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纯电动汽车锂离子电池热效应及电池组散热结构优化 纯电动汽 车锂离子 电池 热 效应 及电 池组 散热结构 优化重庆大学硕士学位论文 (学术学 位)学生姓名 :李 涛 指导教师 : 胡建 军 副教授 专 业:车辆 工程 学科门类 :工 学重庆大学机械工程学院 二 O 一三 年五 月 Study on Thermal Effects of Lithium-ion Battery in Electric Vehicle and Battery Package Dissipation Structural Optimization A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master s Degree of Engineering ByLi TaoSupervised by Ass.Prof. Hu Jianjun Specialty: Vehicl EngineeringCollege of Mechanical EngineeringChongqing University, Chongqing, China May, 2013 中文摘要摘 要纯 电 动 汽车 结 构简 单 ,维 修 方便 , 操作 性 能好, 与 传 统燃 油 汽车 相 比具 有 无振 动 、无 噪 声、 无 排放 污染 等 优点 , 发展 前景广 阔 ,已 成 为未 来 汽车 行业 重 要 发展 方 向之 一 。动 力 电池 作为 纯 电动 汽 车 的 唯一储 能 元件 , 直接 影 响到 纯电 动 汽 车的 整车性能。锂离子 电 池具 有 电压 平 台高 ,能量 密 度大 、 功率 密 度 高、循环 寿命长、 自放电率低 、污染少等优点,成为 纯电动汽车 的优选电池 。 在纯电动 车辆正常运行中, 锂离子动力 电池组伴随着 充放电 会产生大量的热,如果这些热量不能够及时散失掉将 导致电池 组内部温度不断 升高 及温度分布不均匀, 从而降低 电池的使用 性能 、 循环寿命及安全性 。 所以, 为保证电池性能的稳定性, 既 要使 得电 池组 的工 作温 度保 持在 适宜 的临界 温 度之 下, 也要 控制 内部 温差 在一定范围内。 因此, 建立电池 热效应 分析的理论模型 ,利用数值 仿真技术 (CFD )模拟计算 电池 单 体 和 电 池 组 在 不同 使 用 条 件 下 的 温 度 场 分布, 预测电池组散热性能并进行散热结构 优化 , 对电池 性能的充分发挥 具有重要的现实意义。 本文运用 实验 验证和CFD 技术相结合的方法 , 分析了不同 条件下 锂离子电池单体的温升, 基于不同 循环工况 分析了 电池组动态性能 , 并 对锂 离子动力电池组的 温度场进行了建模和数值 计算 ,最后提出 了使电池 组散热流场和温度场分布均匀的改进措施 。 本文 研究工作主要 有以下几方面 : 对不同充放电倍率下锂离子电池单体温升进行 实验分析, 并对其不同温度下充放电过程内阻变化和开路电压变化进行 测试研究 ; 分析锂离子电池的发热机理和传热特性, 根据传热学 理论 建立了锂离子电池 热效应模型,并对电池单体 充放电过程温度场分布 进行了数值模拟; 借助汽车仿真软件 ADVISOR 建立了锂离子 电池组仿真模型, 对不同循环工况 及特 殊 工况 下 电池 组动 态 特性 进 行仿 真分析 , 并利 用 该模 型 得到 了电 池 组 实时生热速率及生热量变化; 采用 CFD 技术,对纯电动汽车 用 锂离子电池组原始散热结构 的流场 和温度 场 进行 了 数值 模 拟分 析, 为 验证 温 度场 模型的 合 理性 和 仿真 结果的 准确 性 , 对锂 离 子电 池 组进 行 了现 场温 度 场实 验 测量 , 并对 实 验结 果 和仿 真 结果 进行 比 较 。最后提出了优化锂离子电池组散热系统流场和温度场分布的改进方案。