电动车能量管理与控制资料.doc

目 录第一章 概述- 1 -1.1 电动汽车发展概述- 1 -1.汽车发展简史- 1 -2.电动汽车早期发展- 1 -3.电动汽车发展现状及计划- 2 -1.2 电动汽车定义与特点- 3 -1.电动车辆的类型- 3 -2.电动汽车定义和分类- 3 -3.电动汽车的性能特点- 3 -1.3 汽车业面临的新挑战和技术发展方向- 5 -第二章 电动汽车构造与原理- 7 -2.1 纯蓄电池电动汽车（技术基础）- 7 -2.1.1 BEV的分类和特点- 7 -2.1.2 BEV的驱动结构- 7 -2.1.3 BEV的结构原理- 7 -2.2 混合动力电动汽车 （中间过渡模式）- 10 -2.2.1 HEV定义及优点- 10 -2.2.2 HEV分类及结构特点- 11 -2.3 燃料电池电动汽车（理想目标）- 13 -2.3.1 FCEV基本结构与原理- 14 -2.3.2 FCEV燃料电池系统- 14 -2.3.3燃料电池汽车特点与期望- 15 -第三章 电动汽车动力储能装置- 16 -3.1 车用动力电池概述- 16 -3.1.1 电池的种类（车用动力电池）- 16 -3.1.2 化学电池的基本组成- 16 -3.1.3 电池的基本常识和术语- 16 -3.1.4 电池的性能指标- 18 -3.2 二次锂电池- 19 -3.2.1 锂离子电池- 19 -3.2.2 锂聚合物电池（高分子电池）- 21 -3.2.3 磷酸锂铁电池（动力电池）- 21 -第四章 电动汽车电池管理系统的基本功能- 22 -4.1 电池状态监测- 22 -4.2 电池状态分析- 22 -4.2.1 电池剩余容量评估- 22 -4.2.2 电池老化程度评估- 23 -4.3 电池安全保护- 23 -4.3.1 过流保护- 23 -4.3.2 过充过放保护- 23 -4.3.3 过温保护- 24 -4.4 能量控制管理- 24 -4.4.1 电池充电控制管理- 24 -4.4.2 电池放电控制管理- 24 -4.4.3 电池均衡管理控制- 24 -4.5 电池信息管理- 24 -4.5.1 电池信息显示- 25 -4.5.2 系统内外信息的交互- 25 -4.5.3 电池历史信息存储- 25 -4.6 基本功能定义难以统一原因分析- 25 -4.6.1 电池管理系统的功能根据不同场合有所差别，难以统一- 25 -4.6.2 不同种类的功能之间存在相互依赖关系- 25 -4.6.3 某些功能既可以定义在电池管理系统之内，也可以定义在电池管理系统之外- 26 -第五章 动力电池管理系统开发的基本问题- 26 -5.1 动力电池管理系统的拓扑结构- 26 -5.1.1 BMC与单元电池的关系- 26 -5.1.2 BCU与BMC的关系- 27 -5.2 通用电池管理系统与定制电池管理系统- 28 -5.2.1 理想情况- 28 -5.2.2 解决办法讨论- 28 -5.2.3 关于通用性讨论- 29 -5.3 动力电池管理系统开发的一般流程- 30 -5.3.1 动力电池管理系统开发前期工作- 30 -5.3.2 动力电池管理系统软硬件设计及实现- 31 -5.3.3 BMS单元测试及动力电池组整体测试- 31 -第七章 动力电池状态的实时监控- 31 -7.1 关于实时与同步的讨论- 31 -7.1.1 造成时延的几个因素- 31 -7.1.2 同步性问题- 33 -7.1.3 非实时与非同步问题的负面影响- 33 -7.1.4 解决问题的建议- 33 -7.2 电池电压监测- 34 -7.2.1 精度问题- 34 -7.2.2 电压采集方式- 35 -7.2.3 A/D转换器的比较- 37 -7.2.4 隔离问题- 37 -7.3 电池电流监测- 38 -7.3.1 精度问题- 38 -7.3.2 基于串联电阻的电流监测- 39 -7.3.3 基于霍尔传感器的电流监测 - 39 -7.3.4 折中的电流监测方法- 40 -7.4 温度监测- 40 -7.4.1 温度监控的重要性- 40 -7.4.2 常见实现方案- 41 -7.4.3 温度传感器放置- 41 -第八章 电池剩余电量（SOC）评估- 42 -8.1 剩余电量的相关概念及其理解- 42 -8.1.1 剩余电量与SoC的定义- 42 -8.1.2 剩余电量与SoC概念的正确理解- 42 -8.1.3 剩余电量评估与剩余能量评估- 43 -8.2 几种经典评估方法- 45 -8.2.1 电荷累积法- 45 -8.2.2 开路电压法- 46 -8.2.3 折中法（综合法）- 47 -8.2.4 不适合磷酸锂铁动力电池的评估方法- 48 -8.3 剩余电量评估的困难- 49 -8.3.1 电池状态监控不准确对评估造成的困难- 49 -8.3.2 电池的不一致性对评估造成的困难- 50 -8.3.3 电池历史信息的不明确对评估造成的困难- 51 -8.4 剩余容量评估需要考虑的实际问题- 52 -8.4.1 针对汽车安全性的问题- 52 -8.4.2 