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纯电动车动力体系-文档资料

时间: 2023-03-22   作者: 华体会体育比分

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  1、1纯电动车动力体系纯电动车动力体系李哲李哲清华大学轿车工程系发动机操控课题组清华大学轿车工程系发动机操控课题组2006.12NSSN2 纯电动概述纯电动概述 纯电动动力体系组成纯电动动力体系组成3 动力体系的不同安置办法动力体系的不同安置办法 电机电机 5 电池电池 电池的反响式和根本类型比较电池的反响式和根本类型比较 三类首要实验,放电特性三类首要实验,放电特性 与充电办法与充电办法 BMS的使命的使命 SOC估量办法估量办法 单体差异单体差异 安全性办理安全性办理提纲提纲3概述概述 开展纯电动车的原因开展纯电动车的原因 环境环境 资源资源 方针方针 市场需求市场需求 据国务院开展研讨中心预

  2、测,从2007年我国电力将开端盈利。微型电动轿车在夜间充电有利于我国电力结构优化,假定我国2020年电动轿车、微型电动轿车、电动自行车保有量别离到达50万、500万和2亿辆,以三类电动车年行使路程2万公里、1万公里和5000公里为例核算,夜间充电将为电网供给总装机容量近7%的蓄能设备,为电力工业开展节省出资本钱约1000亿元。到2008年,北京地区的机动车排放将实施相当于欧洲号的规范。北京奥组委在北京奥运举动规划科技奥运建造专项规划中,将电动轿车开发、演示及工业化研讨、动力锂离子电池及要害资料研讨列入要点使命。4动力体系组成:动力体系组成:电池及其办理体系电池及其办理体系电机及其办理体系电机及

  3、其办理体系辅佐子体系辅佐子体系纯电动动力体系组纯电动动力体系组成成5动力体系的不同安置办法动力体系的不同安置办法6电机电机电磁场根本原理电磁场根本原理磁通、磁场强度、磁感应强度、磁导率电&磁:电动势E 磁通势F=NI电流 I 磁通 电流密度I/S 磁感应强度B电阻R=L/rs 磁阻 Rm=L/SI=E/R=E/(L/rs) =F/Rm=NI/(L/S)磁场彼此作用磁场彼此作用两个空间磁场,发生彼此作用力,使得磁力线方向趋于共同。(指南针)磁力线总是喜爱从磁阻小得当地经过。(吸铁)电机原理电机原理电机原理:在空间内发生定子磁场和转子磁场。磁场彼此作用发生扭矩和感生电动势。经过坚持两磁场强

  4、度和相对夹角操控扭矩。电动机 (电能机械能)当扭矩方向与旋转方向相一起输出机械能。此刻感生电动势方向与电流同相,耗费电能。发电机 (机械能电能)当扭矩方向与旋转方向相反时耗费机械能。此刻感生电动势方向与电流反相,发生电能。7电机的数量和安置 选装几个电机? 运用轮毂电机吗? 电机挑选什么类型?直流永磁无刷?四轮独自操控,削减打滑等四轮独自操控,削减打滑等附着附着制动能量收回制动能量收回分量分量 电机的功率曲线电机的功率曲线轮毂电机轮毂电机线控,体积,空间安置线控,体积,空间安置本钱本钱浙江雄霸浙江雄霸 800W直流永磁刷直流永磁刷 单个分量约单个分量约8Kg81 直流电机直流电机如传统轿车用启

  5、动电机 直流电机(经过直流电直接驱动的电机)定子磁场空间固定:经过直流电或永磁体发生转子磁场空间固定:经过电刷转子线圈发生 两空间旋转磁场,当方向夹角90度时,发生最大作用扭矩。电机分类电机分类92 沟通同步电机沟通同步电机 沟通同步电机(转子转速与磁场转速相同)定子磁场空间旋转:经过沟通电定子线圈发生转子磁场空间旋转:经过电刷转子线圈或永磁体发生电机分类电机分类10 励磁同步发电机励磁同步发电机(APU所用发电机)转子经过励磁机励磁(无刷直流励磁),定子感生沟通电11 永磁同步电机永磁同步电机(ISG广泛选用)转子永磁体,定子线 直流磁阻电机直流磁阻电机 磁阻同步电机(多