关键 词 : 纯电动汽车, 锂离子电池,温度场,CFD 技术,实验I 重庆大学硕 士学位论 文 II 英文摘要ABSTRACTElectric vehicles is simple in structure, easy maintenance, good operating performance, compared with the traditional fuel vehicles with no vibration, no noise, no pollution emissions, and broad development prospects, has become one of the important development direction of the automotive industry in the future. As the only energy storage components, power batteries for electric vehicles will directly affect the vehicle performance. With high voltage platform, energy density, high power density, long cycle life, low self-discharge rate, less pollution, etc., the lithium-ion battery become the preferred choice for electric vehicles Along with the charge and discharge, lithium-ion battery pack will generate a lot of heat in the normal operation of the electric vehicle, the internal temperature of the battery pack will be rising and the distribution of temperature is not uniform if the heat cannot be dissipated in time, which reduces the performance of the battery, even cycle life and safety. So, in order to guarantee the stability of the battery performance, it is necessary to make the working temperature of battery pack maintain under suitable critical temperature, also to control the internal temperature difference within a certain range. Therefore, establish a thermal analysis model of the battery, use numerical simulation techniques to simulate temperature distribution of the cell and battery pack under different conditions, predict the thermal performance of the battery pack and optimize the heat dissipation structure, which has important practical significance to give full play to the battery performance. In this paper, experimental verification and CFD technology combined to analysis the temperature rise of the lithium-ion under different conditions, then simulated the dynamic performance ofbattery pack based on the different driving cycles, modeled and numerical computed the temperature field of lithium-ion battery pack, finally, put forward improvements to make the heat flow and temperature distribution of battery pack uniformThe research work of article has the following aspects: Analysised the temperature rise of the lithium-ion