純電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)

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1、純 電 動(dòng) 車 動(dòng) 力 系 統(tǒng)李 哲清 華 大 學(xué) 汽 車 工 程 系 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 控 制 課 題 組2006.12NSSN 1 純 電 動(dòng) 概 述2 純 電 動(dòng) 動(dòng) 力 系 統(tǒng) 組 成3 動(dòng) 力 系 統(tǒng) 的 不 同 布 置 方 法4 電 機(jī) 5 電 池 電 池 的 反 應(yīng) 式 和 基 本 類 型 比 較 三 類 主 要 實(shí) 驗(yàn) ， 放 電 特 性 與 充 電 方 法 BMS的 任 務(wù) SOC估 計(jì) 方 法 單 體 差 異 安 全 性 管 理提 綱 概 述 發(fā) 展 純 電 動(dòng) 車 的 原 因 環(huán) 境 資 源 政 策 市 場(chǎng) 需 求 據(jù) 國(guó) 務(wù) 院 發(fā) 展 研 究 中 心預(yù) 測(cè) ， 從 2007

2、年 我 國(guó) 電力 將 開 始 盈 余 。 微 型 電動(dòng) 汽 車 在 夜 間 充 電 有 利于 我 國(guó) 電 力 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 ，假 定 我 國(guó) 2020年 電 動(dòng) 汽車 、 微 型 電 動(dòng) 汽 車 、 電動(dòng) 自 行 車 保 有 量 分 別 達(dá)到 50萬(wàn) 、 500萬(wàn) 和 2億 輛 ，以 三 類 電 動(dòng) 車 年 行 使 里程 2萬(wàn) 公 里 、 1萬(wàn) 公 里 和 5000公 里 為 例 計(jì) 算 ， 夜間 充 電 將 為 電 網(wǎng) 提 供 總裝 機(jī) 容 量 近 7%的 蓄 能 設(shè)備 ， 為 電 力 產(chǎn) 業(yè) 發(fā) 展 節(jié)約 投 資 成 本 約 1000億 元 。到 2008年 ， 北 京 地 區(qū) 的 機(jī)動(dòng)

3、 車 排 放 將 實(shí) 行 相 當(dāng) 于 歐洲 號(hào) 的 標(biāo) 準(zhǔn) 。 北 京 奧 組委 在 北 京 奧 運(yùn) 行 動(dòng) 規(guī) 劃科 技 奧 運(yùn) 建 設(shè) 專 項(xiàng) 規(guī) 劃 中 ， 將 電 動(dòng) 汽 車 開 發(fā) 、 示范 及 產(chǎn) 業(yè) 化 研 究 、 動(dòng) 力 鋰離 子 電 池 及 關(guān) 鍵 材 料 研 究列 入 重 點(diǎn) 任 務(wù) 。 動(dòng) 力 系 統(tǒng) 組 成 ：電 池 及 其 管 理 系 統(tǒng)電 機(jī) 及 其 管 理 系 統(tǒng)輔 助 子 系 統(tǒng)純 電 動(dòng) 動(dòng) 力 系 統(tǒng) 組 成 動(dòng) 力 系 統(tǒng) 的 不 同 布 置 方 法 電 機(jī)電 磁 場(chǎng) 基 本 原 理磁 通 、 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 、 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 、 磁 導(dǎo) 率電 &磁

4、 ：電 動(dòng) 勢(shì) E 磁 通 勢(shì) F=NI電 流 I 磁 通 電 流 密 度 I/S 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 B電 阻 R=L/rs 磁 阻 Rm=L/SI=E/R=E/(L/rs) =F/Rm=NI/(L/S)磁 場(chǎng) 相 互 作 用兩 個(gè) 空 間 磁 場(chǎng) ， 產(chǎn) 生 相 互 作 用 力 ， 使 得 磁 力 線 方 向 趨 于 一 致 。 （ 指 南 針 ）磁 力 線 總 是 喜 歡 從 磁 阻 小 得 地 方 通 過 。（ 吸 鐵 ） 電 機(jī) 原 理 電 機(jī) 原 理 ：在 空 間 內(nèi) 產(chǎn) 生 定 子 磁 場(chǎng) 和 轉(zhuǎn) 子 磁場(chǎng) 。磁 場(chǎng) 相 互 作 用 產(chǎn) 生 扭 矩 和 感 生 電動(dòng) 勢(shì) 。通 過

5、 保 持 兩 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 和 相 對(duì) 夾 角控 制 扭 矩 。 電 動(dòng) 機(jī) (電 能 機(jī) 械 能 )當(dāng) 扭 矩 方 向 與 旋 轉(zhuǎn) 方 向 相 同 時(shí) 輸出 機(jī) 械 能 。此 時(shí) 感 生 電 動(dòng) 勢(shì) 方 向 與 電 流 同 相 ，消 耗 電 能 。 發(fā) 電 機(jī) (機(jī) 械 能 電 能 )當(dāng) 扭 矩 方 向 與 旋 轉(zhuǎn) 方 向 相 反 時(shí) 消耗 機(jī) 械 能 。此 時(shí) 感 生 電 動(dòng) 勢(shì) 方 向 與 電 流 反 相 ，產(chǎn) 生 電 能 。 電 機(jī) 的 數(shù) 量 和 布 置 選 裝 幾 個(gè) 電 機(jī) ？ 使 用 輪 轂 電 機(jī) 嗎 ？ 電 機(jī) 選 擇 什 么 類 型 ？直 流 永 磁 無(wú) 刷 ？ 四 輪

