1、第二章 纯电动汽车（蓄电池电动汽车）Battery Electric Vehicles(BEV),内容,电池管理发展状况分析电池管理系统分析整车能量管理系统分析整车分析,针对纯电动汽车，电池管理系统不仅能够正确监测使用过程中消耗的量，而且能够预测电池所剩余的电量即剩余电量，并根据汽车的当前行预测汽车的续驶里程，这样可减轻驾驶员的心理负担，以避免半路抛锚。电动车上的电池一般都是采用多个电池串联使用的，串联使用的电池的充放电和单体电池的充放电过程相比较要复杂的多，主要原因就是在电池组内电池的不一致性。电池的不一致性会严重影响电动汽车的性能，因此对单体电池进行均衡也十分重要。,当电池出现过充或过放等
2、异常情况时，电池的专家诊断系统给出报警信号并对充电机或用电设备给出控制信号，同时建立电池的历史档案，根据这些历史档案给出每个电池的健康状态即维护信息，起到电池保健医生的作用。总之，电池管理系统是一个处于监控运行及保护电池关键技术中的核心地位，能给出剩余电量和功率强度预测、进行智能充电和电池诊断安全等功能集合的综合系统。,国外电池管理系统研究状况,1 BADICHEQ系统及BADICOaCH系统BADICHEQ系统是在1991年开始设计的，并于1991年12月首次装车实验，经过不断的实验和修改，于1992年4月达到如下功能：能同时对20个电池单元进行电压测量；能进行电流和温度测量；能根据电池单元
3、对主充电机的充电电流进行控制；能用一个小的充电机对单个电池进行均衡充电；能储存历史数据和与PC机进行数据通信；在仪表盘上显示最差电池单元的剩余电量、电池电流、实际电池电量以及各种异常报警。,国外电池管理系统研究状况,2 BADICOaCH是BADICHEQ系统的改进，它有以下特点：它的一个最重要的特点是在每个电池单元上加一个非线性电路(WLC)来测量电压，并将一个电池组的八个单元电压都通过一条信号线传递给BADICOaCH系统，并在那里解码；装有两条PWM信号输出线来控制充电电流和电压的大小；最差电池单元的剩余电量被显示出来；给最差电池单元以过放保护，给出停止使用信号；对最近24个充放电周期的
4、详细数据进行存贮并允许在对电池好坏作判断时进行快速查找电池基本信息和错误使用情况；与PC机数据传送采用RS232标准。,国外电池管理系统研究状况,3 BATTMAN系统BATTMAN电池管理系统强调了将所有的不同型号动力型电池组的管理做成一个系统，通过改变硬件的跳线和在软件上增加选择参数的办法，来实现对不同型号电池组的管理。之所以要这样作，是根据对不同型号的电池组的管理可分为共同的部分和特殊的部分。而且共同的部分占很大的比重，他认为这些共同的部分是：决定电池能存贮的电流能量；决定最弱电池单元的剩余电量；能影响电池的运行和数据的记录；温度的测量。,国外电池管理系统研究状况,4 EV1的电池管理系
5、统通用汽车公司推出的EV1电动汽车由26个铅酸蓄电池供电，放电深度80，电池寿命是450个深放电周期，113公里市内行驶里程（美国环保局指标，USA EPASchedule），145公里高速公路行驶里程（美国环保局指标，USA EPA Schedule）。EV1的电池管理系统概念定义包括四个组成部分：电池模块（用于汽车驱动和其它用电系统）软件BPM（Battery Pack Module）电池组热系统电池组高压断电保护装置（High Voltage Disconnect）可见，EV1的电池管理系统的核心是BPM。BPM有以下功能：单电池电压监测电池组电流分流采样电池组高压保护（保险丝）,国外电
6、池管理系统研究状况,六个热敏电阻进行温度采样以电池组的平均特性控制充电过放电报警并降低电动汽车行驶性能电量或里程计算，高压回流继电器（High Voltage Bus Relays）总的说来，EV1的电池管理系统与一般意义上的电池管理系统有区别，它把系统侧重点放在了电池组的可靠性（Safety Features）上。EV1电池管理系统的可靠性措施有：电池组高压断电保护装置手动断电开关地线绝缘失效检测自动开关与手动开关连锁,国外电池管理系统研究状况,5 SmartGuard系统这个系统的主要特点是在电池上装有一个分布式的管理装置(用了专用IC)来测量电池的电压和温度，在主控部件有信号来时还可起动
