓容量 为4 暇h ，当充放电电流强度为l c 时，是指放电电流为4 0 a 。 ( 6 ) 蓄电池的囱放电率。 电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池的能量损失的速度， 或者指誊电池在一段时间内的自放电容量与电池总容量的兆。一般时间是以胃隽单位， 如放电率1 5 月。它标志了蓄电浊电池在未使用状态下的能量损失的快慢。 北方工业大学硕士学位论文 ( 7 ) 蓄电池的寿命。电池以充放电的循环次数或使用年限来定义电池寿命。有时用 s o 薹 来表示。 蓄电池循环次数：即蓄电池豹循环使用寿命。通常定义为蓄电池失效前所允许的深 放电次数。所谓深放电一般是指蓄电池完全放电到截止电压，蓄电池的工作是一个不断 充电一放电一充电一放电的循环过程。在每个循环中，电池中的化学活性物质发 生一次可逆的化学反应，随着充放电次数的增加，化学活性物质老化交凄，使电沲充放 电效率降低，最终丧失功能，电池报废。电池的循环次数与很多因素有关：电池充放电 形式、电池温度、放电深度、电池组均衡性、电池安装，等等，减小充放电深度，可以 延长电池的寿命。循环次数是衡量电池寿命的重要指标，是影响电动车总的续驶里程的 重要指标。 使用年限：有时也用“使用年限”来表示电池寿命。在具体产品的生产销售中常见。 s o h ( 跳mo f h e a l m ) ：则反映电池的预期寿命。是相对量，定义如下： s o h - c 卅佗打 其中，c 。是蓄电池预测容量；c 。是蓄电池标称容量。 蓄电池的造价是其重要的指标之一。他关系到电动车的整车成本，是影响电动车市 场化进程的重要因素。正是由于电动汽车的成本过高，使其不能与传统的燃油汽车竞争。 我国在十五8 6 3 计划中对电动车用电池也提出了相应的指标。见表2 2 f 1 5 l 。 表2 _ 2 我国十五8 裙计裂电池星标 h e ve v 性能 m h n il i i o nm h n il i i o n 比性能雁h k g 4 0? 06 51 3 0 e | ：功誊匿舅k g 6 0 08 0 01 6 0王6 0 温度范围oc 2 0 5 52 0 5 5 循环寿命可行驶1 0 万公里5 0 0 次 北方工业大学硕士学位论文 第三章常见的电动车蓄电池性能与使用条件比较 3 i 电动车用电池 动力电池是各种电动车辆的主要能量载体和动力来源，也是电动车辆整车成本的 主要组成部分，其寿命直接影响电动车辆的使黑成本。动力电池自身技术的提高和成组 应用技术的发展成为电动车辆市场化和商业化的关键因素之一。在经历了铅酸电池、镍 镉电池、钠硫电池等多种类型的发展和探索之后，目前应用主要集中在阀控铅酸动力电 池、镍氢动力电池和包括锂离子和锤聚合物两大类的锂动力电池，尤其是仅有十凡年发 展历史熊锂离子动力电池所表现出的优异的性能使其成为最有发展潜力的动力电池类 型。但是无论哪一种电池，其单体的能量、功率等性能参数都不能满足电动汽车使用要 求，所以实际使用时均为成组集成应用。目前电池组系统正逐步向智能化、模块化、集 成化、标准化方囱发展。p f i u s 、c i c 等混合动力轿车装配的镍氢电池、瑞士豫s 公 司的z e b r a 电池、法囡s a f t 公司的电动车辆锂离子电池现均以能量模块形式提供用 户使用。目前，我国动力电池在性能、工艺、安全性等方面都已能基本满足整车需求， 部分动力电池研制单位已通过国家测试认证，并形成了中试批量产品能力。 3 。2 常见的电动车蓄电池 电动车蓄电池作为电动汽车的动力提供者，是电动汽车的“心脏级元器件，本课 题主要任务就是对电动车的电池的高压安全特性的检测进行研究，因此这里要首先并着 重介绍了当前的电动车发展中出现的各种电池，它们的应用现状，结构特性及其优缺点 等，并随后给出了几种常蒡l 电池的性熊比较。 电池的在电池多年的发展历史中，出现了多种多样的电池，面这其中适合于车用的 并不多，主要有下面几种。其中，作为瞬前最适合用于h e v 的电池的镍氢电池，也是我 们实验室研究e v 课题时所使用的主要蓄电池。这里将首先对的它使用现状，优点缺点 等进行详细的说甓。 镍氢蓄电池 金属氢化物镍蓄电池也是一种碱性电池。其正极是氢氧化镍，负极是储氢合金，电 解质是氢氧化钾溶液。单元电压为耐和1 2 v 。其化学反应方程式为： 2 n i o o h + k o h + 主2 _ 2 n i ( 。弼2 + k o h m h n i 电池是9 0 年代发展起来的一种新型绿色电池。其比能量较大，过充电和 过放电性能好，可以进行快充，能带电充电，并且与镉镍电池有很好的互换性，但成本高。 目前，瑚一n i 电池用于电动汽车主要在美函和日本进行开发。镍氢电池成为目前獾、v 电池市场的主流产品，主要由于它是露前综合性能较好的电池，除了能满足 l e v 所要求 的高能量、高功率、长寿命和足够宽的工作温度范围外，还具有如下的优势： ( 1 ) 具有内在的耐过充、过放机制，比较容易进行串并联组合； ( 2 ) 电池容量可大可小，由3 0 谳h 到2 5 0 熊； t 北方王照大学硬士学位论文 ( 3 ) 较好的高低温性能； ( 4 ) 比较简单易行的电子监控电池篱理系统： ( 5 ) 快速充电，安全无公害 ( 6 ) 高温特性差，自放电率高，轻微记忆效应 镍氢电池存在的主要闷题是自放电较高，高温的性簏差，成本较高( 每瓦时4 元人民 币，为铅蓄电池的6 倍) ，电池的荷电水平不容易准确的判定，限制了蓄电池组实际使 爝寿命。 