cell by experiment under the different charge-discharge rate, the change of resistance and the open circuit voltage were tested during charging and discharging process at different temperatures; Analysised the generate heat mechanism and heat transfer characteristics of the lithium-ion battery, lithium-ion battery thermal model was established according to the III 重庆大学硕 士学位论 文 heat transfer theory, and the cell was simulated; The simulation model of lithium-ion battery pack was established with the software ADVISOR to simulate and analyze the dynamic characteristics under different cyclic conditions, and obtained real-time heat rate and changes in the amount of heat used the model Using CFD technology, the flow field and temperature field of electric vehicles lithium-ion pack original heat dissipation structure were simulated and analysised. To verify the accuracy of the temperature field model and the simulation results, the lithium-ion battery pack on-site experimental measurement was carried out, and experimental results and simulation results are in good agreement. Finally, the improvement programs to optimize the flow and temperature field distribution of lithium-ion pack cooling system were proposed Keywords: Electric Vehicle, Lithium-ion battery, Temperature field, CFD, ExperimentalIV 目 录目 录中 文 摘要. I 英 文 摘要. III 1 绪 论 1 1.1 电动汽 车发展概述1 1.1.1 电动汽 车特点及 分类 1 1.1.2 纯电动 汽车发展 的核心技 术. 2 1.1.3 国内外 纯电动汽 车研究现 状. 5 1.2 纯电动汽车用锂离子动力电池 的研究 7 1.2.1 纯电动 汽车用锂 离子动力 电 池技术 要求与应 用7 1.2.2 锂离子 动力电池 使用热性 能研究的 必要性. 7 1.2.3 锂离子 动力电池 热效应研 究现状8 1.2.4 纯电动 汽车锂离 子动力电 池组散热 系统研究 9 1.3 论文主要研究内容 12 2 纯电 动 汽车 锂离 子电 池 热特 性实 验及数 值 分析 理论. 13 2.1 锂离子动力电池结构及基本原 理 13 2.1.1 锂离子 电池的结 构13 2.1.2 锂离子 电池工作 原理. 14 2.2 锂离子动力电池的特点分析15 2.3 锂离子电池生热机理分析 16 2.4 单体锂离子动力电池热效应实 验 18 2.4.1 锂离子 动力电池 的温度特 性. 18 2.4.2 电池充 放电实验 平台搭建19 2.5 CFD 仿真理论及其在动力电池热分析中的应用 29 2.5.1 CFD 概述 29 2.5.2 CFD 基本控 制方程30 2.5.3 CFD 求解过 程. 32 2.5.4 CFD 技术在 电池热分 析中的应 用34 2.6 本章小结. 34 3 单 体锂 离子 电池 充放 电 过程 热效 应仿真 分 析35 3.1 锂离子动力电池三维热效应模 型的建立. 35 3.1.1 锂离子 动力电池 热传递基 本原理及 研究35 V 重庆大学硕 士学位论 文 3.1.2 热物性 参数的确 定37 3.2 单体锂离子动力电池数值模拟. 