7、电流旁路电路。SmartGuard的主要功能有：过充检测并防止过充；提供放电极性反向报警；电池历史记录和归档；提供最差电池单元的剩余电量信息。,国外电池管理系统研究状况,6 BatOpt系统该系统由每个电池上的监控模块和中心控制单元组成一个分布式系统。通过two_wire总线，监控模块向主控单元报告电池电压、温度等信息，主控单元收集单体电池信息后，提供手动和自动充电策略，它有如下特点：每个模块提供5安培的均充电流；模块有温度监控two_wire总线接口。,一个完整的蓄电池管理系统应该包括以下这些方面:充放电管理均衡充电容量预测电池状态检测,电池管理系统的基本结构,电池管理系统测量单个或小组电池
8、的电压、 温度、 电流和内阻等参数 ,一方面用于防止电池过充、 过放和过热 ,另一方面用来估计或修正 SOC值。系统还需实现均衡控制和其他辅助功能。,对电动车，我们需要通过均衡来使电池获得最大的使用容量。使用时，失衡电池会过早的达到终止电压（尤其在4.1到4.3伏/节之间），从而促使充电机停止充电。单体均衡可以解决这一问题，他可以控制电压较高的电池以使其他电池达到同一水平。用这种方法，充电机直到所有电池都同时达到终止电压时才停止工作。传统的铅酸电池可以通过适当的过充来解决，铅酸电池并不会由于过充而成永久性的损坏。由于过充的能量可以通过析气来释放，析气机制是解决铅酸池均衡的一种很自然的方法。别的
9、化学物质，例如镍氢电池，也可以通过这种法来均衡。由于锂电池不能被过充，不能采用上述这种方法来均衡。因此，我们必须用别的方法。目前国内外主要采用两大类方法：能耗的方法、无能耗的方法。,能耗的均衡方法,利用发热电阻旁路分流旁路分流均衡法对每一节电池都接上一个旁路。在浮充阶段，将那些已完全充满的单体的旁路接通已进行分流。这种系统对那些充电率已知的系统尤其适用。旁路电阻R的大小要刚好能小，则旁路电阻则可对电池单体进行放电。,无能耗的均衡方法,无能耗的均衡方法是利用一个活动的分流元件或电压或者电流转换器件来将能量从一节单体转移到另一节单体。这些器件可以是模拟的，也可以是数字的。两种主要的方法是旁路分流和
10、能量转换。穿梭充电能量转换,穿梭充电均衡机制需要一个设备，它能从某一节单体得到电量、储存、然后将电量转移到另一节单体上。旁路分流有几种具体的分流方案，最著名的便是利用快速电容,电子控制器件接通相应开关以使电容C通过单体B1进行充电，充满后，开关断开。然后合上相应开关以接通电容C和单体B2。由于和存在电压上的差异，于是电量便转送到了B2。用同样的方式，电容C分别接通B3、B4Bn、B1如此循环。高电量的单体将对C进行充电，而低电量的单体将从C获得电量。用这种方法，高电量单体上的部分电量将转移到低电量的单体上。这种方法所需的唯一电子控制器件是一个固定的开关序列，以接通和断开相应开关。,另外一种穿梭
11、充电方法让相邻两节电池共享一个快速电容,能量转换,用能量转换进行单体均衡是采用电感线圈或变压器来将能量从一节或一组电池转移到另一节或一组电池。两种积极的能量转换方法是开关变压器方法和共享变压器方法。,开关变压器,开关变压器方法共享一个与前面快速电容器相同的开关拓扑。整个电池组的电流I流入变压器T，变压器的输出经过二极管D校正后流入单体Bn。这由开关S的设置来决定，此外还需要一个电子控制器件来选择目标电池和设置开关S。,共享变压器和多个变压器,soc常用的方法介绍,1.开路电压法：即通过检测开路电压来得到酸电池的剩余容量与它的开路电压有一定的关系，能够直接得到剩余容量的大小，电动车要求能中准确的
12、显示剩余容量，而充放电进行的过程中开外虽然这种方法能够直接比较准确的得到剩余容量,容量绝对值是随着温度、电池退化等因素变化，使得这种方法一般用于UPS、储能电池，对用于电动车误差较大。,2.恒流电压法:即检测铅酸电池在恒流放电时的端电压。这种方法比较准确。但电动车在行驶时是变负载的，铅酸电池的放电电流是变化而不是恒定的。所以，这种方法应用于电动车能量管理系统中不太合适。,3.内阻法:即通过计算铅酸电池的内阻来推算剩余容量，这种方法实现比较困难，因为电池的工作条件对电池的内阻影响很大，内阻的计算需要考虑电动势的大小、端电压、放电电流值，在电动车的实际工况下，特别是电流变化是很快的，因此计算起来比
13、较复杂，另外在放电的初期，内阻随放电率的变化并不明显，即在电池放电的前期，应用内阻法是不准确的，因此内阻法应用于电动车能量管理系统来计算剩余容量误差较大。,4.检测溶液密度法:即检测铅酸蓄电池溶液的密度，因为铅酸蓄电池的剩余容量跟它的溶液密度有一定的关系，通过溶液密度来得到剩余容量，这种方法准确可靠。但是应用到电动汽车上却不合适，一方面现在电动汽车为了提高抗震性一般采用密封铅酸蓄电池，这种蓄电池检测溶液密度十分困难。另一方面由于充电时产生冒气现象，即水分解成氧气和氢气从正负极冒出，这样使得铅酸蓄电池溶液水分减少，密度增加。这时通过检测溶液密度来得到剩余容量可靠性就差多了。,5.安时法:这种方法