铅酸蓄电池 铅酸蓍电池已有l o o 多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力源。它也是成熟 的电动汽车蓄电池，目前约有8 9 0 的采用率。它可靠性好、原材料易得、价格便宣， 目前已经实现了大批量的生产，其产品回收较为容易；比功率也基本上能满足电动汽车 的动力性要求。我国在“歹五”期闻就安撵了电动车铅蓄电池的研制工作，最后分别由出 东淄博4 8 1 厂研制出管式、轻工业化学电源研究所研制出椭圆管式、河北保定4 8 2 厂研 制出板式1 2v 1 5 0 怂的电动车用开霹富滚式铅蓄电泡，它们的姥率魄能量达到3 8 4 1 w m ( g 和8 0 一8 2 讹i ，循环寿命按牵引蓄电池标准g b7 4 0 3 1 8 7 可达到7 5 0 次以 上( 管式) 和4 0 0 次以上( 扳式) ，并在我国研制的几辆概念车上试用。 但它有两大缺点；一方面是比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里 程较短；另一个方面是使用寿命短，使用成本过高。同时由于铅是重金属，因此，铅酸 电池存在污染问题。 铅酸电池由于存在价格便宜，材料来源丰富，技术和制造工艺较成熟等优点，目前， 9 0 以上毫动车都采用铅蓄电池，人们正在对其实施各种改良，以使其能满足电动汽车 用蓄电池的标准。其发展趋势是提高它的比能量、循环使用寿命及快速充电性能等。 锂离子电泡 锂离子电池具有很高的能量密度( 目前已达到铅酸电池的3 - 4 倍，镍氢电池的2 倍) ， 良好的性能价格比，和较高的单体电压；电池在充放电时可获褥较高的能量效率，放电 时容易检测出电池的荷电状态。被认为是最有希望的电动车用蓄电池。 我国有不少单位对电动车用锂离子电池进行研究开发。天津电源研究所在“九五” 期闻接受圜家科技部的研制任务，与天津力神公司合作研制出9 5 触圆柱形电动车用锤 离子电池及6 个单体的单元电池组。深圳雷天公司开发了1 0 a h ，5 0 a h ，1 0 0 a h 的电动车 用锂离子电池，并在电动自行车、电动摩托率、电动轿车、电动孛巴车上进行了试验， 电动轿车的1 次充电行驶里程达3 0 0 4 0 0m ，其价格只有2 2 5 元愚m 。另外，北京 太极、中信冒安盟匿利、北京星恒、深圳比豫遣、深圳华粤宝、深圳桑群、遵义梅岭、 武汉力兴、浙江万向集团等单位也积极参与开发，有l o 一5 0a h 产品。 但目前大容量的锂离子电池技术还没有真正突破，存在的主要缺点是：不能快速充 。 北方工业大学硕士学位论文 电，可靠性、安全性差，成本高，技术不成熟，高温性能差。若深度放电或在高温情况 下储存或放电，容易造成容量的不可逆损失。目前，锂离子电池所面临的主要问题是价 格和其安全性能。如果能做到电池本身绝对安全可靠，外部有可靠的保护电路及电池组 管理系统，采用廉价正极材料等措施，提高性能价格比，那么锂离子电池在电动车上将 受到欢迎，可进入商业化使用。锂聚合物电池解决了锂电池的安全性问题，生产成本低 于锂离子电池。但它的比功率较低，快速充电性能差，目前仍属于实验室产品。 镍锌蓄电池 镍锌蓄电池的比能量高( 5 5 6 5 眦) ，有较高的比功率( 1 5 0 2 5 0 呐) ，寿命较 长( 4 0 0 6 0 0 次) ，材料来源丰富，无污染等，也被认为是应提倡的电动车用蓄电池。我国 厦门三圈益尔希公司用美国e i 配公司技术，开发电动车用镍锌蓄电池。镍锌蓄电池在 商业化的电动车上使用还很少这主要是由于镍锌蓄电池的价格贵( 每瓦时2 5 4 元，为 铅蓄电池的4 6 倍) ；循环过程中，初期容量衰减率大，限制了蓄电池组实际使用寿命； 综台性能不如镍氢蓄电池。同样还有锂离子电池的迅速发展对镍锌蓄电池造成强大的威 胁。 钠硫蓄电池 钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车用电池，美国福特汽车公司的m i l i 啪电 动汽车就是使用钠硫蓄电池的。它已被美国先进电池联合体( u s 脚c ) 列为中期发展的 电动汽车蓄电池，德国a b b 公司生产的b 2 4 0 k 型钠硫蓄电池，其质量为1 7 5 l 【g ，蓄电 量1 9 2 k w h ；比能量达1 0 9 w m 蟾，循环使用寿命1 2 0 0 次，装车试验时最好的一辆车 无故障地行驶了2 3 0 0 k m 。钠硫蓄电池主要存在高温腐蚀严重，电池寿命较短。性能稳 定性及使用安全性不太理想等问题。 锌空气电池 锌空气电池的潜在比能量在2 0 0 w m 强左右。美国d e m i 公司为电动汽车开发的 锌空气电池的比能量己达1 6 0 w l 以g