实现可行性的问题- 53 -8.4.3 针对驾驶员需求的实际问题- 53 -第九章 动力电池的均衡控制- 54 -9.1 均衡控制管理及其意义- 55 -9.1.1 均衡控制管理的基本模型- 55 -9.1.2 均衡控制管理的意义- 56 -9.1.3 均衡控制管理的难点- 56 -9.2 均衡控制管理的分类- 57 -9.2.1 集中式均衡与分布式均衡- 57 -9.2.2 放电均衡、充电均衡、双向均衡- 57 -9.2.3 耗散型均衡与非耗散型均衡- 58 -9.3 两种耗散型的均衡控制管理- 59 -9.3.1 两种待比较的均衡策略- 59 -9.3.2 实验验证- 61 -9.4 基于能量转移的均衡控制管理- 62 -9.4.1 技术特色及发展历史- 62 -9.4.2 一种基于相邻电池电量转移的均衡控制- 64 -第十章 动力电池的信息管理- 65 -10.1 电池信息的显示- 65 -10.1.1 汽车仪表上所显示的电池信息- 66 -10.1.2 基于传统仪表的改造升级- 66 -10.1.3 新式仪表的设计- 67 -10.2 系统内外信息的交互- 67 -10.2.1 系统内与系统外的信息交互- 67 -10.2.2 利用分级车载网络进行信息交互- 68 -10.2.3 利用CAN总线实现信息交互- 69 -10.3 电池历史信息的存储与分析- 70 -10.3.1 历史信息存储的必要性- 70 -10.3.2 历史信息存储的实现- 70 -10.3.3 历史信息的分析处理- 72 - 74 - / 77第一章 概述1.1 电动汽车发展概述 1.汽车发展简史 1885年由德国人卡尔奔驰研制的全世界第一辆以汽油作为燃料的汽车。该车最高时速达15Km/h。为纪念卡尔奔驰对汽车业做出的杰出功绩，将其汽车获专利日1886年1月26日定为世界汽车诞生日。美国福特汽车公司创始人亨利福特完成了四轮汽车的首创，并于1903年成立福特汽车公司。到了1913年，福特公司研发了世界上第一条汽车装配流水线，实现了汽车的批量生产，将T型车的装配时间从12.5h缩短到1.5h，最终达到高效的10s。我国汽车行业发展3阶段：1953年-1978年，该阶段我国开始自主生产汽车，初步奠定了汽车工业发展的基础；1978年-20世纪末，该阶段我国汽车工业从载重汽车到轿车开始全面发展，形成较为完善的汽车工业体系。该阶段正是我国汽车工业从计划经济体制向市场经济体制的转型期，引进技术、对外合作、合资经营多种形式促进了我国汽车行业的长远发展，汽车制造水平有较大提升；中国加入WTO之后-至今，到目前为止我国汽车工业逐步进入一个市场规模、全面接轨世界汽车工业的高速发展期。随着人民生活的不断改善，私有汽车保有量呈现飞速发展的现状。我国汽车业迎来有史以来最好的发展期，在崛起中成为世界各国汽车制造业同行强大且友善的竞争对手。2.电动汽车早期发展 电动汽车技术到目前为止处于新兴发展时期，其产生却早于燃油车。电动汽车最早构想和研制历史可追溯至1834年，由Thomas Davenport研制的电动三轮车采用一组不可充电的干电池驱动，行驶里程距离较短。1881年法国工程师古斯塔夫特鲁夫发明了第一辆以铅酸电池为动力的电动三轮汽车，并成功入围巴黎国际电器展览会。美国紧跟欧洲步伐，成为电动汽车迅速发展的国家。1890年美国第一辆蓄电池电动汽车诞生，车速达到23Km/h。到了20世纪初期，美国电动汽车的保有量达到汽车保有量的38%，仅次于当时主流的蒸汽机汽车（保有量40%），而内燃机汽车保有量仅占22%。随着内燃机技术的发展以及石油开采，燃油车性能大幅度提升。电动汽车受到续航里程短、需要长时间充电等因素影响，其发展一度受到严重制约。到了20世纪60年代后，由于能源、环境问题，电动汽车的研究再次进入正轨，各国政府与汽车制造商对于电动汽车的研究投入上升。最近电动汽车的研发进入高峰期，且在各项技术中开始取得一定的成果和进步。3.电动汽车发展现状及计划 日本日本属于后来居上的汽车大国，受能源危机和环境保护等因素，对于电动汽车的研发尤为重视。成立电动汽车协会，展开电动汽车新技术研发工作。本田公司于1996年推出“PLUS”纯电动汽车，该车采用高能镍氢蓄电池，充电一次续航里程最高可达350Km，其最高车速为130Km/h。丰田公司于1997年推出第一款批量生产的油电混合动力汽车普锐斯（PRIUS），受市场欢迎度极高。目前已开发出第二代产品，生产工艺更为成熟。有关数据表明：同等排量中普锐斯汽车城市工况下比其它汽车省油高达45%，郊区工况省油接近25%，综合节油量在40%左右。美国美国电动车发展主要是纯电动蓄电池电动汽车的发展，成立了先进电池联合体。由政府牵头，多家汽车公司共同研发高性能电池。目前最新消息美国奥巴马政府试图放弃对燃料电池的扶持，转向为锂离子电池制造商提供政府财政拨款24亿美元。欧盟各国欧盟为提高各国的科技水平，也建立了多个与电动汽车及其能源相关的发展计划，包括：FP-Framework Program系列计划，欧盟燃料电池研究发展示范计划，欧盟燃料电池巴士示范计划以及欧盟电动汽车城市运输系统等。