6、 單 獨(dú) 控 制 ， 減 少 打 滑 等附 著制 動(dòng) 能 量 回 收重 量 電 機(jī) 的 效 率 曲 線輪 轂 電 機(jī) 線 控 ， 體 積 ， 空 間 布 置成 本浙 江 雄 霸 800W直 流 永 磁 刷 單 個(gè) 重 量 約 8Kg 1 直 流 電 機(jī) 如 傳 統(tǒng) 汽 車 用 啟 動(dòng) 電 機(jī) 直 流 電 機(jī) （ 通 過 直 流 電 直 接 驅(qū) 動(dòng) 的 電 機(jī) ）定 子 磁 場(chǎng) 空 間 固 定 ： 通 過 直 流 電 或 永 磁 體 產(chǎn) 生轉(zhuǎn) 子 磁 場(chǎng) 空 間 固 定 ： 通 過 電 刷 轉(zhuǎn) 子 線 圈 產(chǎn) 生 兩 空 間 旋 轉(zhuǎn) 磁 場(chǎng) ， 當(dāng) 方 向 夾 角 90度 時(shí) ， 產(chǎn) 生 最 大

7、 作 用扭 矩 。電 機(jī) 分 類 2 交 流 同 步 電 機(jī) 交 流 同 步 電 機(jī) (轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 速 與 磁 場(chǎng) 轉(zhuǎn) 速 相 同 )定 子 磁 場(chǎng) 空 間 旋 轉(zhuǎn) ： 通 過 交 流 電 定 子 線 圈 產(chǎn) 生轉(zhuǎn) 子 磁 場(chǎng) 空 間 旋 轉(zhuǎn) ： 通 過 電 刷 轉(zhuǎn) 子 線 圈 或 永 磁 體 產(chǎn) 生電 機(jī) 分 類 勵(lì) 磁 同 步 發(fā) 電 機(jī) (APU所 用 發(fā) 電 機(jī) )轉(zhuǎn) 子 通 過 勵(lì) 磁 機(jī) 勵(lì) 磁 (無(wú) 刷 直 流 勵(lì) 磁 )， 定 子 感 生 交 流 電 永 磁 同 步 電 機(jī) (ISG廣 泛 采 用 )轉(zhuǎn) 子 永 磁 體 ， 定 子 線 圈 ， 無(wú) 電 刷S N 3 直 流 磁

8、阻 電 機(jī) 磁 阻 同 步 電 機(jī) (多 用 于 步 進(jìn) 電 機(jī) )定 子 磁 場(chǎng) 空 間 旋 轉(zhuǎn) ： 通 過 直 流 電 定 子 線 圈 產(chǎn) 生轉(zhuǎn) 子 磁 場(chǎng) 空 間 旋 轉(zhuǎn) ： 無(wú) 轉(zhuǎn) 子 磁 場(chǎng)電 機(jī) 分 類 4 交 流 異 步 電 機(jī) 交 流 異 步 電 機(jī) (轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 速 小 于 磁 場(chǎng) 轉(zhuǎn) 速 )定 子 磁 場(chǎng) 空 間 旋 轉(zhuǎn) ： 通 過 交 流 電 定 子 線 圈 產(chǎn) 生轉(zhuǎn) 子 磁 場(chǎng) 空 間 旋 轉(zhuǎn) ： 通 過 金 屬 條 (鼠 籠 )感 應(yīng) 產(chǎn) 生電 機(jī) 分 類 永 磁 同 步 電 機(jī)永 磁 同 步 電 機(jī) 分 類 永 磁 同 步 (PMSM)轉(zhuǎn) 子 永 磁 體 形 成 的

9、 空 間 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 沿 周 向 呈 正 弦 波 分 布 。隨 轉(zhuǎn) 子 旋 轉(zhuǎn) ， 定 子 線 圈 感 生 反 電 動(dòng) 勢(shì) (bemf)為 正 弦 波 。為 產(chǎn) 生 平 穩(wěn) 扭 矩 ， 定 子 電 流 隨 轉(zhuǎn) 角 也 應(yīng) 為 正 弦 波 。 NSSN 永 磁 同 步 電 機(jī) 分 類 交 流 無(wú) 刷 (BDCM)轉(zhuǎn) 子 永 磁 體 形 成 梯 形 空 間 磁 場(chǎng)隨 轉(zhuǎn) 子 旋 轉(zhuǎn) ， 在 定 子 線 圈 感 生 反 電 動(dòng) 勢(shì) (bemf)為 梯 形 波為 產(chǎn) 生 平 穩(wěn) 扭 矩 ， 定 子 電 流 也 應(yīng) 控 制 為 梯 形 波 。但 不 可 能 產(chǎn) 生 完 全 平 穩(wěn) 扭 矩 輸 出(只

