纯电动车动力系统

电池性能模型研究现状
等效电路模型
电化学模型
神经网络模型
蓄电池监测和管理系统
电池管理系统（Battery Management System，本文简称为BMS）是电池组热管 理技术和SOC估计技术的应用平台。BMS对于电池组的安全、优化使用和整车 能量管理策略的执行都是必需的。所有的现代电动汽车都安装有BMS。电池管理 系统的功能主要包括数据采集、数据显示、状态估计、热管理、数据通讯、安全 管理、能量管理和故障诊断。
• • • • • • • S1：C/6恒流充电直到达到冒气电压（2.4v），切断充电电流，使得端电压稍微下降到2.2v。 S2：75％S1电流充电，直到达到冒气电压，切断充电电流，使得端电压稍微下降到2.2v。 S3：50％S1电流充电，直到达到冒气电压，切断充电电流，使得端电压稍微下降到2.2v。 S4： 25％S1电流充电，直到电池电压在15min内不再上升为止。 S5：进入脉冲均衡充电过程。当S4后电压下降到2.13v时，开始这一过程，一直持续到电池电压在15min 内不再上升为止。 S6，S7：重复S5，以保证所有的单体都被充满。 S8：涓流充电，以补偿自放电的损失。只要开路电压低于2.13v时，就开始这一过程，使用c/100的电流或 者脉冲电流，一直持续到电池电压在5min内不再上升为止。
永磁同步电机
电机损耗
• 铜损(电损) 定子线圈为铜导线，铜损是指由于导线内阻R引起的损耗 电损随定子电流幅值增大而增大。 • 铁损(磁损) 定子导磁材料为铁片，铁损是指由于磁路漏磁Rc引起的损 耗。铁损随磁通和转速增大而增大。即随定子电压幅值增 大而增大。
电池
电池－ 电池－电动汽车产业化发展的瓶颈之一
纯电动车动力系统
S N S N
李哲 清华大学汽车工程系发动机控制课题组 2006.12
提纲
1 2 3 4 5 纯电动概述 纯电动动力系统组成 动力系统的不同布置方法 电机 电池
电池的反应式和基本类型比较 三类主要实验， 三类主要实验，放电特性 与充电方法 BMS的任务 的任务 SOC估计方法 估计方法 单体差异 安全性管理
蓄电池主要实验
性能实验——测试变温度/DOD/充放电速率下的 时 性能实验 间－电压 或 时间－SOC 等曲线，了解电池的本 身特性。 随车实验——记录不同转速/扭矩下的电池电压/电流 随车实验 /温度/SOC，优化电池的管理策略，不仅用于纯 电动车，还用于混合动力车（结合混合动力车辆 的构型、能量分配策略和控制算法）。 极限实验——在刺穿/热失稳等极限条件下，评估电 极限实验 池的安全性。
电池管理系统
状态估计 故障诊断 数 据 通 讯
上位机
数据显示
安全管理
整车控制器 电机控制器 等
热管理
数据采集
能量管理
温度控制
电流 电压 温度
负载
充电机
信号流 功率流
• 1 BMS的主要任务
任务 防止过充 避免深放 温度控件 电池组件电压和温度的 平衡 预测电池的SOC和剩余 行驶里程 电池诊断 传感器输入的信号 电池电压，电流和温度 电池电压，电流和温度 电池温度 电池电压和温度 电池电压，电流和温度 电池电压，电流和温度 执行器件 充电器 电动机功率转换器 冷热空调 平衡装置 显示装置 非在线分析装置
n 1 1 n 2 2
I1：最高放电电流 I2：最低放电电流 t1：与I1对应的放电时间 t2：与I2对应的放电时间
• （2）一些实用性方法 一些实用性方法
• 由于电流、温度、自放电、老化等因素对SOC的非线性影响使得在线 准确估计电池组的SOC具有很大难度。 • 电动汽车动力电池SOC估计方法主要有放电试验法、安时计量法、内 放电试验法、 放电试验法 安时计量法、 阻法、开路电压法、负载电压法、神经网络法和卡尔曼滤波法。 阻法、开路电压法、负载电压法、神经网络法和卡尔曼滤波法
电机及其管理系统
辅助子系统
动力系统的不同布置方法
电机
电机原理 电磁场基本原理 磁通、磁场强度、磁感应强度、磁导率 电&磁：
电动势E 电流 I 电流密度I/S 电阻R=L/rs I=E/R=E/(L/rs) <-> <-> <-> <-> <-> 磁通势F=NI 磁通 Ф 磁感应强度B 磁阻 Rm=L/µS Ф=F/Rm=NI/(L/µS) • 电机原理： 在空间内产生定子磁场和转子磁 场。 磁场相互作用产生扭矩和感生电 动势。 通过保持两磁场强度和相对夹角 控制扭矩。 电动机 (电能 机械能) 当扭矩方向与旋转方向相同时输 出机械能。 此时感生电动势方向与电流同相， 消耗电能。 发电机 (机械能 电能) 当扭矩方向与旋转方向相反时消 耗机械能。 此时感生电动势方向与电流反相， 产生电能。
概述
环境
发展纯电动车的原因
资源
政策
市场需求