尤其是欧盟中的德国与法国，2国对于电动汽车的研发不遗余力。中国中国对于电动汽车研发一直未曾中断。在国家的“十五”期间，国家从维护我国能源安全、改善气候环境、提高汽车工业竞争力、实现我国汽车工业跨越式发展的战略高度出发，设立“电动汽车重大科技专项”，确定“三纵三横”研究布局，三纵包括燃料电池汽车、混合动力电动汽车和纯电动汽车三种车型；三横包括多能源动力总成控制系统、驱动电动机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统三种技术。2009年初公布的我国汽车产业调整振兴规划中明确提出：要实施新能源汽车战略，推动电动汽车及其关键零部件产业化。科技部部长表态：我国新能源汽车产业面临的发展机遇十分难得，科技部将联合相关部门进一步加大对节能和新能源汽车的研发、示范和产业化支持力度，推动我国节能与新能源汽车健康快速的发展。1.2 电动汽车定义与特点 1.电动车辆的类型电动车辆定义：用电能驱动，电动机作为牵引或驱动行驶的车辆。电动车辆类型轨道电车：电动火车：电动机车、电动列车、磁悬浮列车 轻轨电力客车：地铁、高架无轨电车：有馈线无轨电车、无馈线快速充电电车特定车：高尔夫球场车、观光游览车、电动自行车、残疾人电动车电动汽车：纯电动汽车、混合电动汽车、燃料电池电动汽车2.电动汽车定义和分类电动汽车定义：全部或部分用车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的汽车。电动汽车应具备汽车特性与属性，但动力线路与内燃机动力线路不同，具有电力车辆基本特性。车载电源一般采用高效充电电池或燃料电池，驱动电动机相当于内燃机的发动机，蓄电池或燃料电池相当于内燃机的汽油。电动汽车具体分类：电动汽车类型蓄电池电动汽车（BEV）：铅酸蓄电池/二次锂电池/镍氢蓄电池/钠硫蓄电池混合动力汽车（HEV）：内燃机+电能/燃料电池+蓄电池/蓄电池+电容+太阳能/蓄电池+电容/飞轮燃料电池汽车（FCEV）：氢燃料电池/甲醇燃料电池/重整燃料电池3.电动汽车的性能特点电动汽车驱动装置与内燃机驱动装置有着截然不同的变化，因此其动力驱动特性、结构布局及其组成方面也将有相应变化：提高能源的综合利用和效率可用能源范围广。纯电池汽车通过“蓄电池”将电能转变为汽车的驱动行驶能量，而电能的来源除常规燃煤、水力、核能发电外，还能采用各种新能源。燃料电池则采取氢、甲醇等非化石燃料作为能源，既解决了汽车的替代能源问题，也改善了能源结构，缓解石油资源的枯竭带来的担心。能源利用率高。内燃机汽车使用汽油、煤油作为燃料，在提炼、运输、分配环节中要消耗30%左右的原油能量，内燃机有效效率为30%，机械效率75%，因此其输出动力轴仅能获取22.5%的可利用能量。实际使用过程中，受外部环境影响（城市工况下的堵车情况）等燃油的燃烧不完全，可利用能量更低，有效利用率只能达到15%左右。电动汽车采取电能作为媒介，其电能的损耗主要体现在发电厂发电、输配电、电机设备等环节，最终可获取20%左右有效能量。若能采用新能源（太阳能、风能、原子能）等发电，则效率会直线上升。对于采用化学能转变为电能的燃料电池，其电池能量利用率可高达50%。可实现能量回收。内燃机汽车在下坡时为减速，必须消耗能量抵抗重力加速度副作用。电动汽车则可以利用回馈制动方式将电能反向回馈至蓄电池，实现能量有效回收利用，从而增加电动汽车续航里程，提高经济性能。有数据表明，较好的能量回收系统可以使汽车续航里程增加10%-20%。良好的环境保护效果排污量小。纯电池汽车无废气排放，基本达到零排放要求。混合动力汽车发动机配合蓄电池使用，废气排放量减少，实现少排放目标。燃料电池电动汽车虽然排放废气（主要是二氧化碳，少量氮、硫氧化物），但是相对内燃机汽车，其排放量仅为后者的40%，对大气造成危害较轻。严格而言，蓄电池中的电能在生产过程中也会产生大量的污染，但是若集中生产处理，可以使污染控制在有效程度内。对于蓄电池本身，也存在有毒金属，对于蓄电池回收也应妥善处理。噪音低。电动机所产生噪音远比发动机小。发动机运行过程中冷却风扇运行亦会产生噪音。燃料电池通过电化学原理工作，运动部件少，产生噪音较低。对于压力供气的燃料电池而言，由于空压机的运转会带来相当的噪音，应添加隔音装置措施减小噪音。可以看出，纯电动车噪音最低。排放废热少。内燃机汽车运行时汽车尾气温度明显高于环境温度，废气携带的热量导致环境温度升高，带来目前城市较为明显的“热岛效应”。燃料电池和混合动力电池热效率较高，单位里程排热少。纯电动汽车基本不存在废热气体的排放，大量普及使用会明显缓解城市环境温度。提高汽车性能与结构布局利用电动机的快速响应性提高汽车性能。电动汽车的驱动机构是电动机，电动机实现转矩快速响应性指标一般比发动机高出2个数量级，通过微电子控制方式可以极大提高对汽车车轮控制的动态响应性，从而较容易实现一些高性能的控制功能，改善汽车的操控性与行驶安全性。结构与整体布局的差别大。