  6、用于步进电机)定子磁场空间旋转:经过直流电定子线圈发生转子磁场空间旋转:无转子磁场电机分类电机分类134 沟通异步电机沟通异步电机 沟通异步电机(转子转速小于磁场转速)定子磁场空间旋转:经过沟通电定子线圈发生转子磁场空间旋转:经过金属条(鼠笼)感应发生电机分类电机分类14永磁同步电机永磁同步电机永磁同步电机分类 永磁同步(PMSM)转子永磁体构成的空间磁场强度沿周向呈正弦波散布。随转子旋转,定子线圈感生反电动势(bemf)为正弦波。为发生平稳扭矩,定子电流随转角也应为正弦波。NSSN15永磁同步电机分类 沟通无刷(BDCM)转子永磁体构成梯形空间磁场随转子旋转,在定子线圈感生反电动势(bemf

  7、)为梯形波为发生平稳扭矩,定子电流也应操控为梯形波。但不或许发生彻底平稳扭矩输出(只有当bemf为抱负矩形波时)永磁同步电机永磁同步电机16 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)定子导磁资料为铁片,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。永磁同步电机永磁同步电机17电池电池电动轿车工业化开展的瓶颈之一电池电动轿车工业化开展的瓶颈之一18 常见蓄电池的反响式常见蓄电池的反响式 电池类型电池类型 化学反响式化学反响式铅酸铅酸PbAcid镍铬镍铬NiCd镍锌镍锌NiZn

  9、好5090优秀优秀60200十分差十分差015功率密度功率密度(W/kg)差差100150杰出杰出3040好好1501500杰出杰出1502500优异优异100030000低温功用低温功用一般一般杰出杰出杰出杰出差差优秀优秀高温功用高温功用一般一般杰出杰出一般一般一般一般优秀优秀循环寿数循环寿数差差杰出杰出优秀优秀一般一般优秀优秀回忆效应回忆效应无无有有无无无无无无安全牢靠性安全牢靠性好好好好好好差差好好运用本钱运用本钱低低较低较低较高较高高高高高开展现状开展现状商业化商业化商业化商业化商业运用商业运用有运用实例有运用实例有运用实例有运用实例动力电池体系开展现状比较动力电池体系开展现状比较20

  10、蓄电池首要实验蓄电池首要实验功用实验功用实验测验变温度/DOD/充放电速率下的 时间电压 或 时间SOC 等曲线,了解电池的自身特性。随车实验随车实验记载不同转速/扭矩下的电池电压/电流/温度/SOC,优化电池的办理战略,不只用于纯电动车,还用于混合动力车(结合混合动力车辆的构型、能量分配战略和操控算法)。极限实验极限实验在刺穿/热失稳等极限条件下,评价电池的安全性。21电池功用实验:电池功用实验: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改变 放电倍率对电池容量的影响 温度对电池可用容量的影响 隔阂品种对电池荷电坚持特性的影响 恒流特性研讨报导较多,脉冲功用

  11、研讨报导较少恒流特性研讨报导较多,脉冲功用研讨报导较少小容量电池研讨报导较多,大容量电池研讨报导较少小容量电池研讨报导较多,大容量电池研讨报导较少22蓄电池的放电特性曲线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)与放电时间的联络曲线: 放电率越小,曲线.53C电压(V) 放电时间(min)2C4C5C6C7C23如:100Ah额外容量的蓄电池:若c/5速率放电,20A,5h放电结束,则c/10速率放电,即10A放电,则放电时间超越10h;则以1c速率放电时,即100A放电