38 3.2.1 几何模 型 38 3.2.2 网格模 型 39 3.2.3 初始条 件、边界 条件. 39 3.2.4 仿真热 源的确定 40 3.3 结果与分析. 44 3.3.1 模拟结 果分析. 44 3.3.2 模拟结 果与实验 结果对比 47 3.4 本章小结. 48 4 纯 电动 汽 车典 型工 况下 锂离 子 电池 组动 态 性能 研究 49 4.1 纯电动汽车整车技术参数. 49 4.2 ADVISOR 软件基础介绍49 4.3 纯电动汽车仿真模型的搭建50 4.3.1 动力电 池组仿真 模型的建 立51 4.3.2 基于 ADVISOR 纯电动车仿真 参数的定 义54 4.4 纯电动汽车仿真及动力电池生 热特性分析 56 4.4.1 车辆仿 真行驶工 况的选择 56 4.4.2 仿真结 果与电池 组热特性 分析. 57 4.5 本章小结. 62 5 锂 离子 动力 电池 组热 仿 真及 散热 结构优 化 设计 63 5.1 锂离子动力电池组原始模型温 度场瞬态仿真分析63 5.1.1 电池组 仿真模型 的建立 63 5.1.2 空气流 场湍流模 型的选择65 5.1.3 边界条 件设置. 65 5.1.4 仿真求 解器的选 择67 5.1.5 仿真结 果分析. 68 5.2 电池组温度场实验 69 5.3 锂离子动力电池组散热结构优 化及 CFD 分析71 5.3.1 优化方 案. 72 5.3.2 优化后 流场分析 与温度场 分析 73 5.4 本章小结74 6 总 结与 展望75 6.1 全文总结. 75 VI 目 录 6.2 研究展望. 76 致 谢. 77 参 考 文献. 79 附 录. 83 A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文83 B. 作者在攻读硕士学位期间参与科研项目. 83 VII 重庆大学硕 士学位论 文VIII 1 绪 论1 绪 论1.1 电动汽 车发展概述 1.1.1 电动汽车特点及分类 电动汽车Electric Vehicles 是以电能为主要 或辅助 动力源的汽车,与传统燃油汽 车 相比 具 有无 可 比拟 的优 势 ,如 对 环境 的污染 物 排放 少 、能 源 利用 效率 高 、 噪声低等 , 因此, 电 动汽 车在 全 世界 范 围内 已经开 始 逐渐 得 到应 用 和推 广 。 电动汽1车发展的优势主要有以下几个方面 : 电 动 汽车 具 有非常 广阔 的 发展 前 景。 电 动汽车 的 主 要或 辅 助能 源 系统 为高效 率 可充 电 动力 电 池 , 驱动 系 统采 用 电动 机,降 低 了城 市 噪声 污 染。 而且 电能是二 次 能源 , 可来 源 于水 能 、 风 能、 潮 汐能 、氢能 、 太阳 能 等多 种 绿色 发电 方式,使 用 电能 代 替传 统 汽车 燃油 缓 解了 人 类对 于 日渐 枯 竭的 石 油资 源 消耗 压力 ,因此电动汽车 是非常具有发展前景的替代 新能源汽车。 电 动 汽车 排 放低 且 可实 现 零排 放 ,大 大 的减少 甚 至 消除 了 汽车 对 环境 的 污染 。 即使 考 虑发 电 厂排 放对 环 境的 污 染, 按电动 汽 车行 驶 所耗 电 量进行换算, 发电 厂 排放 的 硫、 固 体微 粒和 其 它污 染 物等均 明显 减 少, 而 且发 电厂一 般地 点 固定不动,集中排放 ,集中处理 , 相对比较容易 清除各类排放污染物 。 电 动 汽车 动 力电 池 可以 在 夜间 利 用电 网 的“谷 电 ” 进行 充 电, 平 抑电 网 的谷 峰 差, 从 而极 大 的提高了 能源整体 经济 效益 。 一 些机 构 和学 者 曾对 原油 的 利 用2方式进行研究 : 一种是 原油经过粗炼 后用来 发电, 然后充入动力电池, 再 由动力电 池 输出 驱动电 动 汽车 行驶 ; 另一 种 是同 样的 原 油 经过 精 炼变 为 燃油 (汽油 或柴油) , 再由 燃油燃烧 驱动传统内燃机汽车行驶, 比较 两种方式的能源利用率 可以发现, 前者 显著高于后者 ,也就是前一种原油利用过程有效的 节约 了资源。 与 传 统的 燃 油汽 车 相比 , 电动 汽 车 的 一 些新 技 术 也 具有 很 多优 点 。