传统内燃机汽车能高效产生转矩时转速被控制在较狭窄的范围内，必须添加庞大的变速机构来适应该特性。电动汽车电动机可以在较大的转速范围内产生转矩，这样可以简化甚至省略掉庞大的变速机构，从而带来汽车机械结构的重大变革，减轻汽车自重，缩小传动及附加损耗，降低成本，节能减噪。能量不富裕特点突出。纯电动汽车完全依赖蓄电池工作，而蓄电池能量比受目前材料影响受限，如何有效利用车载可用能量极为关键。汽车重量作为消耗能量的重要参数，包含了自重及负载。为增强续航里程，就需要在以下方面做重点研究：简化机械传动机构、采用新型轻质高强度材料、提高蓄电池能量密度等等实现。另外，需要从空气动力学入手减轻行驶过程中的各种阻力，也能减少能量消耗。正是能量少的特点，目前绝大多数纯电动车都制作成微型车样式。制造成本与售后服务制造成本与使用寿命。目前电动汽车制造价格总体较高。对于纯电动汽车而言，主要成本在于蓄电池和电动机驱动部分。业界内看好的蓄电池主要包括磷酸锂铁电池、锂离子电池、锂聚合物电池、镍氢电池等，价格都难以承受。随着制造工艺的成熟和批量生产，价格问题可以得到大幅度改善。能源补充添加特点。类似内燃机汽车需要加油站补充能源，纯电动车需要配备电能补充配套设施。维护与维修特点。电动汽车除了机械部件的正常维护外，还需要定时对蓄电池进行维护，以延长其使用寿命。电动汽车性能指标最高车速限制。电动车采用电动机驱动，理论上其车速可以超越传统汽车。但是受蓄电池影响，其正常速度远远低于传统汽车。正由于蓄电池能量受限，电动汽车非常适合城市中短距离行驶，所带来的正面效应是极为可观的。对于其最高车速，应在电动汽车相关技术进一步发展的前提下提出。加速性能。传统汽车受惯性影响较大，其加速性能表现欠佳。电动汽车若采用直接驱动方式，则可以较大缩短加速时间。亦可利用电动机短时过载能力提高其加速性能。爬坡能力。爬坡能力指汽车在良好的路面上，以最大驱动力行驶所能爬行的最大坡度。坡度采用坡高与水平距离比表示，电动汽车一般要求其最大爬坡度20%。能量利用效率。不完全统计，电动汽车能量利用效率比传统内燃机汽车高30%40%。续驶里程。纯电动汽车重要参数，表明电动汽车一次充电情况下所能行驶的最大距离，与电池容量有关。车载电源系统里程寿命。纯电动汽车参数，反应所配备的蓄电池的使用寿命。即蓄电池报废前所能行驶最大里程数。1.3 汽车业面临的新挑战和技术发展方向 汽车业发展到现阶段已经有100多年的历史，在这100多年的历史长河中，汽车技术的发展日新月异，汽车的结构不断改进，性能不断提升，汽车保有量日渐壮大。汽车工业成为资金与技术密集、规模效应明显、产业关联度大的支柱性龙头产业。汽车工业的发展带动了上下游多种产业结构，对其它众多产业有明显的拉动作用，对国家的就业情况、扩大内需、促进经济发展影响显著。在给人类带来福祉的同时，汽车也带来许多不幸与灾难。交通事故频发、能源危机紧迫、环境污染严重、道路拥堵均与汽车有关联。交通事故频发。有关数据显示，近年来全世界每年接近50万人死于交通事故。从全世界发生的第一起交通死亡案例至今，已累计超过3200万人死于交通事故。交通事故已名副其实成为“交通战争”。虽然我国在交通安全方面制定了多项规章制度，但是仍然不能有效遏制交通事故的发生 。可以看出，交通事故对于人类的危害高于各类自然灾害。虽然交通事故由人、车、路、环境等诸多因素互为影响引起的，但是改善汽车性能和交通管理是能够有效降低交通事故发生的关键因素。能源危机紧迫。石油作为全球性战略物资，其能源是有限的化石型燃料。随着开采度的日渐扩大，能源紧缺逐渐摆上桌面，人类面临着日益严重的能源问题。目前我国成为第二大石油进口国，根据现阶段汽车工业发展趋势，我国石油进口依存度将继续增大。汽车给我国能源安全带来极大压力，能源问题已成为国民经济发展的战略问题，成为我国能源安全传略的核心内容。面临如此严峻的能源形势，我国汽车业必须加大对新能源汽车的研发力度，早日实现汽车业的升级换代产品。环境污染严重。汽车对环境污染包括大气污染、噪音污染和振动等。汽车尾气排放主要成分为一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氮氧化物NOX以及颗粒物PM等。据国家环保局统计，我国机动车尾气排放在城市大气污染中的分担率已高达80%。汽车废气引起温室气体加剧、臭氧层破坏、形成酸雨等环境问题，且造成局部空气污染，进而危及人类自身安全。随着人类生活水平的提高，对生存环境的要求也越来越高，降低汽车尾气排放的呼声日益高涨。电动汽车在尾气排放上有着明显的效应，成为当今汽车行业研究的重点。道路拥堵。随着我国人民生活水平的提高，汽车作为广大的消费品，日益成为生活中必不可缺的交通工具。我国汽车保有量近年来以年均13.5%的速率飞速增长，截至2011年8月底，全国机动车保有量达到2.19亿辆。其中，汽车保有量首次突破1亿辆大关，占机动车总量的45.88%。在未来相当长的时间里，我国汽车市场仍旧保持快速增长势头。汽车高速发展造成了严重的道路堵塞现象，不仅使汽车原本具有的快捷、舒适、高效无法实现，同时无形中增加了油耗和污染，带来许多负面效应，严重影响城市经济发展。