  12、,则放电时间小于1h。蓄电池的可用容量跟着放电率的上蓄电池的可用容量跟着放电率的上升而有所下降升而有所下降24Optima55Ah Yellowtop Pd-Acid 12V60A恒流放电恒流放电OUR DATA蓄电池的可用蓄电池的可用容量随放电率容量随放电率的上升而下降的上升而下降依据稳态开路电压的SOC估量办法:t=0时 OCV=12.993V SOC=100%t=finish OCV=11.895V SOC=44.75%在在SOC=44.75%时,端电压就下降到了风险的时,端电压就下降到了风险的6.4V25S1:C/6恒流充电直到到达冒气电压(2.4v),堵截充电电流,使得端电压略微下降

  13、到2.2v。S2:75S1电流充电,直到到达冒气电压,堵截充电电流,使得端电压略微下降到2.2v。S3:50S1电流充电,直到到达冒气电压,堵截充电电流,使得端电压略微下降到2.2v。S4: 25S1电流充电,直到电池电压在15min内不再上升停止。S5:进入脉冲均衡充电进程。当S4后电压下降到2.13v时,开端这一进程,一向继续到电池电压在15min内不再上升停止。S6,S7:重复S5,以确保一切的单体都被充溢。S8:涓流充电,以补偿自放电的丢失。只需开路电压低于2.13v时,就开端这一进程,运用c/100的电流或许脉冲电流,一向继续到电池电压在5min内不再上升停止。蓄电池的充电特性蓄电池

  14、的充电特性铅酸电池的非车载多步充电法铅酸电池的非车载多步充电法s1s826 电池功用模型研讨现状电池功用模型研讨现状等效电路模型等效电路模型电化学模型电化学模型神经网络模型神经网络模型27电池办理体系(Battery Management System,本文简称为BMS)是电池组热办理技能和SOC估量技能的运用渠道。BMS关于电池组的安全、优化运用和整车能量办理战略的履行都是必需的。一切的现代电动轿车都装置有BMS。电池办理体系的功用首要包括数据收集、数据显现、状况估量、热办理、数据通讯、安全办理、能量办理和故障确诊。数据收集热办理能量办理故障确诊安全办理数据通讯温度操控电流 电压 温度负载充

  15、电机上位机整车操控器电机操控器等信号流功率流电池办理体系数据显现状况估量蓄电池监测和办理体系蓄电池监测和办理体系28 1 BMS的首要使命使命使命传感器输入的信号传感器输入的信号履行器材履行器材防止过充电池电压,电流和温度充电器防止深放电池电压,电流和温度电动机功率转换器温度控件电池温度冷热空调电池组件电压和温度的平衡电池电压和温度平衡设备猜测电池的SOC和剩下行进路程电池电压,电流和温度显现设备电池确诊电池电压,电流和温度非在线 SOC估量理论SOC核算办法:(1)理论上理论上:SOC=Cr/CtCr:电池在恒流I放电时在核算时间的剩下容量;Ct:电池在恒流I放电时在核算时间的

  16、总容量;30 而而Ct与与I的联络如下核算:的联络如下核算: (1)21121 12 2lg(/ )/lg(/)ntnnCKInttIIKI tI tI1: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31由于电流、温度、自放电、老化等要素对SOC的非线性影响使得在线精确估量电池组的SOC具有很大难度。电动轿车动力电池SOC估量办法首要有放电实验法、安时计量法、内放电实验法、安时计量法、内阻法、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。 (1)放电实验法)放电实验法 放电实验法是最牢靠的SOC估量

  17、办法,它选用规范电流对电池进行恒流放电,当到达放电停止条件时,放电电流与时间的乘积即为电池放电前的剩下电量。放电实验法有两个明显缺陷:电池进行的作业要被逼中止;需求很多时间。所以放电实验法不合适电动轿车上实时运用。 (2)一些实用性办法一些实用性办法32 (2)内阻法 电池内阻R有沟通内阻(Internal Impedance,也称沟通阻抗)和直流内阻(Internal Resistance)之分,它们都与SOC密切相关。沟通阻抗表明电池对沟通电输入的抵抗才能,沟通阻抗受温度影响大,且关于应该在电池平衡状况仍是在充放电进程中进行沟通阻抗丈量存在争议,所以很少运用。直流内阻表明电池对直流电输入的