电 动 汽车 驱 动电 机 具有 良 好的 调速 特 性, 可 通过 对电机 转 矩或 转速变化 的控制来实现对车辆行驶速度的控制, 并且控制精确, 大大 的降低了车辆行驶对变速系统的要求 ;电动汽车减速制动时 可以实现能量 的再生回收使用,从而减少 动力电池能耗 。 综 上 所 述, 电 动汽 车 的研 发 和推 广 使用 对 节能、 环 保 以及 汽 车技 术 的发 展 都具有 非常 重要的意义。 从 当 前 各 国 发 展 的 新 能 源 电 动 汽 车 类 型 来 看 , 主要 分 为 混 合 动 力 电 动 汽 车HEV 、 纯电 动汽 车(EV )和 燃料 电池 汽车 (FCEV ) , 这些 新能 源电 动汽 车都 得到 了 不同 程 度的 研 究与 发展 。 随着 电 动汽 车用动 力 电池 技 术的 不 断发 展, 电 动 汽车 的 经济 性 和行 驶 动力 性 正 逐 渐接 近 甚至 超过传统 汽车 , 因此 , 以电 动汽 车 为 代1 重庆大学硕 士学位论 文 表的新能源节能环保汽车将成为未来汽车工业发展的一个必然趋势。 混 合 动 力电 动 汽车 的 驱动 系 统包 括 燃油发 动机和 电 动 机, 介 于传 统 燃油 汽 车和 纯 电动 汽 车之 间 , 既 可以 为 车辆 正 常行 驶提供 足 够 的 动力,又 能够 节约 日益枯竭的 能源, 大大的减少 环境污染 物排放 。 目前的 HEV 在技术上大多是沿用了传统燃 油 汽车 已 成熟 的 基础 技术 , 同时 结 合了 电动机 、 电池 等 已有 的 电动 汽车 相 关 技3术, 从而降低 了研发成本 , 是目前世界汽车领域关注度较高的概念汽车之一 。 近几年, 成功投放于市场的多款混合 HEV 车型都取得了比较好的口碑, 如丰 田汽车公司 的 Prius 和福特汽车公司研发的 Escape-SUV 混合动力汽车。 另外 ,我国东风汽车公司在 HEV 研究领域也取得了很大的进步,如东风 EQ7200 混合动力电动轿4车和 EQ6110 混合动力电动大客车 , 在燃油经济 性和排放 方面 都已达到 国际标准 。 纯 电 动 汽车 正常行驶 所需 的 动力 完 全 由 车 载动力 电 池 组输 出 电能 提 供, 相比于 传 统燃 油 汽车 , 它结 构简 单 ,维 修 方便 ,操作 性 能好 , 并且 几 乎无 振动 、 无 噪声 、 无排 放 污染 。 但是 纯电 动 汽车 在 续驶 里程和 性 能方 面 还不 能 和传 统燃 油 汽 车相 竞 争, 最 主要 的 原因 是电 动 汽车 的 能量 存储系 统 ?动 力 电池 的 核心 技术 不 够 完善 , 动力 电 池组 每 单位 质量 和 体积 所 对应 的储能 容 量较 低 、快速 充电 困难 、 制 造成 本 过高 等 问题 都 制约 着电 动 汽车 的 发展 。 因此 , 随着 未 来动 力 电池 关键 技 术 的突破和发展,纯电动汽车将会有一个非常广阔的发展空间。 燃 料 电 池汽 车 是指 动 力源 为 燃料 电 池的 电 动车辆 。 燃 料电 池 的能 量 转换 方 式是 燃 料的 化 学能 直 接转 换为 电 能, 且 这种 能量转 换 不受 卡 诺循 环 规律 的限 制 , 热效 率 高, 可 以达 到 燃油 和普 通 电池 的 数倍 。此外 , 燃料 电 池在 运 行过 程中 , 不 需要 复 杂的 机 械传 动 装置 ,没 有 振动 和 噪声 ,也不 会 排放 有 害气 体 污染 环境 , 因 此有人认为燃料电池将是未来车辆 动力机械领域首选的动力能。 1.1.2 纯电动汽车 发展 的 核心 技术纯 电动汽车 早在 20 世纪 就已经存在, 但是 由于蓄电池技术发展缓慢逐渐而被燃 油 汽车 取 代, 直 到石 油能 源 危机 的 爆发 和环境 污 染的 日 趋严 重 ,非 石油 燃 料 、零 污 染的 现代 纯 电 动汽 车 才 再 次引 起 人们 的关注 。 纯电 动 汽车 与 传统 车辆 的 差 别在于动力电池、 驱动电机和控制器 等 3 个主要 部件, 相应的 集成了包括电池技术、5能量管理技术、 电机及控制技术、 整车控制技术 等众多先进 电动汽车技术于一 体 。动 力 电池 的 容量 大小 和 安全 性 能决 定 了纯 电动汽 车 的续 驶 里程 和 使用 安全 ; 驱动电机的性能 和 功 率 大小 决定 着 纯电 动 汽车 的启动 平 顺性 和 行驶 动 力性 ;纯电动汽车控制器通过 CAN 总线传输信息 来 实现能量 管理系统优化控制、 能量再生制动回收控制和整车驱动系统控制 等。 电池技术 电池 技 术是 纯 电动 汽 车的 关 键技 术 ,电 池 技术的 进 步 在一 定 程度 上 决定 了 纯2 1 绪 论 电动汽车的发展 。 