10、 有 當(dāng) bemf為 理 想 矩 形 波 時(shí) )永 磁 同 步 電 機(jī) 電 機(jī) 損 耗 銅 損 (電 損 )定 子 線 圈 為 銅 導(dǎo) 線 ， 銅 損 是 指 由 于 導(dǎo) 線 內(nèi) 阻 R引 起 的 損 耗電 損 隨 定 子 電 流 幅 值 增 大 而 增 大 。 鐵 損 (磁 損 )定 子 導(dǎo) 磁 材 料 為 鐵 片 ， 鐵 損 是 指 由 于 磁 路 漏 磁 Rc引 起 的 損耗 。 鐵 損 隨 磁 通 和 轉(zhuǎn) 速 增 大 而 增 大 。 即 隨 定 子 電 壓 幅 值 增大 而 增 大 。永 磁 同 步 電 機(jī) 電 池 電 池 電 動(dòng) 汽 車 產(chǎn) 業(yè) 化 發(fā) 展 的 瓶 頸 之 一 常 見

11、 蓄 電 池 的 反 應(yīng) 式 電 池 類 型 化 學(xué) 反 應(yīng) 式鉛 酸Pb Acid鎳 鉻Ni Cd鎳 鋅Ni Zn鎳 氫Ni MHLi聚 合 物 電 池 Li Ion鋰 離 子 電 池 2 2 4 4 22 2 2b b bP PO H SO PSO H O 2 2 22 2 ( ) 2 ( )d i d iC N OOH H O C OH N OH 2 2 22 2 ( ) 2 ( )n i n iZ N OOH H O Z OH N OH 2( )i iMH N OOH M N OH ,i y z i y z y zxL M O L x M O M O 為 過 渡 金 屬 氧 化 物1

12、1 ,x x y z y zx x y zLi C Li M O C LiM OLi C Li M O 為 鋰 碳 化 合 物 ， 為 鋰 化 過 渡 金 屬 氧 化 物 鉛 酸 電 池 鎳 鎘 電 池 鎳 氫 電 池 鋰 離 子 電 池 超 級(jí) 電 容 器能 量 密 度（ Wh/kg） 差30 40 一 般40 50 好50 90 優(yōu) 良60 200 非 常 差0 15功 率 密 度（ W/kg） 差100150 良 好30 40 好150 1500 良 好150 2500 優(yōu) 異100030000低 溫 性 能 一 般 良 好 良 好 差 優(yōu) 良高 溫 性 能 一 般 良 好 一 般 一

13、般 優(yōu) 良循 環(huán) 壽 命 差 良 好 優(yōu) 良 一 般 優(yōu) 良記 憶 效 應(yīng) 無(wú) 有 無(wú) 無(wú) 無(wú)安 全 可 靠 性 好 好 好 差 好應(yīng) 用 成 本 低 較 低 較 高 高 高 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 商 業(yè) 化 商 業(yè) 化 商 業(yè) 應(yīng) 用 有 應(yīng) 用 實(shí) 例 有 應(yīng) 用 實(shí) 例 動(dòng) 力 電 池 體 系 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 比 較 蓄 電 池 主 要 實(shí) 驗(yàn)性 能 實(shí) 驗(yàn) 測(cè) 試 變 溫 度 /DOD/充 放 電 速 率 下 的 時(shí)間 電 壓 或 時(shí) 間 SOC 等 曲 線 ， 了 解 電 池 的 本身 特 性 。隨 車 實(shí) 驗(yàn) 記 錄 不 同 轉(zhuǎn) 速 /扭 矩 下 的 電 池 電 壓 /電 流/溫 度 /

14、SOC， 優(yōu) 化 電 池 的 管 理 策 略 ， 不 僅 用 于 純電 動(dòng) 車 ， 還 用 于 混 合 動(dòng) 力 車 （ 結(jié) 合 混 合 動(dòng) 力 車 輛的 構(gòu) 型 、 能 量 分 配 策 略 和 控 制 算 法 ） 。極 限 實(shí) 驗(yàn) 在 刺 穿 /熱 失 穩(wěn) 等 極 限 條 件 下 ， 評(píng) 估 電池 的 安 全 性 。 電 池 性 能 實(shí) 驗(yàn) ：充 電 倍 率 對(duì) 電 壓 與 溫 度 曲 線 影 響 不 同 溫 度 下 的 充 電 電 壓 曲 線 不 同 倍 率 充 電 時(shí) 的 壓 力 變 化 放 電 倍 率 對(duì) 電 池 容 量 的 影 響 溫 度 對(duì) 電 池 可 用 容 量 的 影 響 隔 膜

15、 種 類 對(duì) 電 池 荷 電 保 持特 性 的 影 響 恒 流 特 性 研 究 報(bào) 道 較 多 ， 脈 沖 性 能 研 究 報(bào) 道 較 少小 容 量 電 池 研 究 報(bào) 道 較 多 ， 大 容 量 電 池 研 究 報(bào) 道 較 少 蓄 電 池 的 放 電 特 性 曲 線 電 池 的 端 電 壓 在 不 同 的 放 電 率 下 （ C） 與 放 電 時(shí) 間 的 關(guān) 系曲 線 ： 放 電 率 越 小 ， 曲 線 越 偏 上 80Ah 鎳 氫 電 池 0 5 10 15 20 25 30 350.60.70.8 0.91.01.1 1.21.31.4 1.5 3C電 壓（V） 放 電 時(shí) 間 （ mi

