纯电动汽车技术及其发展研究.docVIP

电动汽车技术及其发展研究摘要：发展纯电动汽车必须解决好4个方面的关键技术：电池管理技术、电机及控制技术、整车控制技术以及整车轻量化技术。本文将对这四个关键技术进行一一说明，并且介绍技术的发展情况。关键词：纯电动汽车 技术 研究正文：1、电池管理技术及发展蓄电池是纯电动汽车的动力源，纯电动汽车的性能取决于对蓄电池的管理是否有效合理，电池管理系统(Battery Management System, BMS)的设计与研究己经成为制约纯电动汽车发展的关键技术，而如何有效的利用和管理车载电池的能量、延长车载电池的使用寿命则是电池管理系统研究的重要部分。.电池管理系统不仅可以估算电池剩余电量S()L，保证S()C维持在正常的工作范围之内，防止由于系统过允电或过放电对蓄电池造成的损伤口忍，提高电池的使用寿命，而且还能对故障的电池做出早期的预测，防止因个别蓄电池的损坏而未能及时发现造成整体电池组寿命的降低，从而降低纯电动汽车的运行成本，提高纯电动汽车的工作效率。1.1 BMS总体设计方案在使用纯电动汽车的动力电池时，必须保证铅酸电池工作在合理的电压、电流和温度范围内，根据纯电动汽车电池管理的功能要求，BMS主要包括:铅酸电池电压检测模块、电流检测模块、温度检测模块、绝缘电阻检测模块、故障报警模块、CAN通信模块等 , BMS总体设计力一案如图1所示。 图1、电池管理系统整体框架1.2 BMS硬件电路的设计BMS选用了Microchip公司生产的PIC18F4580和PIC12F675两种单片机，其中，PIC18F4580单片机作为本系统的主控芯片，主要实现对铅酸蓄电池组的单体电压、总电压、温度、电流等测量，同时与整车控制器(the Vehicle Management System, VMS)实时通信;PIC12F675单片机作为绝缘电阻检测模块的控制芯片，来实现对铅酸蓄电池正负极对地绝缘电阻大小的检测功能.1.2.1电压检测模块BMS针对8个单体铅酸蓄电池串联的铅酸蓄电池组，每个单体铅酸蓄电池的正常输出电压为12 V,串联电池组总电压为96 V.电压检测模块是检测各单体铅酸蓄电池的端电压和铅酸蓄电池组的总电压.为了实现该口的，BMS采用串联电阻分压的原理，对电池组进行电压的采集和检测.电压检测电路如图2所示.。图2、电压检测电路1.2.2 电流检测模块 为了防止对铅酸蓄电池进行过充电和过放电现象，以及实现对铅酸蓄电池组的S()(估算，BMS必须要检测电池允电和放电过程中电流的大小.在纯电动车正常行驶过程中，铅酸蓄电池组处于放电的状态;允电机工作时，铅酸蓄电池处于允电的状态.因此要检测允电和放电过程的电流大小就需要采用两路A/D转换.BMS选用霍尔传感器DHABS/14进行充放电电流大小的检测，其充放电电流检测电路如图3所示.图3、充放电电流检测电路1.2.3温度检测模块 电池管理系统需要检测铅酸电池组中各个单体电池温度的高低，防止由于单体电池受各种因素的影响而出现温度过高或者过低的现象，影响铅酸电池的使用寿命.温度检测模块采用精密温度/电压传感器TC1047A对温度大小进行检测.TC1047A是线性的电压输出温度传感器，其输出的电压大小和测得的温度大小直接成比例关系，它可以精确测量从一40一+125范围内的温度大小川.TC1047A输出信号经电容C1滤波后输入到单片一机进行A/D转换，温度检测电路如图4所示.。图4、温度检测电路1.2.4绝缘电阻检测模块绝缘电阻检测，主要是检测铅酸电池组的正负极两端对地(车体)的绝缘电阻大小.绝缘电阻检测电路采用独立的ECU(PIC12F675单片一机)来检测绝缘电阻的大小.BMS绝缘电阻检测电路如图5所示.