可以看出，传统的汽车行业发展已经遇到了前所未有的阻碍。在当今社会的“可持续发展”要求下对汽车制造业及交通管理部门提出了严厉而高标准的新挑战。而电动汽车研发过程中的种种迹象表明，电动汽车技术的发展将带来一片开阔的天地，电动汽车的性能优化有望承担重任，为解决能源危机和环境污染带来可观的效益，这一结论已经引起各国政府和汽车业界的高度重视。第二章 电动汽车构造与原理2.1 纯蓄电池电动汽车（技术基础） 2.1.1 BEV的分类和特点 BEV的分类主要按照所选用的动力储能装置、驱动电动机的不同、驱动结构的布局或用途的不同进行分类。按储能装置分类：铅酸蓄电池、锂电池、镍氢蓄电池、钠硫蓄电池；按驱动电动机分类：直流电动机、交流电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机；按驱动结构布局分类：传统驱动模式、电动机驱动桥组合驱动方式、电动机驱动桥整体式驱动方式、轮毂电机分散驱动方式。2.1.2 BEV的驱动结构采用蓄电池作为驱动能源的汽车，受到蓄电池容量的限制，必须设计较为合理的驱动结构及布局，才能最大限度的发挥电动机驱动优势。电动机驱动和发动机驱动相比具有2大技术势：发动机能高效产生转矩时的转速被限定在较窄范围内，必须增添庞大繁琐的变速机构适应该特性。电动机可以在比较宽广的速度范围内产生转矩，目前成熟的电机控制理论已能实现直接转矩控制，其调速性能满足汽车行驶要求；电动机转矩快速响应指标比发动机高出2个数量级别。主要原因在于电动机属于电气执行元件，发动机则属于机械执行元件，而电气执行响应速度通常较之机械响应速度快几个数量级。基于此，采取先进的电气控制技术取代笨重、庞大且响应滞后的部分机械、液压装置成为技术进步发展的必然趋势。不仅能够使各项指标性能提高，而且简化了汽车结构，实现了制造成本的降低。2.1.3 BEV的结构原理 纯电动汽车结构主要由电力驱动控制系统、汽车底盘、车身、各种辅助装置构成。电力驱动控制系统决定了整个电动汽车的结构组成及其性能特征，属于电动汽车的核心，相当于传统汽车发动机与其它功能以机电一体化方式的组合体，这正是电动汽车区别与传统内燃机汽车的最大不同点。1）电力驱动控制系统 电力驱动控制系统按工作原理主要划分为车载电源模块、电力驱动主模块与辅助模块。车载电源模块车载电源模块由蓄电池电源、能量管理系统与充电控制器三部分构成。蓄电池电源。蓄电池作为纯电动汽车的唯一能源，除了供给汽车驱动行驶所需电能外，还必须供应汽车上各种辅助装置的工作电源。蓄电池通过串并联方式组合成满足电动汽车驱动所需等级的电压（48V-144V）；但是其辅助装置电压一般采用低压电源（12V或24V），因此需要添加必要的DC/DC变换器构成多种电压等级。图2-5 电力驱动控制系统组成与工作原理图再者，由于制造工艺的因素，即使同一批次的蓄电池其电解液浓度和性能也存在个性差异，在进行组装前，必须对每块蓄电池进行检测并记录，尽量实现性能接近的蓄电池同组组装，有利于动力电池组性能的稳定以及使用寿命的延长。能源管理系统。能源管理系统的主要功能是在汽车行驶过程中进行合理的能源分配，协调各功能部分工作的能量管理，使有限的电池能量得到最大限度利用（最优化）。能源管理系统与电力驱动主模块的中央控制单元配合一起控制发电回馈，在汽车减速制动或下坡滑行时进行能量回收，从而有效扩充能源，提高续航能力。为了提高蓄电池性能的稳定性与延长使用寿命，需要实时监控电源的使用情况，对蓄电池的状态参数（蓄电池温度、电解液浓度、蓄电池内阻、电池端电压、当前电池剩余容量、放电时间、放电电流、放电深度等）进行检测，根据要求对蓄电池环境温度进行温度控制、通过限流控制避免蓄电池过充、过放，对状态参数进行显示与报警，实时显示在驾驶室显示操纵台上，便于驾驶员随时掌握并配合操作，根据需要及时对蓄电池进行充电并维护保养。充电控制器。充电控制器主要功能是把电网供电制式转换成蓄电池要求的制式（AC/DC与充电电流控制）。电力驱动主模块电力驱动主模块由中央控制单元、驱动控制器、电动机、机械传动装置等构成。为了适应驾驶室传统操纵习惯，电动汽车保留了加速踏板、制动踏板及其它操纵手柄或按钮。其实现形式是采用电信号输入到中央控制单元对汽车的行驶实时控制。中央控制单元。中央控制单元不仅是电力驱动主模块控制中心，也对整辆电动汽车的控制起协调作用。1.根据外部信号，向驱动控制器发相应信号驱动电动机进行起动、加速、减速、制动控制等；2.电动车减速或下坡滑行时，配合车载电源模块的能量管理系统进行发电回馈，向蓄电池充电；3.配合辅助模块将电动汽车实时参数送至驾驶室操纵台，方便驾驶员了解汽车状态；4.汽车弯道行驶时，配合辅助模块的动力转向单元，对轮毂电机进行电子式差速转向控制。驱动控制器。按照中央控制单元的指令和电动机的速度、电流反馈信号，对电动机速度、驱动转矩和旋转方向进行控制。驱动控制器与电动机必须配套使用。1.直流电动机：通过DC/DC变换器进行调压调速控制；2.交流电动机：通过DC/AC变换器进行调频调压矢量控制；3.