纯电动汽车对电池能源的要求主要体现在 6 个方面: 能量密度 、功率密度 、循环寿命 、成本费用、可靠性、安全性 等 。20 世纪 后期,美国高能蓄6电池协会 (USABC ) 制定出一个电动汽车用动力电池的发展规划 ,见表 1.1 所示。表 1.1 USABC 电池发展目标 Tab1.1 USABC battery development goals 指标 中期目标长期目标 指标 中期目标长期目标质量能量密 度 80100200 循环寿命( 次)600/5 1000/10(Wh/kg ) / 总寿命(年) 体积能量密 度(Wh/L )135 300 功率/ 能量比22质量功率密 度(W/kg )150200400 充电时间 (h )6 36体积功率密 度(W/L )效率250 600 75% 80% 目前 电动汽车所使 用的动力电池经历 了 4 个阶段的发展过程:铅酸 蓄 电池阶段、镍氢 (Ni-MH ) 电池阶段、锂 离子 电 池 阶段 和 燃 料 电池 阶 段 。 从 新 能 源电 动汽 车 动力 电 池发 展 历程 来看 , 铅酸 蓄 电池 已逐渐 被 淘汰 , 镍氢 电 池技 术最 成 熟 ,锂 离子电 池 是未 来 的重 要发 展 方向 , 燃料 电池在 新 能源 电 动汽 车 上大 规模 应 用 是长远的发展目标。 表 1.2 给出了以上 几种 动力电池的性 能比较和主要优缺点。表 1.2 各种 电动汽车 动力电池 性能比较 Tab1.2 Performance comparison of different batteries using in electric vehicle电池 能量密度 功率密度 循环寿命 最佳工作 主要优点 主要缺点类型 W ?h/kg W/kg 次 温度 ()铅酸 3540 7090 400600 040 价格低, 可 靠 比特性差电池性好镍氢 1000 以上能量密度高价格偏高80225040 电池+Li 电 比特性好 价格偏高、 对 温100 3001200 060 池 度敏感燃料 500 60 ? 能效高 价格偏高、 不 安电池全铅 酸 电 池在 电 动汽 车 发展 初 期 就 广 泛地 被 用作为 储 能 装置 , 技术 研 究也 最 为成 熟 。铅 酸 电池 具 有可 靠性 高 、成 本 低、 大功率 性 能优 异 、电压平 稳 、自 放 电 率3 重庆大学硕 士学位论 文 低 、 安全 性 好、 维 护简 便或 者 免维 护 及 适 用范围 广 等优 点 。但 是 它的 充放 电 反 应属于溶解/ 沉淀 原理 ,电解 液内 产生 的 难溶物随 充放电次数的增 加 而不断增多 ,同时电池的容量 逐渐衰减。 电动汽车铅酸电池 规模化应用的主要障碍是能量密度低、循环寿命短、体 积大质量 重、过充/ 过 放电性能 差、会对环境产 生二次污染 等。从时间发展来看,铅酸蓄电池不符合未来环保、高效的需要,将逐渐被淘汰。 镍氢 电池 具有 可大电流快 速充放电 、耐过充/ 过 放能力强、低 温性能好、 比功率 高 等优 点 ,是 目 前技 术 比较 成熟 、 应用 较广泛 的 动力 电 池。 自放 电 率高 、 比 能量 较 小是 当 前镍 氢 动力 电池 所 存在 的 不足 , 使得 车辆续 驶 能力 较 差 , 目前 只 能 用在 混 合动 力 电动 汽 车上 。镍氢 电池 的 充放 电 稳定 性 良好 , 但是 随 着循 环次 数 的 增加, 电池 内阻 的 急 剧增 加 使 得 发热 变得尤 为严重 , 容量 衰 减 也 将 会加 剧, 使 用 寿命 缩 短。 新 型高 功 率镍 氢电 池 所具 有 的特 点 是 高 比 能量 、 高比功率 、 能够 稳定的大 电 流放 电 , 这 些 优势 使镍 氢 电池 能 够满 足混合 动 力汽 车 的续 驶 里程 、加 速 和 爬7坡等方面的能量 需求及功率 需求 。 目前我国的镍氢电池研究 已处于世界前列, 国8家科委已将 其 研发和应用 列为重点项目, 很多 企业 已经开始 生产镍氢电 池 。 锂 离 子 电池 因 具有 电 压高 、 体积 小 、比 能 量高、 无 污 染、 自 放电 率 小、 工作温 度 范围 宽 广、 循 环使用 寿 命 长和 无 记忆 效应等 优 点 受 到 众多 汽 车厂 商的 青 睐 ,是 目 前综 合 性能 最 优的 电池 , 也是 新 能源 电动 汽 车 的优 选 电池 , 当前 许多 世 界 著9名汽车厂商都致力于开发的纯电动汽车大部分采用的是锂 离子动力电 池 。 