16、n) 2C4C5C6C7C 如 ： 100Ah額 定 容 量 的 蓄 電 池 ：若 c/5速 率 放 電 ， 20A， 5h放 電 完 畢 ，則 c/10速 率 放 電 ， 即 10A放 電 ， 則 放 電 時(shí) 間 超過 10h；則 以 1c速 率 放 電 時(shí) ， 即 100A放 電 ， 則 放 電 時(shí)間 小 于 1h。蓄 電 池 的 可 用 容 量 隨 著 放 電 率 的 上升 而 有 所 下 降 Optima55Ah Yellowtop Pd-Acid 12V60A恒 流 放 電OUR DATA 蓄 電 池 的 可 用容 量 隨 放 電 率的 上 升 而 下 降基 于 穩(wěn) 態(tài) 開 路 電

17、壓 的SOC估 計(jì) 方 法 ：t=0時(shí) OCV=12.993V SOC=100%t=finish OCV=11.895V SOC=44.75%在 SOC=44.75%時(shí) ， 端 電 壓 就 下 降 到 了 危 險(xiǎn) 的 6.4V S1： C/6恒 流 充 電 直 到 達(dá) 到 冒 氣 電 壓 （ 2.4v） ， 切 斷 充 電 電 流 ， 使 得 端 電 壓 稍 微 下 降 到 2.2v。 S2： 75 S1電 流 充 電 ， 直 到 達(dá) 到 冒 氣 電 壓 ， 切 斷 充 電 電 流 ， 使 得 端 電 壓 稍 微 下 降 到 2.2v。 S3： 50 S1電 流 充 電 ， 直 到 達(dá) 到 冒

18、 氣 電 壓 ， 切 斷 充 電 電 流 ， 使 得 端 電 壓 稍 微 下 降 到 2.2v。 S4： 25 S1電 流 充 電 ， 直 到 電 池 電 壓 在 15min內(nèi) 不 再 上 升 為 止 。 S5： 進(jìn) 入 脈 沖 均 衡 充 電 過 程 。 當(dāng) S4后 電 壓 下 降 到 2.13v時(shí) ， 開 始 這 一 過 程 ， 一 直 持 續(xù) 到 電 池 電 壓 在 15min內(nèi) 不 再 上 升 為 止 。 S6， S7： 重 復(fù) S5， 以 保 證 所 有 的 單 體 都 被 充 滿 。 S8： 涓 流 充 電 ， 以 補(bǔ) 償 自 放 電 的 損 失 。 只 要 開 路 電 壓 低 于

19、 2.13v時(shí) ， 就 開 始 這 一 過 程 ， 使 用 c/100的 電 流 或者 脈 沖 電 流 ， 一 直 持 續(xù) 到 電 池 電 壓 在 5min內(nèi) 不 再 上 升 為 止 。蓄 電 池 的 充 電 特 性 鉛 酸 電 池 的 非 車 載 多 步 充 電 法 s1 s8 電 池 性 能 模 型 研 究 現(xiàn) 狀等 效 電 路 模 型電 化 學(xué) 模 型 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 模 型 電 池 管 理 系 統(tǒng) （ Battery Management System， 本 文 簡(jiǎn) 稱 為 BMS） 是 電 池 組 熱 管理 技 術(shù) 和 SOC估 計(jì) 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 平 臺(tái) 。 BMS對(duì) 于 電

20、池 組 的 安 全 、 優(yōu) 化 使 用 和 整 車能 量 管 理 策 略 的 執(zhí) 行 都 是 必 需 的 。 所 有 的 現(xiàn) 代 電 動(dòng) 汽 車 都 安 裝 有 BMS。 電 池 管 理系 統(tǒng) 的 功 能 主 要 包 括 數(shù) 據(jù) 采 集 、 數(shù) 據(jù) 顯 示 、 狀 態(tài) 估 計(jì) 、 熱 管 理 、 數(shù) 據(jù) 通 訊 、 安 全管 理 、 能 量 管 理 和 故 障 診 斷 。 數(shù) 據(jù) 采 集熱 管 理 能 量 管 理故 障 診 斷安 全 管 理 數(shù)據(jù)通訊溫 度 控 制 電 流 電 壓 溫 度 負(fù) 載 充 電 機(jī) 上 位 機(jī)整 車 控 制 器電 機(jī) 控 制 器等信號(hào)流功率流 電池管理系統(tǒng)數(shù) 據(jù) 顯