磁阻电动机：通过控制脉冲频率进行调速控制。电机。电机在电动汽车中具有电动和发电双重功能，即正常行驶过程中用作电动机，将电能转换成机械能；在减速和滑行过程中用于发电机，将机械能转换成电能。根据汽车起步与运行中的要求，得出“起动低速恒转速输出，高速恒功率输出”。电机与驱动控制器构成的驱动控制系统是电动汽车中最为关键的部件，直接影响电动汽车的各项功能指标。机械传动装置。将电动机的驱动转矩传输给汽车的驱动轴，带动汽车车轮行驶。电动机本身具备较好的调速特性，使得变速机构简化，取消离合器直接起动，并且由于正反转控制方便，取消了倒档齿轮，若采用轮毂电机分散驱动则省去主要传动部件，名副其实的成为“零传动”方式。辅助模块辅助模块包括辅助动力电源、动力转向单元、驾驶室显示操纵台及各种辅助装置等。辅助动力源。辅助动力源供给电动汽车各种辅助装置所需的动力电源，一般选用12V或24V直流低压电源，向电子辅助动力转向、制动力调节控制、照明、车载空调、电动门窗等在内的各种辅助装置提供所需能源。动力转向单元。转向装置是为实现汽车转弯设置，由方向盘、转向器、转向机构和转向轮构成。通过作用在方向盘上的控制力，通过转向器及转向机构使车轮发生一定角度的转向。现代汽车一般采用辅助动力转向装置，目前较为理想的是电子控制动力转向系EPS，电动汽车适合选用电控电动转向系（内燃机汽车大多数采用电控液力转向系）。为了提高汽车转向时的操纵稳定性和机动性，最为理想的方法是采用四轮转向系统。驾驶室显示操纵台。相当于传统驾驶室仪表盘，根据电动汽车驱动的控制特点在功能上有所添补。其它辅助装置。电动汽车辅助装置主要由空调、照明、各种声光信号装置、车载音响装置、刮水器、电动门窗、电动座椅调节器、车身安全防护装置等。其主要目的是为了提升汽车操纵性、舒适性、安全性而设置的。其中车载空调作为电动车中除驱动部分外的主要负载，尽量从节能角度考虑，以适应电动汽车能源不富裕的特点。2）汽车底盘 汽车底盘作为整个汽车的基体，不仅起着支撑蓄电池、电动机、驱动控制器、汽车车身、空调在内的各种辅助装置作用，而且将电动机动力进行传递和分配，按照驾驶员需求行驶。传统的汽车底盘包括传动系、行驶系、转向系、制动系四大系统。电动汽车底盘根据实际的不同类型有很大的变动，总体而言朝着轻便、简化的方向发展。3）车身与纯电动汽车总体布局特点 针对纯电动车能源不富裕的特点，电动汽车车身外形应尽量符合空气流体动力学，减少行驶过程中的空气阻力，并选取高强度轻型材料来减轻自重。车内布局则尽量减少刚性机械部件连接的动能传动，选取柔性电缆，使得电动汽车车内布局有较大灵活度。蓄电池作为电动汽车上必不可少的动力源，其自身也有一定重量，在设计放置中可选用分散布置，作为配重布局。总体而言，对于电动汽车各个部件的总体布局依据为：符合车辆动力学对汽车重心的要求，并尽可能降低汽车质心高度。4）电动汽车能源的复合利用 电动汽车能量不富裕的最大弊端，严重影响电动车的整体性能。若电动汽车能源与其它能源有机结合复合利用，可以改善电动汽车加速性能，提高续航里程，成为电动汽车实用化的有效途径之一。太阳能、风能等自然能如果与蓄电池配合使用则既发挥了蓄电池可逆储能装置的优势，又有效解决能源不充足的缺陷。2.2 混合动力电动汽车 （中间过渡模式）2.2.1 HEV定义及优点参考国际能源组织(IEA)相关文献：能量与功率传送路线具有如下特点的车辆称之为HEV：传动到车轮推进车辆运动的能量，至少来自两种不同的能量转换装置（内燃机、燃气涡轮、电动机、液压马达等）；转换装置至少由两种不同的能量储存装置（燃油箱、蓄电池、超级电容、高压储氢罐等）吸取能量；从储能装置流向车轮的通道（能量通道），可逆通道与不可逆通道并存；可逆通道储能装置供应的是电能。在内燃机汽车的基础上，增加一套蓄电池+电机的可逆储能装置系统，可以使发动机许多损耗能量被回收或综合利用：通过综合利用，可以大为减少或消除发动机怠速状态；车辆减速制动时进行能量再生回馈；汽车下坡行驶中能量发电回馈；两套能量转换装置的利用，可以减轻发动机设计功率，利用电动机短时过载能力进行汽车瞬时加速性能。混合动力汽车设计时必须考虑其纯电动运行模式，这样可以用来改善在城市工况中的尾气排放问题（城市工况下开启纯电动模式），这样混合动力电动汽车的尾气排放在一定程度上较之内燃机汽车具有很大的改善，特别是怠速时的尾气排放问题，降低了城市环境污染。2.2.2 HEV分类及结构特点按动力系统结构分类：串联形式、并联形式、混联形式；按混合度分类：微混合（5%）、轻度混合（5%15%）、中度混合（15%40%）、重度混合（40%）；1）串联式混合动力电动汽车（SHEV）主要特征是驱动力只来源于电动机。三大动力总成：发动机、发电机、驱动电机采取串联方式组成，发动机不直接参与SHEV的驱动，它与电动机合成只作为电能供应系统。单向驱动电动机形式特点是驱动电动机只由蓄电池供给电能，发动机带动发电机向蓄电池供电。动力系统的蓄电池作为主要动力源，要求蓄电池容量较大。供电模式有2种：正常运行时动力电池供电；滑行、下坡、减速制动通过电机发电回馈向蓄电池充电。