锂离子动力电池的具体特点和性能将在第二章详细介绍。 燃 料 电 池能 量 密度 特别高, 与 汽 油 和柴 油 的能量 密 度 相当 , 可实 现 零污 染 ,号称 “终极电池” , 代表着电动 汽车未来 发展方 向, 也是各国重点研发的领域之一,目 前 质子 交 换膜 燃 料电 池 的 应用 相 对 较多 。但是 , 燃料 电 池还 没 有 在 电动 汽 车 领10域被广 泛的 应 用 ,主 要原 因 是燃 料电 池还 存 在一些 技术 和使 用条 件上 的问题 :氢 是 燃料 电 池的 唯 一燃 料 , 种 类太 单 一, 且贮存 和 运输 氢 成本 高 昂; 高质 量 的 密封 要求 , 使 得制 造 工艺 很复 杂 ;需 要 配备 辅助电 池 系统 。 燃料 电 池作 为能 源 利 用的新技术, 具备高效、 洁净等优点, 已成为当今 世界 新能源领域的开发热点。 美日等国 在这方面处于世界领先水平, 而我 国对燃 料电池的研究还处于起 步阶段, 今后燃料电池的商业化所需要解决的问题是制造成本高、循环 寿命短和可靠性 低等。 总 之 , 研发 出 具有 比 能量 高 、比 功 率大 和 循环寿命长 等特 点 的高 性 能动力 电池是使新能源电动汽车具备强大市场竞争力的首要任务 之一。 能量管理技术 车辆 行驶工况 的复杂多变导致动力 电池经常 在恶劣的环境条件下 工作, 因此,为 有效 提 高 电池 利 用率 和 延 长 电池 的 使用 寿命 , 防 止电 池 出现 过 充电 和过 放 电 现象 , 需要 设 计专 门 的管 理系 统 对 电池的工作状态 进行实时 监控 和 管理 ,即 电 池 能4 1 绪 论 量管理系统BMS 。 电池能量管理技术是电动汽车 发展 的核心技术之一, 一辆 设计优良的电动汽车 , 不仅 要具有合适的能量源 即动力 电池,还要 具备一套性能良好的能量管理系统, 使动力电池组 能够维持 正常状态工作或着工作于最佳状态。 BMS主要完 成 动态监测电池组的工作状态、 准确估算电池组的 SOC 和均衡电池组中各、11 12单体之间的工作状态等三 大功能 。 驱动电 机及控制技术 由于 纯 电动 汽 车 的 动 力输 出 主要 靠 驱动 电 机完成 , 所 以车 用 驱动 电 机需要具有 大 功率 、 高转 速 、高 效率 和 小型 化 等特 点 。目 前 ,电 动 汽车 常 用的 驱动 电 机 类13型 主要 有交 流电 机、 直流 电 机和 永磁 电 机 。 交流电 机具 有体 积小 、重 量轻、效率 高 、寿 命 长、 结 构简 单和 免 维护 等 优点 , 当前 主 要采 用 的直 接 转矩 控制 和 矢量控制 可以 实 现电 机 的精确动 态 控制 , 已广 泛的应 用 到实车上 电 机 控制 ;直流电机控 制 简单 且 调速 特 性好 ,但 其 体积 和 重量 都相对 较 大, 效率也 比 较低 ,不 利 于 提高 能 耗经 济 性, 目前 仅 用于 小 型、 低 速 电 动汽车 ; 永磁 电 机的 特 点是 惯性 低 、 响应 快 ,但 由 于技 术 不够 成熟 , 仅限 于 小功 率范围 内 应用 。 目前 , 欧美 国家 多 采 用交 流 电机 , 日本 青 睐于 采用 永 磁电 机 , 而 我国一 般 在高 档 车上 采 用交 流电 机 或 永磁电机,在低档车上 采用直流电机 。 整车控制 技术 纯 电 动 汽 车 的 整 车 总 体 设 计 及 控 制 技术 对 提 高 电 动 汽 车 的 整 车 性 能 相当 重要。 由于 纯 电动 汽 车续 驶里 程 较短 , 所以 对其能 耗 经济 性 要求 就 变得 更加 严 格 ,可 通 过减 小 整车 重 量实 现整 车 能耗 的 降低 , 也可 利 用电 机 反转 特 性和 电池 储 能 功用 实 现纯 电 动汽 车 在 制 动时 的 能量 回 收, 从而提 高 整车 能 量利 用 率。 要想 获 得 最佳整车经济型和动力性 , 不仅要对整车总体进行优化设计 , 还需要对其进行 控制。整 车 控制 系 统的 主 要功 能是 对 电机 驱 动系 统、能 量 管理 系 统、 再 生制 动系 统 等 进行 实时监测 和管 理 ,然 后 根 据 驾驶 员 的操 作和整 车 运行 状 态, 在 保证 使用 安 全 的前提下选择最优的工作模式,以求获得最佳的整车综合性能。 1.1.3 国内外 纯电动汽 车 研究 现状 20 世纪中 后期, 石油能源危机的发生 及人们对环境保护的 重视促使世界各国政府与 各 汽车集团 开始 关注 新 能源 电 动汽 车的研 究 和 开发 。