图5、绝缘电阻检测电路1.3 BMS软件设计BMS主要是对铅酸电池电压、电流、温度及绝缘电阻等参数信息的准确采集和信息处理(包括估算SOC)，并通过CAN总线实现与整车控制器的数据交流.BMS主控制器程序流程。 BMS完成了对96 V铅酸电池组电压检测、温度检测、允放电电流检测、绝缘电阻检测、报警提示和CAN通信等模块硬件电路和软件的设计.通过实验室模拟和CA6363纯电动汽车试验台试验，得出了如下的结论: 1)所设计的电池管理系统简单可靠.考虑到现场试验的复杂性，硬件电路进行了抗十扰设计，大大提高系统的可靠性和稳定性，实现了对铅酸蓄电池有效管理.2)系统采用串联电阻分压法对铅酸电池单体电压和总电压进行检测，检测效率高，准确性好，能实现实时采集电池单体电压和总电压的口的.系统采用了高精度的温度传感器和电流传感器，实现了对电池温度和电流信息的准确有效采集和检测.3)通过对电池S()C的估算和对铅酸电池组的实时检测，保证了纯电动汽车的电源能量供给的稳定.在模拟工况试验中，通过CA6363试验台和电池管理系统采集信息的比较，验证了电池管理系统的检测精度很高，误差小，到达了预期的设计要求.2、 电机及控制技术及发展汽车汽车的驱动电机属于特种电机，是电动汽车的关键部件。要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速，足够大的起动转矩，体积小、质量轻、效率高，且有动态制动强和能量回馈的性能。电动汽车所用的电机正在向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。2.1 异步电机及其控制技术异步电机是较早用于电动车驱动的一种电机,究其原因,是由于异步电机结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠,低转矩脉动,低噪声,不用位置传感器,转速极限高。最重要的是由于异步电机调速控制技术成熟,这使它有比较明显的优势。美国通用公司EV21轿车、福特公司RANGEREV、日本Nissan公司FEV等都采用异步电机驱动。2.1.1矢量控制比较成熟并常用异步电机控制的技术为矢量控制。1971年由德国西门子公司的F.Blaschke提出的异步电机矢量控制技术是基于坐标变换的一种技术,将电机的定、转子电压、电流、磁势、磁链瞬时值所产生的效应用空间矢量来表示,以转子磁链矢量为参考坐标,通过三相到两相的坐标变换,实现定子电流转矩分量和励磁分量的解耦。既然这两个分量互不影响,互不耦合,可以进行独立的控制和调节,把这两个分量作为被控参数,异步电机就具有和直流电动机一样优良的转矩、转速调节特性。2.1.2直接转矩控制(DTC） 消除或减少转矩脉动,提高调速范围,加快动态响应,将是今后的工作方向,也是直接转矩控制方法与矢量控制竞争的关键。国内外研究方向,是将现有的直接转矩控制系统和矢量控制系统相结合,取长补短,构成性能更优越的控制系统。2.1.3最大效率控制常规的矢量控制异步电机,在低负荷区内效率低,功率因数低,不匹配电动车驱动装置。提高驱动效率,实现节能,延长一次充电行程,对电动车而言是至关重要的。因此,最大效率控制是一种很有前途值得关注的控制方法。电动车用异步电机最大效率控制技术的内涵是面向整个运行范围,在每一个工作点都使系统效率最大,这与传统控制是不同的。传统控制中控制变量不是效率的函数,致使效率只能在某一运行点或一个极小区域内效率最高。最大效率控制技术还存在一些问题。其一,控制中磁通减弱,转矩响应变慢;其二,控制装置比较复杂,成本太高,实用价值较低8。所有这些问题都有待于解决。2.2永磁无刷直流电动机及其控制技术在所有已有的电动机中,综合性能最好的是直流电动机。