图2-6 蓄电池单向驱动电动机结构原理图发电机或蓄电池双向驱动电动机形式，其发动机发电机组功率要求较大，作为主要的动力系统；蓄电池动力容量较大，补充峰值功率。供电模式有3种：单独动力电池组供电（低速、平坦道路）、发动机发电机组供电（起动、高速）、动力电池组与发动机发电机组同时供电（起动、爬坡、高速。优点：发动机可以固定在工况点工作，因此可以使发动机在有害排放物最低与效率最高的工作点工作。排气成分稳定也便于处理装置处理，保持高净化率；缺点：总效率低，发动机产生的机械能通过发电机转换成电能，电能再由电动机转换成机械能，转换过程会带来较大的机械损耗；输出功率较低，若需要高速运行则需要设计最大功率电动机，使电动汽车自重增大。串联式混动汽车主要适应于城区低速行驶工况，才会体现出串联式混动汽车的最大特点。2）并联式混合动力电动汽车（PHEV）主要特征是车辆的驱动力可由电动机或发电机单独供给。2大动力总成：发动机、电动/发电机并联方式组成，在较低负荷时单独使用发动机或电动机作为动力源，大功率负荷时同时起动电动机和发动机作为汽车动力源。电磁离合器动力组成式电动汽车工作过程：发动机起动时，通过控制离合器切换，电动机作为发动机起动器带动发动机快速起动。起动后发动机带动发电机转动，把发动机部分动能转换成电能储存到动力蓄电池组中，同时离合器接入变速器，通过驱动桥带动汽车低速行驶；当车辆加速或爬坡时，离合器脱开电动/发电机，同时动力蓄电池组也向驱动桥提供动能，形成电动机和发电机并行驱动模式。在车辆滑行、下坡、减速制动时又通过电动/发电机发电回馈储能。图2-7 动力组合器动力组合式并联混动汽车结构原理图3）混联式混合动力电动汽车（CHEV）混联式混动汽车综合了串联式电动汽车与并联式电动汽车的结构特点，既能工作在串联混合式模式（增加了机械动力传递路线），也可以工作在并联混合式模式（增加了电力驱动传递路线）。同时兼顾了串联式与并联式的优点，结构上保证了各种复杂工况下的最优工作模式，以实现热效率最高、排污量最低为己任。通常汽车在低速轻负荷运行时，驱动系统主要以串联模式工作；当汽车处于高速行驶时，以并联模式工作。图2-9 混联式混合动力电动汽车结构原理图优点：动力总成（发动机、发电/电动机、驱动电动机）设计时功率要求各自仅需车辆总驱动功率的50%，功率、重量及体积小使得车身自重小，性能完善，经济型高；实现“超低污染排放”甚至“零排放”指标；缺点：多能源系统结构复杂，增加了各部分的总体布置难度，控制系统复杂性高，带来设计、调试、故障诊断和维修等一系列难度。4）HEV的能量管理与控制策略混合动力电动汽车能量管理指：车辆在不同工况下行驶过程中，控制各组成部件（发动机、发电机、蓄电池、电动机、传动装置）之间的能量流大小及其方向。主要目的：最佳燃油经济性及排放指标，通过发动机工作点及工作区域优化设计，复杂工况下减少发动机工作转速波动和停止次数来实现；根据行驶工况对能量需求，合理分配发动机与蓄电池的能量流；确保蓄电池合适的荷电状态（SOC）及蓄电池电压安全范围内使用，保证蓄电池使用寿命。能量管理的手段即为控制策略，属于混合动力电动汽车的控制核心。根据驾驶员实际需求与行驶工况，协调各部件间的能量流合理分配动力，优化车载能源，提高整车经济型，降低排放量，在不牺牲整车整体性能情况下实现两者的折中优化。（1）串联式HEV控制策略1.开关型控制； 2.功率跟随型控制； 3.动态规划法能量优化控制；4.路线适应型控制； 5.负荷预测型控制。（2）并联式HEV控制策略1.基于规则的逻辑门限控制； 2.瞬时优化控制；3.智能控制； 4.全局最优控制。（3）混联式HEV控制策略1.发动机恒定工作点模式； 2.发动机最优工作曲线模式；3.瞬时优化模式； 4.全局优化模式。2.3 燃料电池电动汽车（理想目标） 燃料电池电动汽车主要指以燃料电池系统作为动力源或主动力源的车辆。燃料电池用于汽车动力源，可以为能源问题和环境污染问题提供有效的方案。燃料电池电动汽车与其它动力汽车的主要区别在于动力源采用燃料电池供给，而其它结构并无大的变化。针对燃料电池电动汽车在车辆中的应用，主要了解燃料电池电动汽车结构、燃料电池系统、供氢系统、氢源及使用安全等相关内容。2.3.1 FCEV基本结构与原理图2-10 混合驱动型燃料电池汽车动力系统结构原理图2.3.2 FCEV燃料电池系统单独的燃料电池堆不能发电并应用到汽车中，必须结合燃料供给和循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统及协调各系统有序工作的控制系统，共同构成燃料电池发电系统，简称燃料电池系统（FCS），才能对外输出功率。燃料电池功率密度随反应物-氢和氧的压力升高而增大。普遍采用增压模式提高燃料电池系统功率密度。但是空气在加湿过程中会掺入大量水蒸气，减小了氧气的比例，会降低该类燃料电池的净输出功率与系统效率。目前提出了2种改进方案：普通空气做氧化剂，通过对膜加湿、加大空气量供给及先进冷却方法等一系列措施，简化结构，提高效率，克服加压燃料电池的不足；变压系统：根据负荷调节系统中氧气和氢气压力，虽然会带来性能的提升，但结构复杂。