21、示狀 態(tài) 估 計(jì)蓄 電 池 監(jiān) 測(cè) 和 管 理 系 統(tǒng) 1 BMS的 主 要 任 務(wù)任 務(wù) 傳 感 器 輸 入 的 信 號(hào) 執(zhí) 行 器 件防 止 過 充 電 池 電 壓 ， 電 流 和 溫 度 充 電 器避 免 深 放 電 池 電 壓 ， 電 流 和 溫 度 電 動(dòng) 機(jī) 功 率 轉(zhuǎn) 換 器溫 度 控 件 電 池 溫 度 冷 熱 空 調(diào)電 池 組 件 電 壓 和 溫 度 的平 衡 電 池 電 壓 和 溫 度 平 衡 裝 置預(yù) 測(cè) 電 池 的 SOC和 剩 余行 駛 里 程 電 池 電 壓 ， 電 流 和 溫 度 顯 示 裝 置 電 池 診 斷 電 池 電 壓 ， 電 流 和 溫 度 非 在 線

22、分 析 裝 置 2 SOC估 計(jì)理 論 SOC計(jì) 算 方 法 ：（ 1） 理 論 上 ： SOC=Cr/CtCr： 電 池 在 恒 流 I放 電 時(shí) 在 計(jì) 算 時(shí) 刻 的 剩 余 容 量 ；Ct： 電 池 在 恒 流 I放 電 時(shí) 在 計(jì) 算 時(shí) 刻 的 總 容 量 ； 而 Ct與 I的 關(guān) 系 如 下 計(jì) 算 ： (1 )2 1 1 21 1 2 2lg( / )/lg( / )nt n nC KIn t t I IK I t I t I1： 最 高 放 電 電 流I2： 最 低 放 電 電 流t1： 與 I1對(duì) 應(yīng) 的 放 電 時(shí) 間t2： 與 I2對(duì) 應(yīng) 的 放 電 時(shí) 間 由 于 電

23、 流 、 溫 度 、 自 放 電 、 老 化 等 因 素 對(duì) SOC的 非 線 性 影 響 使 得 在 線準(zhǔn) 確 估 計(jì) 電 池 組 的 SOC具 有 很 大 難 度 。 電 動(dòng) 汽 車 動(dòng) 力 電 池 SOC估 計(jì) 方 法 主 要 有 放 電 試 驗(yàn) 法 、 安 時(shí) 計(jì) 量 法 、 內(nèi)阻 法 、 開 路 電 壓 法 、 負(fù) 載 電 壓 法 、 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 法 和 卡 爾 曼 濾 波 法 。 （ 1） 放 電 試 驗(yàn) 法 放 電 試 驗(yàn) 法 是 最 可 靠 的 SOC估 計(jì) 方 法 ， 它 采 用 標(biāo) 準(zhǔn) 電 流 對(duì)電 池 進(jìn) 行 恒 流 放 電 ， 當(dāng) 達(dá) 到 放 電 終 止 條 件 時(shí)

24、 ， 放 電 電 流 與時(shí) 間 的 乘 積 即 為 電 池 放 電 前 的 剩 余 電 量 。 放 電 試 驗(yàn) 法 有 兩個(gè) 顯 著 缺 點(diǎn) ： 電 池 進(jìn) 行 的 工 作 要 被 迫 中 斷 ； 需 要 大 量時(shí) 間 。 所 以 放 電 試 驗(yàn) 法 不 適 合 電 動(dòng) 汽 車 上 實(shí) 時(shí) 應(yīng) 用 。 （ 2） 一 些 實(shí) 用 性 方 法 （ 2） 內(nèi) 阻 法 電 池 內(nèi) 阻 R有 交 流 內(nèi) 阻 （ Internal Impedance， 也稱 交 流 阻 抗 ） 和 直 流 內(nèi) 阻 （ Internal Resistance）之 分 ， 它 們 都 與 SOC密 切 相 關(guān) 。 交 流 阻

25、 抗 表 示 電池 對(duì) 交 流 電 輸 入 的 抗 拒 能 力 ， 交 流 阻 抗 受 溫 度 影響 大 ， 且 關(guān) 于 應(yīng) 該 在 電 池 平 衡 狀 態(tài) 還 是 在 充 放 電過 程 中 進(jìn) 行 交 流 阻 抗 測(cè) 量 存 在 爭(zhēng) 議 ， 所 以 很 少 應(yīng)用 。 直 流 內(nèi) 阻 表 示 電 池 對(duì) 直 流 電 輸 入 的 抗 拒 能 力 ，等 于 在 同 一 很 短 時(shí) 間 段 內(nèi) 電 池 電 壓 變 化 量 與 電 流變 化 量 的 比 值 。 直 流 內(nèi) 阻 法 的 缺 點(diǎn) 是 難 于 在 電 動(dòng)汽 車 上 實(shí) 時(shí) 測(cè) 量 ， 也 很 少 應(yīng) 用 。 （ 3） 開 路 電 壓 法 電

26、 池 的 開 路 電 壓 OCV（ Open Circuit Voltage） 與 SOC存在 單 調(diào) 變 化 的 一 一 映 射 關(guān) 系 。 在 使 用 開 路 電 壓 法 前 須 通過 試 驗(yàn) 得 到 OCV與 SOC的 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系 。 開 路 電 壓 法 的 顯 著缺 點(diǎn) 是 需 要 將 電 池 長(zhǎng) 時(shí) 靜 置 以 達(dá) 到 電 壓 平 衡 ， 電 池 從 工作 狀 態(tài) 恢 復(fù) 到 平 衡 狀 態(tài) 一 般 需 要 幾 個(gè) 甚 至 十 幾 個(gè) 小 時(shí) ，靜 置 時(shí) 間 如 何 確 定 也 是 一 個(gè) 問 題 。 所 以 該 方 法 單 獨(dú) 使 用只 適 于 電 動(dòng) 汽 車 駐 車 狀 態(tài)