  18、抵抗才能,等于在同一很短时间段内电池电压改变量与电流改变量的比值。直流内阻法的缺陷是难于在电动轿车上实时丈量,也很少运用。33(3)开路电压法 电池的开路电压OCV(Open Circuit Voltage)与SOC存在单调改变的逐个映射联络。在运用开路电压法前须经过实验得到OCV与SOC的对应联络。开路电压法的明显缺陷是需求将电池长时静置以到达电压平衡,电池从作业状况康复到平衡状况一般需求几个乃至十几个小时,静置时间怎么确认也是一个问题。所以该办法独自运用只适于电动轿车驻车状况。依据作者的研讨经历,即便关于处于平衡状况的镍氢电池运用开路电压法,差错水平也或许大于20%。0.00.20.40.

  19、60.81.011.512.012.513.013.514.014.5开路电压(V) SOC电池开路电压随SOC的改变趋势(80Ah)34(4)负载电压法 负载电压法的原理可由式 阐明:UL为负载电压,IL为负载电流。以不同电流对电池组进行恒流充电,将得到一组以电流符号的互不穿插的SOC与充电电压的联络曲线(如图下左);以不同电流对电池组进行恒流放电,将得到一组以电流符号的互不穿插的SOC与放电电压的联络曲线(如图下中);依据这两组曲线能够得到电流IL、电压UL和SOC的三维对应联络(如图下右),该对应联络便是负载电压法运用的根底。负载电压法的长处是能在电动轿车上实时运用,关于恒流放电的电池对

  20、于恒流放电的电池组有较好的精度组有较好的精度。但电动轿车上剧烈动摇的电池组电压给负载电压法运用带来困难,差错较大。所以负载电压法很少运用到实车上,但常但常用来作为电池充放电截止的判据。电流为零时的负载电压法即为开路用来作为电池充放电截止的判据。电流为零时的负载电压法即为开路电压法。电压法。(,)LLSOCf UI0.00.20.40.60.81.2C1.5C1C0.5C电压/VSOCC/31. 00. 80. 60. 40. 20. 2C1.5C1C0.5C电压/VSOCC/3-200-0.250.50.0

  21、450500550电流/ASOC电压/V35(5)安时计量法假如电池在充放电开始时间t0的SOC为SOC0,那么t时间的SOC由式核算,即为安时计量法的原理,其间CN为额外容量,Eta为库仑功率。由于安时计量法原理简略,作业安稳,是现在电动轿车最常用的SOC估量办法。清华大学核算机系规划的电池办理体系、丰田公司Prius、本田公司的电动轿车EV Plus,通用大宇的电动轿车DEV5运用的都是安时计量法,FCB也运用安时计量法。安时计量法有两个首要缺陷:安时计量法有两个首要缺陷:办法自身不能估量初始SOC;库仑功率难于精确丈量,不精确的库仑功率对SOC差错有累积效应。处理电池初始SOC的问题,目

  22、前一般引进开路电压法或负载电压法来辅佐处理。对库仑功率问题首要是依据很多实验数据进行批改。安时计量法能够根本满意电动轿车电池组SOC估量的需求,可是精度还需进步。FCB对SOC估量精度要求为8%,安时计量法无法在一切电池运用环境都到达该精度。001ttNSOCSOCI dC36(6)神经网络法 神经网络法原理如图所示 神经网络法适用于各种电池,缺陷是需求很多的实验数据进行练习,估量差错受练习数据和练习办法的影响很大,适用范围受练习数据约束,并且在电池办理体系中较难完成。 很多文献运用神经网络估量处于恒流、恒负载充放电状况的电池的SOC。实践电动轿车动力电池的作业状况多样且电流剧烈改变,合适电动

  23、轿车工况的神经网络SOC估量办法还在研讨中。电流温度电压SOC37(7)卡尔曼滤波法卡尔曼滤波理论的中心思维是对体系的状况做出最小方差含义上的最优估量。如式所示,卡尔曼滤波运用于电池SOC估量,电池被电池功用模型和安时计量法描绘为离散的体系,SOC是体系的一个状况,SOCk和SOCk+1别离表明两个接近的详细SOC值。卡尔曼滤波法估量SOC的算法是一套包括SOC估量值和反映估量差错的协方差矩阵的递归方程。与其他办法比较,卡尔曼滤波法的长处是对初始SOC差错不灵敏和更适于电流动摇剧烈的电动轿车运用环境,缺陷是对电池功用模型精度及电池办理体系核算才能要求高。现在,丰田公司、本田公司和福特公司出产的

