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973计划课题范文 973计划课题xx年度总结报告项目名称高性能分布式驱动电动汽车关键基础问题研究课题名称分布式驱动电动汽车电源与电驱动系统能耗规律与能量管理课题编号xxCB711202课题负责人孙泽昌课题依托单位同济大学二零一一年十二月十五日 一、年度计划执行情况主要开展了单体电池的能量效率特性研究、单体电池状态估计及建模研究、基于能耗分析的分布式电驱动汽车动力需求研究、轮边驱动系统的半理论模型研究、机电一体化轮边电驱动系统结构分析及试验研究平台建设；在这些研究中，制定了电池单体能量效率测试方法、揭示了电池单体在不同温度下和不同SOC下的能量效率测试及规律、建立了分布式驱动电动汽车的单体电池动态特性及模型、揭示了分布式电驱动系统的动力需求与能效特点、基于失效安全电机电磁理论对电机进行了初步设计与分析并初步建设了实验测试平台。 课题实施到目前为止，按计划正常进行，已经取得部分进展，符合课题任务书中写明的进度要求。 1、年度计划完成情况到目前为止，本课题开展了如下的研究。 （1）单体电池的能量效率特性研究本部分的工作重点研究了在分布式驱动电动汽车的使用环境下，单体电池在全生命周期和全工作范围内的能量效率变化特性。 具体工作可以细分为以下内容电池的基本电化学反应机理研究；电池能量效率的定义方法研究；确定影响电池能量效率的主要因素；电池的能量效率实验设计与实时及实验数据分析；总结分析单体电池的能量效率特性。 （2）单体电池状态估计及建模研究本部分工作的重点内容包括一下部分研究并确定能够准确表征电源系统能量和功率特性的状态变量；动力电池电极相变与应变耦合规律研究，并揭示围观动力学与外特性之间的关系；动力电池的反应机理分析与建模；电池动态特性的影响因素及性能衰减的规律；研究单体电池状态估计模型及方法。 （3）基于能耗分析的分布式电驱动汽车动力需求研究主要工作内容包括根据973项目电驱动系统相关研究内容，在假定车辆参数的基础上，对一种前轮毂、后轮边驱动系统方案进行动力性能仿真分析；根据前后轮驱动不同的能效分布特点图，以效率优化为目的，对控制方式进行仿真研究；以提电机驱动系统高综合能效为目的，初步探索分布式驱动系统控制方法的可行性；对四种不同拓扑结构电动汽车在一定循环工况下的行驶能耗进行仿真分析。 （4）轮边驱动系统的半理论模型研究主要工作内容包括考虑电机及控制器效率、电时间常数建立电机驱动系统的模型；考虑电机驱动系统工作特性以及传动机构等关键环节效率，初步建立了分布式电驱动系统半理论模型。 （5）机电一体化轮边电驱动系统结构分析主要包括开展了一体化轮边驱传动系统的开发研究；在电机电磁理论分析基础上，建立永磁同步电机驱动系统模型，包含控制器模型及电机有限元模型，针对不同电机控制策略下的电机驱动系统损耗进行仿真分析；在根据前期研究分析的基础上，根据需求开展了对传动机构能耗特点分析；开展了电磁-结构耦合场有限元分析、电机的振动模态有限元仿真、车用永磁电机耦合场热分析及温升规律研究等方面工作。 （6）试验研究平台建设主要内容包括为研究分布式电驱动系统能耗规律，以及与集中式驱动系统相比对，对实验平台功能需求分析并提出初步建设方案；针对原电动轮多功能试验台架的一些不足进行改进，一方面改变电动轮的布置方式，以达到进一步降低台架的整体结构优化的目的；另一方面改变能量回馈方式，以达到节能的目的；完善了轮边电驱动系统综合性能测试台架的加载方案、测控方案设计，进行了部分零部件的设计计算、选型。 2、研究工作的主要进展本课题执行过程中主要取得了以下进展。 （1）制定了电池单体能量效率的定义及测试方法电池在充放电过程中伴随着能量损失，这些能量损失，是由于电池在充放电时候发生活性物质再生反应之外的副反应以及电池本身欧姆内阻引起的欧姆损失，以及由于极化作用引起的能量损失等因素造成的。 能量效率是用来表征这个能量损失多少的量。 本课题中，将电池的理论能量作为电池充电和放电能量标尺，而将充入和放出的能量与电池的理论能量的比值作为电池的充电和放电能量效率的定义。 