27、 。 根 據(jù) 作 者 的 研 究 經(jīng) 驗(yàn) ， 即 使對(duì) 于 處 于 平 衡 狀 態(tài) 的 鎳 氫 電 池 使 用 開 路 電 壓 法 ， 誤 差 水平 也 可 能 大 于 20%。 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.011.512.0 12.513.013.5 14.014.5 開路電壓（V） SOC電 池 開 路 電 壓 隨 SOC的 變 化 趨 勢(shì) (80Ah) （ 4） 負(fù) 載 電 壓 法 負(fù) 載 電 壓 法 的 原 理 可 由 式 說 明 ： UL為 負(fù) 載 電 壓 ， IL為 負(fù) 載 電 流 。 以 不 同 電 流 對(duì) 電 池 組 進(jìn) 行 恒 流 充 電 ，將 得 到 一 組

28、 以 電 流 標(biāo) 記 的 互 不 交 叉 的 SOC與 充 電 電 壓 的 關(guān) 系 曲 線 （ 如圖 下 左 ） ； 以 不 同 電 流 對(duì) 電 池 組 進(jìn) 行 恒 流 放 電 ， 將 得 到 一 組 以 電 流 標(biāo)記 的 互 不 交 叉 的 SOC與 放 電 電 壓 的 關(guān) 系 曲 線 （ 如 圖 下 中 ） ； 基 于 這 兩組 曲 線 可 以 得 到 電 流 IL、 電 壓 UL和 SOC的 三 維 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系 （ 如 圖 下 右 ） ，該 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系 就 是 負(fù) 載 電 壓 法 應(yīng) 用 的 基 礎(chǔ) 。 負(fù) 載 電 壓 法 的 優(yōu) 點(diǎn) 是 能 在 電 動(dòng) 汽 車 上 實(shí) 時(shí) 應(yīng)

29、用 ， 對(duì) 于 恒 流 放 電 的 電 池組 有 較 好 的 精 度 。 但 電 動(dòng) 汽 車 上 劇 烈 波 動(dòng) 的 電 池 組 電 壓 給 負(fù) 載 電 壓 法應(yīng) 用 帶 來 困 難 ， 誤 差 較 大 。 所 以 負(fù) 載 電 壓 法 很 少 應(yīng) 用 到 實(shí) 車 上 ， 但 常用 來 作 為 電 池 充 放 電 截 止 的 判 據(jù) 。 電 流 為 零 時(shí) 的 負(fù) 載 電 壓 法 即 為 開 路電 壓 法 。 ( , )L LSOC f U I 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0121314 1516 2C 1.5C 1C0.5C電壓/V SOCC/3 1.0 0.8 0.6 0.4

30、 0.2 0.01011 121314 2C1.5C 1C0.5C電壓/V SOC C/3 -200 -100 0 100 200 00.25 0.50.75 1300 350 400 450 500 550 電流/ASOC 電壓/V （ 5） 安 時(shí) 計(jì) 量 法 如 果 電 池 在 充 放 電 起 始 時(shí) 刻 t0的 SOC為 SOC0， 那 么 t時(shí) 刻 的 SOC由 式 計(jì) 算 ， 即 為 安 時(shí) 計(jì) 量 法 的 原 理 ， 其 中 CN為 額 定 容 量 ， Eta為 庫(kù) 侖 效 率 。 由 于 安 時(shí) 計(jì) 量 法 原 理 簡(jiǎn) 單 ， 工 作 穩(wěn) 定 ， 是 目 前 電 動(dòng) 汽 車 最

31、 常 用 的 SOC估 計(jì) 方法 。 清 華 大 學(xué) 計(jì) 算 機(jī) 系 設(shè) 計(jì) 的 電 池 管 理 系 統(tǒng) 、 豐 田 公 司 Prius、 本 田 公 司 的 電動(dòng) 汽 車 EV Plus， 通 用 大 宇 的 電 動(dòng) 汽 車 DEV5使 用 的 都 是 安 時(shí) 計(jì) 量 法 ， FCB也使 用 安 時(shí) 計(jì) 量 法 。 安 時(shí) 計(jì) 量 法 有 兩 個(gè) 主 要 缺 點(diǎn) ： 方 法 本 身 不 能 估 計(jì) 初 始 SOC； 庫(kù) 侖 效 率 難 于 準(zhǔn) 確 測(cè) 量 ， 不 準(zhǔn) 確 的 庫(kù) 侖 效 率 對(duì) SOC誤 差 有 累 積 效 應(yīng) 。 解 決 電 池 初 始 SOC的 問 題 ， 目 前 通 常