  24、混合动力轿车运用的电池组SOC估量办法都是电流(安时计量法)结合电压(开路电压法和负载电压法)的估量办法,精度约为10%20%,电池SOC运用范围为0.50.8。各个公司都在不断对自己的电池组SOC估量技能进行改善,由于这是各个公司的中心技能,在揭露文献中,各公司从未对技能细节进行介绍。香港大学、德国乌尔姆大学、德国亚琛工业大学都正在进行电池SOC估量办法的研讨。在上面介绍的多种SOC估量办法中,神经网络法和卡尔曼滤波法是比较有期望的新办法。1,()/(,)kkkNL kLkkkSOCSOCItCUUSOC I T38 电池电池SOC估量办法总结估量办法总结SOC估量办法长处缺陷运用现状放电试

  25、验法精确无法实时在线估量实验室验证用安时计量法实时、简略、安稳受电池初始SOC、功率及累计差错影响已在电动车上运用Prius, EV Plus, DEV5-5开路电压法简略、实时时间长、差错大,需开路与其它办法组合运用负载电压法实时、简略、差错大与其它办法组合运用直流内阻法实时、简略、兼测SOH差错大已运用于铅酸电池沟通阻抗法实时、可兼测SOH、对初始SOC 不灵敏某些等效电路元件缺少清晰的物理含义已运用于铅酸电池人工神经网络法实时受练习数据和办法影响开发中卡尔曼滤波法实时、对初始SOC 不灵敏、精度较高模型及其核算要求高开发中393 操控单体差异操控单体差异的办法的办法 1 均衡充电法:选用

  26、脉冲电流,以期将一切电流都充溢,只能在充电进程中发挥作用。 2 分流电路法:一旦本单体被充溢,分流电路就会分流充电电流,只能在充电进程中发挥作用。 3 开关电容平衡器法:经过电容的不同衔接,完成不同单体间的电压平衡,能够随时运用。40开关电容平衡器开关电容平衡器法图示:41 4 电池在电动轿车上运用时的其他安全性问题电池在电动轿车上运用时的其他安全性问题反响安全性反响安全性环境安全性环境安全性充放电安全性充放电安全性温度(热办理)温度(热办理)SOC电流(功率)电流(功率)振荡振荡磕碰磕碰针刺针刺下跌下跌高压及绝缘高压及绝缘揉捏揉捏42反响安全性反响安全性1000

  27、01500Voltage(mV)VoltageTemperatureTemperatur()Time(h) F Temperature G Temperature H Temperature I TemperatureTemperature ()Time (min)单体电池表里温度比照单体电池表里温度比照 电池箱体散热作用电池箱体散热作用 热办理相关研讨 单体电池表里温度 模块电池散热研讨 电池箱体散热研讨(流场及温度场散布)及优化规划电池箱体什物电池箱体什物43串行通风和并行通风电池箱体规划和散热优化电池箱体规划和散热优化44环境安全性环境安全性 在非运转状况时,经过降压设备将电池箱体内的高电压分化,防止高压危险。 在整车装置时,用专用绝缘子将电池箱体与整车底梁绝缘,进步箱体电压安全性。高压及绝缘高压及绝缘磕碰安全磕碰安全在电池箱体旁边面加装磕碰传感器,在遭受磕碰事端时安全体系启动,确保电池箱体及电池的安全。45电池箱加强筋电池模块电池加固压板电池箱加强筋电池加固压板箱体内电池固定示意图箱体内电池固定示意图车用箱体内电池固定示意图车用箱体内电池固定示意图电池模块抗振安全性抗振安全性46下跌下跌揉捏揉捏针刺针刺47 谢谢!谢谢!

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