针对电池能量效率的几大影响因子温度，电流，循环寿命以及电池SOC，所设计的电池能量效率特性测试方案如下。 1满充满放试验电流0.5C1C温度2C3C-10A BC D0A BC D10A BC D25A BC D40A BC D50A BC D注步骤A为1.将预先充了电的电池保温至预设温度后0.5C放至2.0V（2.5V）；2.搁置一小时；3.恒流0.5C至3.6V（4.2V）；4.恒压充电3.6V(4.2V)至电流小于0.1A截止；5.搁置1小时；6.恒流0.5C放电至截止电压2.0V（2.5V）。 步骤B为第1步，第3步和第6步电流改为1C，顺序和其他同步骤A。 步骤C为第1步，第3步和第6步电流改为2C，顺序和其他同步骤A。 步骤D为第1步，第3步和第6步电流改为3C，顺序和其他同步骤A。 2不同SOC点的脉冲充放电实验a)分别在-10，0，10，25，40，50条件下做如下实验，步骤为b)测量电池的实际容量，再用1C电流将电池充满电。 c)按电池实际容量，按1C放电率将电池放电6分钟，搁置30分钟，做1C充电脉冲10s,搁置10min，做1C放电脉冲10S,再搁置10min;做2C充电脉冲5s,搁置10min，做2C放电脉冲5S,再搁置10min;做3C充电脉冲3s,搁置10min，做放电脉冲3s,再搁置10min。 d)重复步骤2十次后停止。 3循环能量效率实验分别在温度设为-10，0，10，25，40，50条件下，做如下实验，步骤为a)将电池分别做1C，2C，3C的满充满放循环。 b)每隔20次循环后做试验2。 （2）电池单体的能量效率测试及规律分别对LiFePO4电池和LiMnO2电池进行了不同温度、不同SOC、不同充放电倍率及不同循环次数下的脉冲电流充放电，并进行能量效率分析，初步得到以下结论。 图1所示为测试数据实例。 图1能量效率测试结果?不论是锰酸锂电池还是硫酸铁锂电池，在其他条件不变的情况下，电池能量效率随着SOC都是逐渐升高的，锰酸锂电池的增势更加明显，而硫酸铁锂电池变化趋势较为平坦。 ?所有实验都表明在50以下，温度对电池能量效率的影响都是温度越高，电池能量效率越高。 ?电池随循环寿命的实验由于耗时太长，只做了锰酸锂电池的，结果表明，电池的能量效率随着电池的循环寿命逐渐降低的。 ?表1的数据表明充放电流在某一范围内对电池能量效率是电流越大能量效率越低，但是当电流达到3C时，这种趋势有一些变化，故需要进一步的验证。 （3）分布式驱动电动汽车的单体电池动态特性及模型分别针对常用的LiFePO4电池和LiMnO2电池单体进行了电池电化学机理及动力学分析研究，并在此基础上，对动力电池分别开展了EIS特性、脉冲充放电特性以及恒流充放电特性研究，并进行相关实验测试。 研究结果表明，EIS中，在高频段，电池内部的阻抗主要呈感性（ZL），这是由于电池内部金属部件及外部连线的寄生电感产生的。 电池欧姆内阻RO位于实轴交点处，这是集流体、活性物质、电解液和隔膜电阻的综合。 在欧姆阻抗之后跟随了两个半圆，这是典型的双电层电容效应以及电荷传输和扩散导致的。 最后，在低频区有常相位没款，这是电荷在活性物质中的扩散产生的。 电池脉冲充放电测试结果表明，电池在电流脉冲加载过程中的电压呈现出顺时变化和缓慢变化两个部分。 瞬时变化部分是由于欧姆内阻RO导致的，而缓慢变化部分则是由于扩散、转移以及双电层电容效应导致的。 因此，实际上脉冲充放电的实验结果与EIS测试结果是相对应的。 电池的开路电压随SOC增加而单调增加，但是在充放电过程中，存在滞后效应。 同时也可以看出，在锂离子电池体系中，该滞后效应并不明显，因此在动态特性建模中，该部分有时可以忽略。 据此初步建立动力电池单体的等效电路模型，如图2所示。 其中RO是欧姆内阻，UOC是电池的开路电压，其与SOC对应，RdlCdl和RdiffCdiff两个回路则用来描述电池的双电层电容效应以及电荷的转移与传输过程。 图2电池单体模型 （4）分布式电驱动系统的动力需求与能效特点在研究中，根据不同分布式驱动系统结构拓扑以及不同电驱动系统的能效分布特点图，以效率优化为目的，对控制方式进行研究。 