32、 引 入 開 路 電 壓 法 或 負(fù) 載 電 壓 法 來 輔 助 解決 。 對(duì) 庫(kù) 侖 效 率 問 題 主 要 是 基 于 大 量 實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 修 正 。 安 時(shí) 計(jì) 量 法 能 夠 基 本 滿 足 電 動(dòng) 汽 車 電 池 組 SOC估 計(jì) 的 需 要 ， 但 是 精 度 還 需 提高 。 FCB對(duì) SOC估 計(jì) 精 度 要 求 為 8%， 安 時(shí) 計(jì) 量 法 無(wú) 法 在 所 有 電 池 使 用 環(huán) 境都 達(dá) 到 該 精 度 。 00 1 ttNSOC SOC I dC （ 6） 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 法 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 法 原 理 如 圖 所 示 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 法 適 用 于 各 種

33、 電 池 ， 缺 點(diǎn) 是 需 要 大 量 的 試 驗(yàn) 數(shù) 據(jù)進(jìn) 行 訓(xùn) 練 ， 估 計(jì) 誤 差 受 訓(xùn) 練 數(shù) 據(jù) 和 訓(xùn) 練 方 法 的 影 響 很 大 ，適 用 范 圍 受 訓(xùn) 練 數(shù) 據(jù) 限 制 ， 而 且 在 電 池 管 理 系 統(tǒng) 中 較 難 實(shí)現(xiàn) 。 大 量 文 獻(xiàn) 使 用 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 估 計(jì) 處 于 恒 流 、 恒 負(fù) 載 充 放 電 狀 態(tài)的 電 池 的 SOC。 實(shí) 際 電 動(dòng) 汽 車 動(dòng) 力 電 池 的 工 作 狀 態(tài) 多 樣 且電 流 劇 烈 變 化 ， 適 合 電 動(dòng) 汽 車 工 況 的 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) SOC估 計(jì) 方法 還 在 研 究 中 。 電 流溫 度電 壓

34、 SOC （ 7） 卡 爾 曼 濾 波 法卡 爾 曼 濾 波 理 論 的 核 心 思 想 是 對(duì) 系 統(tǒng) 的 狀 態(tài) 做 出 最 小 方 差 意 義 上 的 最 優(yōu) 估 計(jì) 。 如 式 所 示 ， 卡 爾 曼 濾 波 應(yīng) 用 于 電 池 SOC估 計(jì) ， 電 池 被 電 池 性 能 模 型 和 安 時(shí) 計(jì) 量 法 描 述 為 離 散 的 系統(tǒng) ， SOC是 系 統(tǒng) 的 一 個(gè) 狀 態(tài) ， SOCk和 SOCk+1分 別 表 示 兩 個(gè) 臨 近 的 具 體 SOC值 。 卡 爾曼 濾 波 法 估 計(jì) SOC的 算 法 是 一 套 包 括 SOC估 計(jì) 值 和 反 映 估 計(jì) 誤 差 的 協(xié) 方

35、差 矩 陣 的 遞 歸方 程 。 與 其 他 方 法 相 比 ， 卡 爾 曼 濾 波 法 的 優(yōu) 點(diǎn) 是 對(duì) 初 始 SOC誤 差 不 敏 感 和 更 適 于 電 流波 動(dòng) 劇 烈 的 電 動(dòng) 汽 車 應(yīng) 用 環(huán) 境 ， 缺 點(diǎn) 是 對(duì) 電 池 性 能 模 型 精 度 及 電 池 管 理 系 統(tǒng) 計(jì) 算 能 力要 求 高 。 目 前 ， 豐 田 公 司 、 本 田 公 司 和 福 特 公 司 生 產(chǎn) 的 混 合 動(dòng) 力 汽 車 使 用 的 電 池 組 SOC估 計(jì) 方法 都 是 電 流 （ 安 時(shí) 計(jì) 量 法 ） 結(jié) 合 電 壓 （ 開 路 電 壓 法 和 負(fù) 載 電 壓 法 ） 的 估 計(jì)

36、方 法 ， 精 度 約 為 10% 20%， 電 池 SOC使 用 范 圍 為 0.5 0.8。 各 個(gè) 公 司 都 在 不 斷 對(duì) 自 己 的 電 池 組SOC估 計(jì) 技 術(shù) 進(jìn) 行 改 進(jìn) ， 因 為 這 是 各 個(gè) 公 司 的 核 心 技 術(shù) ， 在 公 開 文 獻(xiàn) 中 ， 各 公 司 從 未對(duì) 技 術(shù) 細(xì) 節(jié) 進(jìn) 行 介 紹 。 香 港 大 學(xué) 、 德 國(guó) 烏 爾 姆 大 學(xué) 、 德 國(guó) 亞 琛 工 業(yè) 大 學(xué) 都 正 在 進(jìn) 行 電池 SOC估 計(jì) 方 法 的 研 究 。 在 上 面 介 紹 的 多 種 SOC估 計(jì) 方 法 中 ， 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 法 和 卡 爾 曼 濾 波 法 是