美 国 政府 以能 源 部 为中心 ,逐 年 递增 投 入资 金研 制 开发 电 动汽 车, 通 用 、福 特 等公司 也在 不断 加大纯电 动 汽 车 的 研 发 力 度 。 早在 1993 年 美 国 政 府 就 制 定 了 发 展 新 能 源 电 动 汽 车 的PNGV 计划, 把纯电动汽车的发展作为研究重点 。虽然 EV-1、Chrysler EPIC 等纯电动 汽 车由 于价 格过 高且 续驶 里程 不 能 满足 使 用者的 需求 而 相 继停 产,但 NREL( 美 国国 家 实验 室 )仍 在深 入 研究 纯 电动 汽车先 进 电池 系 统、 先 进驱 动系 统 及 管理 控 制系 统 等核 心 技术 ,而 且 小型 、 低速 、特种 用 途的 纯 电动 汽 车也 在不 断 的 发5 重庆大学硕 士学位论 文 展 。 日本 政 府一 直 很重 视电 动 汽车 的 发展 ,各汽 车 制造 商 如丰 田 、日 产 和三菱等都纷 纷开展纯电动汽车的研发工作 , 日产 “LEAF”、 三菱 “i-MiEV ” 等纯电动乘用车 的陆续推出更是加快了纯电动汽车 发展的步伐 。 日产 “LEAF ” 纯电动轿车已在日、 美、 欧市场销售, 三菱 “i-MiEV ” 纯电 动汽车 也已 正式向普通消费者出售 。法国标致- 雪铁龙与雷诺两大汽 车公司一直在积 极研发和推广 电动汽车 , 法国政府也 出 台了 许 多鼓 励 研发 和产 业 化的 支 持、 补贴和 扶 持政 策 来 加大 电动 汽车 的 推广力度 ; 戴姆勒 汽车公司研 发的奔驰 Smart 纯电动汽车 在欧洲部分城市已有运行。 总体来说 , 国外纯 电 动汽 车 在 经 历 了基 础 研究、 关 键 技术 突 破、 产 品开 发和试 验 以及 试 用后 取得 了 长足 的 进展 , 技术 开发已 经 相对 完 善, 但 因为 价格高昂及充 电 设施 建 设的 成 本巨大 , 仍 处于 小 批量 生产 和 示 范运 行 阶段 。 目前 ,美 国 、日本 、欧洲等 都将 纯 电动 汽车 的 研究 和 应用 范围 转 向 了以 城市 公 交 车为 主的 定线 、定点运行车辆和 社区用微型车辆及特殊 用途的 小型车。 我国在 “ 八五 ” 和 “ 九五 ” 期间组织了纯电动汽车 的 技术 攻关, 科技部 又在“ 十五 ”和“ 十一五 ” 期间设立 了“863”电动汽车重大专 项 来支持电动汽车的研发。 同时 ,国内 一些 汽车 企 业 联合 高校 也 做了 大 量的 技术攻 关 和样 车 试制 , 在 电 动汽 车 系统设 计 与开 发 、关键 零部 件的研制、 能 量存 储系统 研 究 、 规范 和 标 准制 定 等 方面都取得了 不 错 的成 绩 ,为 我国 电 动汽 车 产业 的发展 奠 定了 良 好的 基 础。 “863 ” 电动汽 车 重大 专 项“ 纯 电动 客车 项 目” 和 北京 市科技 奥 运电 动 汽车 特 别专 项“ 电 动 汽车运行示范、研究开发及产业化 等 已完成纯电 动准低地板公交车、纯电动超低地板公交车、 纯电动旅游客车和纯电动中巴客车等四种车型的整车开发和定型设计,并进行了 40 余辆的生产和探索应用, 其动力性 、 经济性和噪声水平等指标已接近或 达 到国 际 先进 水 平。 此外 , 我国 在 小型 纯电动 乘 用车 研 发方 面 储备 了一 定 的 技术 基 础, 比 如奇 瑞 、比 亚迪 、 吉利 等 自主 研制 开 发 的小 型 纯电 动 乘用 车已 基 本 满足 代 步交 通 需求 , 达到 了实 现 产业 化 的初 步要求 。 全球 乘 用车 市 场 研 究报 告 中14国蓄势待发: 电动汽车的机遇 指 出: “在 传统汽车行业, 中国落后于世界几十年 , 但在 新 能源 电 动汽 车领 域 ,中 国 与世 界各国 处 于同 一 起跑 线 上, 具有 成 本 和市场优势, 有可能在全球电动汽车市场取得领先地位” 。 因此, 如果 我国在新能源汽 车 发展 和 推广 上 选择 中低 端 路线 , 大力 发展节 能 汽车 , 重点 发 展纯 电动 汽 车 和插 电 式混 合 动力 电 动汽 车, 优 先支 持 发展 低速小 型 纯电动 汽车 , 将具 有强 大 后 发15优势。2012 年出台的 节能与新能源汽车产业发展规划 提出未来 10 年我国电动汽车发展总体目标, 到 2020 年我国新能源汽 车产销量达到 500 万辆, 力争全球第一。 近 年 来, 为 激活 电动 汽 车市场 ,我 国政府 和 一些 地 方不 断 出台 各种 鼓 励 和引导 政策 ,比如 加大新能源汽车购买补贴力度和税收政策支持 。 综上