据国务院发展研究中心 预测，从2007年我国电 力将开始盈余。微型电 动汽车在夜间充电有利 于我国电力结构优化， 假定我国2020年电动汽 车、微型电动汽车、电 动自行车保有量分别达 到50万、500万和2亿辆， 以三类电动车年行使里 程2万公里、1万公里和 5000公里为例计算，夜 间充电将为电网提供总 装机容量近7%的蓄能设 备，为电力产业发展节 约投资成本约1000亿元。
Z n + 2 N i OOH + 2 H 2O ↔ Z n (OH )2 + 2 N i (OH ) 2
MH + Ni OOH ↔ M + N i (OH ) 2
xLi + M y Oz ↔ Li x + M y Oz , M y Oz为过渡金属氧化物
Lix C + Li1− x M y Oz ↔ C + LiM y Oz , Lix C为锂碳化合物，Li1− x M y Oz为锂化过渡金属氧化物
常见蓄电池的反应式
电池类型 铅酸 Pb－Acid － 镍铬 Ni－Cd － 镍锌 Ni－Zn － 镍氢 Ni－MH － Li聚合物电池 聚合物电池 Li－Ion － 锂离子电池 化学反应式
Pb + Pb O2 + 2 H 2 SO4 ↔ 2 Pb SO4 + 2 H 2O
Cd + 2 N i OOH + 2 H 2O ↔ Cd (OH ) 2 + 2 N i (OH ) 2
恒流特性研究报道较多， 恒流特性研究报道较多，脉冲性能研究报道较少
电池性能实验： 电池性能实验：
小容量电池研究报道较多， 小容量电池研究报道较多，大容量电池研究报道较少
充电倍率对电压与温度曲线影响
不同温度下的充电电压曲线
不同倍率充电时的压力变化
放电倍率对电池容量的影响
温度对电池可用容量的影响
隔膜种类对电池荷电保持 特性的影响
在SOC=44.75%时，端电压就下降到了危险的 时 端电压就下降到了危险的6.4V
基于稳态开路电压的 SOC估计方法： t=0时 OCV=12.993V SOC=100% t=finish OCV=11.895V SOC=44.75%
蓄电池的可用 容量随放电率 的上升而下降
铅酸电池的非车载多步充电法s1－ 蓄电池的充电特性——铅酸电池的非车载多步充电法 －s8 铅酸电池的非车载多步充电法
电机分类 2 交流同步电机 • 交流同步电机(转子转速与磁场转速相同) 定子磁场空间旋转：通过交流电定子线圈产生 转子磁场空间旋转：通过电刷转子线圈或永磁体产生
• 励磁同步发电机 励磁同步发电机(APU所用发电机) 转子通过励磁机励磁(无刷直流励磁)，定子感生交流电
• 永磁同步电机 永磁同步电机(ISG广泛采用) 转子永磁体，定子线圈，无电刷
浙江雄霸 800W直流永磁刷 单个重量约 直流永磁刷 单个重量约8Kg
电机分类 1 直流电机－如传统汽车用启动电机 直流电机－ • 直流电机（通过直流电直接驱动的电机） 定子磁场空间固定：通过直流电或永磁体产生 转子磁场空间固定：通过电刷转子线圈产生 • 两空间旋转磁场，当方向夹角90度时，产生最大作用 扭矩。
动力电池体系发展现状比较
铅酸电池 能量密度 （Wh/kg） ） 功率密度 （W/kg） ） 低温性能 高温性能 循环寿命 记忆效应 安全可靠性 应用成本 发展现状 差 30～40 ～ 差 100～ ～ 150 一般 一般 差 无 好 低 商业化 镍镉电池 一般 40～50 ～ 良好 30～40 ～ 良好 良好 良好 有 好 较低 商业化 镍氢电池 好 50～90 ～ 好 150～1500 ～ 良好 一般 优良 无 好 较高 商业应用 锂离子电池 优良 60～200 ～ 良好 150～2500 ～ 差 一般 一般 无 差 高 有应用实例 超级电容器 非常差 0～15 ～ 优异 1000～ ～ 30000 优良 优良 优良 无 好 高 有应用实例
2 SOC估计
理论SOC计算方法： （1）理论上 理论上：SOC=Cr/Ct 理论上 Cr：电池在恒流I放电时在计算时刻的剩余容量； Ct：电池在恒流I放电时在计算时刻的总容量；
• 而Ct与I的关系如下计算： 的关系如下计算： 与 的关系如下计算
Ct = KI
(1− n )
n = lg(t2 / t1 ) / lg( I1 / I 2 ) K=I t =I t
S
N
电机分类 3 直流磁阻电机 • 磁阻同步电机(多用于步进电机) 定子磁场空间旋转：通过直流电定子线圈产生 转子磁场空间旋转：无转子磁场
电机分类 4 交流异步电机 • 交流异步电机(转子转速小于磁场转速) 定子磁场空间旋转：通过交流电定子线圈产生 转子磁场空间旋转：通过金属条(鼠笼)感应产生
永磁同步电机
蓄电池的放电特性曲线
• 电池的端电压在不同的放电率下（C）与放电时间的关系 曲线： • 放电率越小，曲线越偏上 • 80Ah 镍氢电池