但由于机械电刷和换向器的存在,直流电动机有一系列不可克服的缺点,如换向时产生电磁干扰,可靠性差、寿命短、维修困难,噪声大12等,这些缺点使得直流驱动系统无法与现代交流驱动系统进行竞争。而无刷直流电动机恰好克服了直流电动机的缺点,它既有有刷直流电动机的优越的性能,又依靠电子换向,免去了机械式电刷和换向器。因此随着无刷直流电动机的性能不断提高,价格逐渐下降,无刷直流电动机的应用前景将越来越广泛。2.3电动车用电机及其控制技术发展趋势2.3.1电动车用电机目前基本上形成主流，但并不单一,而是呈多样化趋势各电机驱动系统综合指标在伯仲之间,各有侧重。各系统在现有的电动车驱动中都有应用。以异步电机和永磁无刷直流电机居多,同时也有尝试永磁同步电机和开关磁阻电机。值得指出的是,永磁无刷直流电机集电力电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等多门学科于一体,体现多学科的综合应用,发展前景十分广阔,在电动车电机中是强有力的竞争者。各种电机要想在未来的电动车中占有一席之地,除了要对电机结构进行优化外,还可大胆尝试从反传统的观念对电机本体包括绕组进行改进,使之更适合与电动车,如转子分割型混合励磁同步电机9,槽数多于极数的电机,绕组极数可变的电机18、混合电机(如永磁磁阻同步电机,永磁式开关磁阻电机等)等多种形态电机。2.3.2控制系统趋于智能化变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术,都将各自或结合应用于电动车电机控制系统。这些技术或者不要求系统精确建模,或者善于处理非线性问题。它们的应用,将使系统结构简单,响应迅速,抗干扰力强,对参数变化具有鲁棒性,将大大提高整个系统的综合性能。目前这些智能化技术也有用于电动车控制中,但还仅仅用于改善系统的局部性能,也就是局部实现智能化,如模糊控制器19、神经网络观测器6、模糊参数辨识等。然而完全智能化是必然的,也需要很大的努力。2.3.3控制系统的全数字化 微电子学及计算机技术的发展,高速、高集成度、低成本的微机专用芯片以及DSP等的问世及商品化,使全数字的控制系统成为可能。用软件代替硬件,除完成要求的控制功能外,还可以具有保护、故障监视、自诊断等其它功能。另外,为提高控制系统的可靠性和实用性,应使得改变控制策略、修正控制参数和模型也简单易行。全数字化是电动车控制乃至交流传动系统的重要发展方向之一。2.3.4电机技术与电力电子理论和现代控制理论的结合将更加紧密 仅将电机理论、电力电子理论和现代控制理论积木式地组合在一起的研究方法和生产方式将不再适应系统高性能的要求20。电机驱动系统将多门学科的理论和技术有机地熔融与交叉,电力电子理论、现代控制理论、材料科学和制造技术的发展都将对电机驱动系统产生深刻的影响,并提供有力的支持。2.3.5综合优势 整个电机驱动系统将趋向小型化,轻量、简单,低成本,高容量,高效节能,反应迅速,调速性能好,运行稳定可靠,无须维护,对环境影响不大。3、 整车控制技术及发展新型纯电动汽车整车控制系统是两条总线的网状结构，即驱动系统的高速CAN总线和车身系统的低速总线。高速CAN总线每个节点为各子系统的ECU，低速总线按物理位置设置节点，基本原则是基于空间位置的区域自治。实现整车网络化控制，其意义不只是解决汽车电子化中出现的线路复杂和线束增加问题，网络化实现的通信和资源共享能力成为新的电子与计算机技术在汽车应用的一个基础，同时也为X-by-Wire技术提供有力的支撑。 纯电动汽车驱动系统中卞要有电机驱动装置，传动系统，动力电池等。必须有一个性能优越、安全可靠的整车控制策略，从各个环J上合理控制车辆的运行状态、能源分配和协调功能，以充分协调和发挥各部分的优势，使汽车整体获得最佳运行状态。