在研究中电动汽车的转矩控制策略分为两种，一种为平均分配转矩，另一种为综合考虑前后电机在不同转速、转矩下效率的高低进行优化转矩分配。 初步分析该方案的动力特性需求以及可行性。 整车模型采用如下四种拓扑结构集中电机驱动结构；四个轮边电机驱动结构；四个轮毂电机驱动结构；前轮轮毂电机驱动、后轮轮边电机驱动结构。 仿真得到的ECE+EUDC工况内耗能如图3所示。 图3ECE+EUDC下的能耗比较根据分析，依据不同形式电驱动系统能效规律特点，制定相应的能量分配策略，在保证车辆动力需求的基础上，明显提高车辆能量利用率。 （5）基于失效安全电机电磁理论对电机进行了初步设计与分析根据车用永磁同步电机特点，在车辆发生故障状态时，电机输出电压和输出转矩控制在安全范围内。 根据永磁电机特点，通过对电机气隙磁场进行控制，可以达到以上目的。 同时为了保证车用轮边驱动电机的高功率密度和宽高效区要求，设计基于Halbach阵列结构的记忆电机（可控磁通永磁同步电机）形式。 其中转子采用钕铁硼和铝镍钴两种永磁材料，利用铝镍钴低矫顽力特性，通过定子瞬间脉冲电流改变气隙磁密，达到气隙磁场调节作用，实现铝镍钴助磁状态时的电机高效输出和去磁状态时的电安全和扭矩安全。 在初步确定电机电磁结构的基础上利用有限元仿真模型对助磁、去磁状态的电机磁场分布进行分析。 结果如图4所示。 （a）空载助磁状态（b）空载去磁状态图4仿真结果根据电机磁力线分布情况可以看出，在助磁状态时定子磁力线分布密集，去磁状态磁力线稀疏，该结构基本达到了磁场调节目的。 （6）初步建设了实验测试平台为研究分布式电驱动系统能耗规律，以及与集中式驱动系统相比对，台架需可用于测量集中电机功率效率等以及其传动系统中差速器、万向节等零部件的效率，同时也可以用于测量减速式轮边电机、轮毂电机功率、效率以及与之相关的行星齿轮、定轴式齿轮等的传动效率。 根据需求分析，台架基本构造错误！未找到引用源。 5所示，驱动电机动力输出端安装有转矩转速传感器及联轴器，测功电机为负载电机，其动力输入端安装有转矩转速传感器及联轴器。 其中，驱动电机及其动力输出端安装的转矩转速传感器和联轴器可以沿地面法向进行高度调节，测功电机及其动力输入端安装的转矩转速传感器和联轴器置于一块可绕某销转动的转动平板上。 单独测量电机时只需将电机高度调节置测功机同轴位置，并直联于联轴器侧即可测量。 图5测试平台基本设计方案该台架具备了测量多种载荷情况，模拟实际传动系统在不同行驶工况下工作的能力。 二、课题执行过程中存在的问题及其对策。 无。 三、下年度研究工作计划和进度安排。 3.1下一年度工作内容 （1）结合电池加速寿命测试，深入电池能量效率实验，得到分布式电驱动系统电池在不同的使用环境的能量效率变化规律； （2）从理论基础上对荷电状态估计算法进行研究并进行仿真分析，结合实验得到分布式电驱动系统的电池变化规律以及电池动态特性，研究适用于分布式电驱动系统电动车辆的动力电池SOC估算方法； （3）分析电池容量衰减、内阻增加的成因，深入电池性能衰减规律研究，结合加速寿命测试，确定表征分布式电驱动系统电池寿命状态的特征量，提出基于性能衰减规律的电池寿命预测的半经验、半理论模型； （4）分析影响分布式电驱动系统能效和综合性能的因素，分析电源与电驱动系统各部件的动态效率及其在驱/制动状态下的能耗特性； （5）研究基于高效、安全特性的轮边电驱动系统新结构和机电一体化轮边电驱/制动系统； （6）研究旨在提高整个电驱动系统能量利用效率的电动驱/制动系统与摩擦制动协调关系与控制规律。 3.2拟取得研究成果 （1）得到分布式电驱动系统电池单体在不同使用条件下的能量效率特性； （2）提出用于分布式电驱动系统动力电池SOC估计的算法； （3）揭示分布式电驱动系统电池单体容量衰减、内阻增加的成因，并制定动力电池加速寿命测试实验； （4）建立分布式电驱动系统电池寿命预测的半经验、半理论模型； （5）建立轮边电驱动系统能耗特性的半理论模型； （6）完成新型轮边驱动电机电磁耦合过程的理论分析； （7）建立分布式电动汽车动力系统试验研究平台； （8）完成分布式驱动电动汽车电源与分布式驱/制动系统建模，开展系统节能机理的研究，并取得初步研究成果；3.3具体的进度安排如下 （1）xx.01.01xx.04.30a)进行电池脉冲充放电能量效率特性测试；b)能量效率与内阻关系分析；c)电池外部动态特性分析；d)总结电池性能衰减的表征量及影响因素，并制定动力电池单体加速寿命测试实验方案。 （2）xx.01.01xx.05.30a)研究能量效率与影响因素的具体表现规律；b)电池内部嵌锂动力学对外特性的主要影响；c)完善电机的动态特性模型；d)分析传动系统效率特性；e)研究在空载条件下，电机电磁场分布特性；f)考虑电池模型特性，建立电源与分布式驱/制动系统统一模型。 （3）xx.01.01xx.08.31a)研究能量效率与电池温度特性之间的关系；b)完善用于单体电池状态估计的等效电路模型，并应用大量实验进行验证；c)研究电池性能衰减的机理；d)额定工况条件下，电机电磁场分布特性；e)完成分布式电动汽车动力系统试验研究平台关键零部件的选型与设计；f)建立轮边电驱动系统能耗特性的半理论模型；g)考虑电驱动系统系统能耗特性以及电池充放电特性，对回馈制动与机械能制动分配方式展开算法基础。 （4）xx.04.01xx.12.31a)分析与总结电池在不同使用条件下、全生命周期内的能量效率特性；b)研究得到适用于分布式驱动电动汽车的电池单体SOC估计算法；c)进行动力电池单体加速寿命测试，并结合电池加速寿命测试，建立电池性能衰减模型；d)建立分布式电动汽车动力系统试验测试平台；e)完成新型轮边驱动电机电磁耦合过程的理论分析；f)综合考虑电机、传动系统能耗特性，对能量分配策略及控制策略展开研究。 附件研究成果 一、论文（按标准的参考文献格式写）1.白鹏，田光宇，何向明，陈全世.锂离子电池老化失效机理及优化管理方法的理论研究述评.中国汽车工程学会年会,xx,173-1782.谢佳平,魏学哲，孙泽昌.Inductor-based ActiveBalancing ofLi-ion Battery.Applied Mechanicsand Materials.xx,255-260(EI)3.戴海峰，魏学哲，孙泽昌，常学宇.Studies ofHigh VoltageManagement Systemin Electric Vehicles.Applied Mechanicsand Materials.xx,825-831(EI)4.顾伟军，孙泽昌，魏学哲，戴海峰.Two MethodsStudying InternalResistance forLithium-ion BatteryLife EstimationUsed inEV.汽车安全与节能学报.xx (2),145-1495.戴海峰，孙泽昌，魏学哲.Technologies torelief un-uniformity ofpower batteriesused inelectric vehicles.汽车安全与节能学报.xx (2),62-676.王佳元，孙泽昌，魏学哲.Lifespan Uniformityfor theBattery Packin theAutomotive Application.汽车安全与节能学报.xx (3),223-2287.吕丰，孙泽昌，戴海峰.Review OfBatterys ChargingAnd DischargingEfficiency.工程机械与车辆工程新进展国际学术会议论文集.xx8.孟凡东，魏学哲，戴海峰，王佳元.Thermal simulationand testof lithium-on batteryfor electric vehicle.工程机械与车辆工程新进展国际学术会议论文集.xx9.杨书强.Research ofwind coolingtechnology forelectricvehicleli-ion batterypack.工程机械与车辆工程新进展国际学术会议论文集.xx10.王业勤.The Analysisand Simulationof Motors TorqueRipple inElectricVehicle.IEEE TheInternation