电池内部的水/热管理是燃料电池的难点与重点，关乎燃料电池性能好坏。水作为质子膜燃料电池的一部分，一方面起到冷却电堆作用，一方面起到增湿效果。该系统中，必须防止电堆热量积累，增添水/空气热交换器把多余能量带走。整个工作过程中，控制系统根据负载对燃料电池功率需求，对反应气体流量、压力、水/热循环系统等因素进行综合控制，保证燃料电池安全可靠运行。燃料电池系统主要研究热点:使用轻质材料，优化设计，提高燃料电池系统的比功率；提高质子交换膜燃料电池快速冷却起动能力和动态反应性能；研究具有负荷跟随能力的燃料处理器等。燃料电池作为静态能量转换装置，内部基本不采用运动部件，具有效率高、无污染、过载能力强、噪音小、振动小的特点。燃料电池堆理论能量效率已接近83%，实际效率已达50%60%，远远高出其它类型电动汽车的极限效率。2.3.3燃料电池汽车特点与期望 1.优点：1）热效率高。用碳氢化合物燃料经过重整器重整，由燃料电池将化学能转换成电能，再通过电动机及驱动系统驱动汽车，综合效率可达到34%；传统内燃机综合效率仅有11%。热效率高是燃料电池的突出优点，意味着燃料电池汽车比内燃机汽车更加节能。2）污染低。燃料电池汽车产生的气体仅有少量有害气体排放，接近“零污染”。3）宽广范围内保持高效且过载能力强。燃料电池组额定功率下运行效率达60%，部分功率下运行时效率达70%。功率范围宽广，效率受功率变化影响小，短时过载能力翻一番，动力性能和加速性能好。4）配置灵活机动性大。燃料电池单体电池产生电压约1V。通过不同的匹配可以组合成不同系列功率燃料电池组。5）现有设施可利用性大。燃料电池以提供燃料作为续航里程的标志，与现有内燃机机理相同，仅燃料装载方法稍许不同，可以充分利用现有的设备和服务体系。2.缺点与不足：1）辅助设备复杂。不同的燃料原材料，在制备过程中都会存在各种其它气体，必须对这类气体进行分离处理才能确保燃料纯度，无形中增加了结构与工艺复杂性；2）辅助设备种且体积大。目前燃料电池汽车的燃料主要采用氢气，氢气的制取、储存、分配、灌装等环节还未实现规模化。灌装体积大，占用空间大。燃料电池系统中还要通过多个环节才能制取氢气。这些环节中使用的设备体积和重量较大，无形中增加了制作难度；3）起动时间长并需要提高系统耐振动能力。一般要产生汽车运行的氢气需要至少10分钟的前期准备，影响汽车机动性。汽车上包括燃料电池本身在内的各种辅助设备，受到振动或冲击时，管道连接的密封可靠性较差，需要进一步提高。密封的高要求造成了燃料电池制造工艺的复杂性，并带来使用与维护上的困难。3.发展与展望燃料电池是目前所开发的电池中最具有发展前途的“高性能电池”。最初应用于航天飞机与人造卫星的电源系统中，后来逐步运用到潜水艇与发电厂等方面，其优越性能明显，带动了燃料电池电动汽车的新发展。随着氢气制造技术的不断成熟，氢气将成为本世纪最优良的燃料。与其相关的燃料电池辅助系统的小型化与轻量化，燃料电池在电动汽车的实用化更接近现实，燃料电池电动汽车商品化的步伐将越来越明朗。第三章 电动汽车动力储能装置3.1 车用动力电池概述电动汽车动力储能装置定义：电动汽车中安装能够储存能量的装置。电动汽车的发展关键技术是提高动力电池性能，既是当前普及应用电动汽车的瓶颈，也是电动汽车能否与传统内燃机汽车竞争的重要因素之一。3.1.1 电池的种类（车用动力电池）生物电池：利用生物分解反应过程中表现出来的带电现象所进行的能量交换。物理电池：物理原理制成的电池，在一定条件下直接实现能量交换。化学电池：化学反应产生的能量直接转换成电能。3.1.2 化学电池的基本组成化学电池一般由电极（正极和负极）、电解质、隔膜与外壳构成。1）电极：电池的核心部分。活性物质：能够通过化学反应释放电能的物质。要求：在电解液中的化学稳定性好和电子导电性好。权重：决定化学电池基本特性的重要部分。 导电骨架：传导电子和支撑活性物质的作用。2）电解质：电池内部阴、阳极之间担负传递电荷的作用。包括液体电解质与固体电解质。要求：化学性质稳定，使得贮存期间电解质与活性物质界面间的电化学反应速率小（自放电容量损失小）。3）隔膜：为避免内部阴、阳极之间距离很近而产生内部短路造成严重的自放电现象而添加的绝缘隔膜。形状一般为薄膜、板材或胶状物。要求：化学性能稳定，具备一定机械强度、对电解质离子运动阻力小、电的良好绝缘体。4）外壳：盛放和保护电池其它成分的容器。要求：足够的机械强度、耐振动、耐冲击、耐腐蚀、化学性能稳定。3.1.3 电池的基本常识和术语电池的组合：蓄电池作为动力源，一般要求具有较高的电压和电流，需要将若干单体电池通过串联、并联、复联方式组合成电池组使用。电池的放电：蓄电池向外部负载输送电流。放电参数：放电深度（DOD）：电池当前的放电状态，用实际放电容量与额定容量的百分比表示。放电率：放电的速率，时率或倍率表示。时率：一定的放电电流（恒流）放完额定容量所需要的小时数；倍率：规定时间内放出其额定容量时所输出的电流的数值与额定值的倍数。放电时间：蓄电池满容量开