整车控制策略卞要包括: (一)汽车驱动控制。根据司机的驾驶要求、车辆状态、道路及环境状况，经分析和处理，向电机控制器发出相应指令，满足驾驶要求。 (二)制动能量回馈控制。根据制动踏板和加速踏板信息、车辆行驶状态信息、蓄电池状态信息，计算再生制动力矩，向电机控制器发出指令。 (三)整车能量优化管理。通过对车载能源动力系统的管理，提高整车能量利用效率，延民纯电动汽车的续驶里程。 (四)车辆状态显示。对车辆某些信号进行采集和转换，由卞控制器通过综合数字仪表显示出来。 车辆需要在满足驾驶员意图，汽车的动力性、平顺性和其他基本技术性能以及成本控制等要求的前提下选择合适的控制策略。针对各部件的特性及汽车的运行工况，控制策略要实现能量在电机、电池之间的合理而有效分配、使整车系统效率达到最高，获得整车最人的经济性以及平稳的驾驶性能。在设计纯电动汽车的时候，自一先要在保证汽车基本性能的前提下降低汽车的能量消耗，提高车辆的续驶里程。同时还要兼顾电池的寿命，并充分考虑驾驶员的驾驶意图、汽车的平顺性以及安个性。 基于上述原则，制定控制策略的思路为:实时考虑行驶工况，电池SOC值等影响因素，根据规则将转矩合理地分配给电机。同时限定电机的工作区域和SOC值的范围，确保电机和动力电池能够民时间保持高效的状态。若出现问题，系统可根据预先设定的规则对纯电动车辆系统的工作模式进行判断和选择。最终，在整车控制器与电机控制器中形成一个实时控制的闭环系统。这样既能保证驾驶员驾驶意图能够得到充分满足，也能够对车辆状态进行控制，保证安全性和舒适性。4、整车轻量化技术及发展 汽车轻量化是改善燃油经济性、减少污染物和碳排放的重要措施，世界汽车行业为此做出了诸多努力，取得了很多轻量化的技术成果。但是，相比于传统汽车电动汽车对于轻量化的要求更为迫切。因为电动汽车目前能够使用的动力电池的单位比能量与传统汽车使用液体燃料的单位比能量差距巨大(见表1)，动力系统(主要是电池)通常占整车总质量的30%-40%。这就决定了电动汽车在与传统汽车同等排放量的单位能耗(电耗量/100 km)下，不能象传统汽车那样靠一次补充能量来实现长距离的行驶。因此，电动汽车必须在电气化的同时采取比传统意义上的轻量化技术更先进的方法和措施。4.1整车轻量化设计 整车轻量化始终是汽车技术重要的研究内容。纯电动汽车由于布置了电池组,整车重量增加较多,轻量化问题更加突出。(1)通过对整车实际使用工况和使用要求的分析,对电池的电压、容量、驱动电机功率、转速和转矩、整车性能等车辆宏观参数的总体优化,合理选择电池和电机参数。(2)通过结构优化和集成化、模块化优化设计,减轻动力总成、车载能源系统的重量。这里包括对电机、电机驱动器、传动系、冷却系统、空调和制动真空系统的集成和模块化设计,使系统得到优化;电池、电池箱、电池管理系统、车载充电机组成的车载能源系统的合理集成和分散,实现系统优化。(3)积极采用轻质材料,如电池箱的结构框架、箱体封皮、轮毂等采用轻质合金材料。(4)利用CAD技术对车身承载结构件(如前后桥、新增的边梁、横梁等)进行有限元分析研究,用计算和试验相结合的方式,实现结构最优化。4.2 整车轻量化 整车轻量化的重点在车身和底盘。电动汽车整车为车身、底盘、非簧载质量构成（制动系统、轮胎）、空调系统、转向系统、动力传动机构、电池、电机及相应的管理系统等构成。整车轻量化需要各个系统的轻量化并有效集成，重点突破应该是车身和底盘的轻量化。采用以复合材料为车身材料和以轻质金属或碳纤维为车体、底盘材料并辅以相应的结构设计、制造技术为核心的轻量化技术，目前是最现实的选择，见图1。 图一 、电动整车轻量化技术途径总之，电动汽车必须从轻量化做起，轻量化要从车身、底盘、发动机等各个子系统进行轻量化开发并系统集成。采用新型复合材料和新