37、 比 較 有 希 望 的 新 方法 。 1, ( )/( , , )k k k NL k L k k kSOC SOC I t CU U SOC I T 電 池 SOC估 計(jì) 方 法 總 結(jié)SOC估 計(jì) 方 法 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 應(yīng) 用 現(xiàn) 狀放 電 試 驗(yàn) 法 準(zhǔn) 確 無(wú) 法 實(shí) 時(shí) 在 線 估 計(jì) 實(shí) 驗(yàn) 室 驗(yàn) 證 用安 時(shí) 計(jì) 量 法 實(shí) 時(shí) 、 簡(jiǎn) 單 、 穩(wěn) 定 受 電 池 初 始 SOC、 效 率及 累 計(jì) 誤 差 影 響 已 在 電 動(dòng) 車 上 應(yīng) 用Prius, EV Plus, DEV5-5開 路 電 壓 法 簡(jiǎn) 單 、 實(shí) 時(shí) 時(shí) 間 長(zhǎng) 、 誤 差 大 ， 需 開路 與

38、其 它 方 法 組 合 使 用負(fù) 載 電 壓 法 實(shí) 時(shí) 、 簡(jiǎn) 單 、 誤 差 大 與 其 它 方 法 組 合 使 用直 流 內(nèi) 阻 法 實(shí) 時(shí) 、 簡(jiǎn) 單 、 兼 測(cè)SOH 誤 差 大 已 應(yīng) 用 于 鉛 酸 電 池交 流 阻 抗 法 實(shí) 時(shí) 、 可 兼 測(cè) SOH、 對(duì) 初 始 SOC 不 敏 感 某 些 等 效 電 路 元 件 缺 乏明 確 的 物 理 意 義 已 應(yīng) 用 于 鉛 酸 電 池人 工 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 法 實(shí) 時(shí) 受 訓(xùn) 練 數(shù) 據(jù) 和 方 法 影 響 開 發(fā) 中卡 爾 曼 濾 波 法 實(shí) 時(shí) 、 對(duì) 初 始 SOC 不 敏 感 、 精 度 較 高 模 型 及 其 計(jì) 算

39、要 求 高 開 發(fā) 中 3 控 制 單 體 差 異 的 方 法 1 均 衡 充 電 法 ： 采 用 脈 沖 電 流 ， 以 期 將 所 有電 流 都 充 滿 ， 只 能 在 充 電 過 程 中 發(fā) 揮 作 用 。 2 分 流 電 路 法 ： 一 旦 本 單 體 被 充 滿 ， 分 流 電路 就 會(huì) 分 流 充 電 電 流 ， 只 能 在 充 電 過 程 中發(fā) 揮 作 用 。 3 開 關(guān) 電 容 平 衡 器 法 ： 通 過 電 容 的 不 同 連 接 ，實(shí) 現(xiàn) 不 同 單 體 間 的 電 壓 平 衡 ， 可 以 隨 時(shí) 使用 。 開 關(guān) 電 容 平 衡 器 法 圖 示 ： 4 電 池 在 電 動(dòng)

40、 汽 車 上 應(yīng) 用 時(shí) 的 其 他 安 全 性 問 題反 應(yīng) 安 全 性環(huán) 境 安 全 性 充 放 電 安 全 性 溫 度 （ 熱 管 理 ）SO C電 流 （ 功 率 ）振 動(dòng)碰 撞針 刺跌 落高 壓 及 絕 緣擠 壓 反 應(yīng) 安 全 性 0 1 2 3 4 5 61520 2530 100011001200 130014001500 Voltage(mV)VoltageTemperatureTemperatur() Time(h) F Temperature G Temperature H Temperature I Temperature 0 50 100 150 200 250 30

41、02025 3035 4045Temperature () Time (min) 單 體 電 池 內(nèi) 外 溫 度 對(duì) 比 電 池 箱 體 散 熱 效 果 熱 管 理 相 關(guān) 研 究 單 體 電 池 內(nèi) 外 溫 度 模 塊 電 池 散 熱 研 究 電 池 箱 體 散 熱 研 究 (流 場(chǎng) 及 溫度 場(chǎng) 分 布 ） 及 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 電 池 箱 體 實(shí) 物 串 行 通 風(fēng) 和 并 行 通 風(fēng)電 池 箱 體 設(shè) 計(jì) 和 散 熱 優(yōu) 化 環(huán) 境 安 全 性 在 非 運(yùn) 行 狀 態(tài) 時(shí) ， 通 過 降 壓 裝 置 將 電 池 箱體 內(nèi) 的 高 電 壓 分 解 ， 避 免 高 壓 隱 患 。 在 整 車 安 裝 時(shí) ， 用 專 用 絕 緣 子 將 電 池 箱 體與 整 車 底 梁 絕 緣 ， 提 高 箱 體 電 壓 安 全 性 。高 壓 及 絕 緣碰 撞 安 全 在 電 池 箱 體 側(cè) 面 加 裝 碰 撞 傳 感 器 ， 在 遭 遇 碰撞 事 故 時(shí) 安 全 系 統(tǒng) 啟 動(dòng) ， 確 保 電 池 箱 體 及 電池 的 安 全 。 電 池 箱 加 強(qiáng) 筋電 池 模 塊 電 池 加 固 壓 板 電 池 箱 加 強(qiáng) 筋 電 池 加 固 壓 板箱 體 內(nèi) 電 池 固 定 示 意 圖車 用 箱 體 內(nèi) 電 池 固 定 示 意 圖電 池 模 塊 抗 振 安 全 性 跌 落 擠 壓針 刺 謝 謝 ！