14、基于的原理较为简单，它将电池视为一个密闭的对象系统，并不去研究相对而言较为复杂的电化学反应及电池内部各参数之间的关系，而是着眼于该系统的外部特征，在电量监测中即着眼于进出电池这一密闭系统的电量。该方法采用积分实时测量充入电池和从电池放出的能量，对电池的电量进行长时间的记录和监测，从而能够给出电池任意时刻的剩余电量。该方法较前述的几种方法而言，实现起来较简单，受电池本身情况的限制小，宜于发挥微机监测的优点。但是安时法没有从电池内部解决电量与电池状态的关系，而只是从外部记录进出电池的能量，不可避免的使电量的计量可能因为电池状态的变化而失去精确度，比如电池温度老化因素的影响等。要提高安时法的精度，就
15、必须对这些因素有较好的处理方法，建立相应的电量补偿关系。,蓄电池的充电过程是一个复杂的电化学变化过程，其复杂性表现为：(1)多变量影响充电的因素很多，诸如极板、电介质的浓度、极板活性物的状态、充电环境温度等等，都对蓄电池所能承受的最大充电电流有直接的影响。(2)非线性一般而言，充电电流在充电过程中随充电时间呈指数规律下降，不可能只用简单恒流或恒压控制充电全过程。(3)复杂的电化学性即使是同一类型同一容量的电池，随着各自使用时放电的历史状态不一样，剩余电量的不一样，充电接受能力也有很大的不同。作为给电动车提供动力的电池组，由于使用环境的复杂性，其充放电过程也更为复杂，尤其是过充电和过放电会对电池
16、的结构造成不可恢复的破坏，极大的影响其健康程度和性能。锂电池技术与传统的电池技术相比有很大的性能优势，但对监测系统也有更高的要求。如果控制不当，不仅对电池的结构会造成破坏，还会发生危险。,充电法,恒压充电法,充电装置,多种动力电池充电器的智能切换,2.4 电动汽车能量管理系统,蓄电池的充放电管理 蓄电池管理系统具有保护和诊断蓄电池的作用。 防止蓄电池过电流放电(放电电流大于最大允许放电电流) 防止欠电压放电(放电过程中蓄电池电压低于截止电压) 防止过电流充电(充电电流高于允许的最大充电电流) 防止过电压充电(充电过程中蓄电池电压高于发泡电压) 上述限定值随着蓄电池类型、样式、充放电电流、工作温
17、度和蓄电池老化程度不同而有所变化。,2.4 电动汽车能量管理系统,蓄电池的温度管理 在蓄电池的充放电过程中将电池组的温度保持在正常的工作温度变化范围内。 冷却后或者加热后的空气进人到电池块之间的空隙中，然后从电池托盘底部的缝隙中吹出来。根据蓄电池的温度控制风扇转速可减少能量消耗。,2.4 电动汽车能量管理系统,能量传递 EV由动力电池组提供直流电源，直流电经过控制器、逆变器等电子控制装置，转换成三相交流电来驱动电动机，然后通过减速器、驱动桥和车轮驱动车辆行驶。能量损耗 在电能输送和转换过程中，有各种电能损耗。 在机械驱动系统中，有各种机械损耗。 电动机输出驱动功率=EV行驶时克服各种阻力功率+
18、能量损耗功率，才能保证EV正常行驶。,2.4 电动汽车能量管理系统,再生制动 制动时，驱动轮通过传动系带动以发电机状态工作的电机发电向动力电池充电，从而将车辆制动时的动能转换为电能回收存储在动力电池中。 但再生制动回收的能量是不确定因数，因此不能作为EV可靠稳定的能量来源参与动力性能计算，一般只能有助于延长续驶里程。,2.5 电动汽车车辆管理系统,EV三个子系统1. 电力驱动与传动子系统：由电控单元、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成。2. 能源子系统：由主电源、能量管理系统和充电系统组成。3. 辅助子系统：具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。,2.5 电动汽车车辆管理系统
19、,EV车辆管理 驱动：根据从加速踏板的输入信号进行驱动，电控单元发出相应的控制指令来控制功率转换器功率装置的通断，调节电动机和电源之间的功率流。 制动：根据从制动踏板的输入信号进行制动，能量管理系统和电控系统共同控制再生制动及其能量的回收。 充电：能量管理系统和充电器共同控制充电并监测电源状况。 辅助动力供给：主电源供给EV辅助系统不同等级的电压并提供必要的动力，主要给动力转向、空调、制动及其它辅助装置提供动力。 转向：转向盘输入是一个重要的输入信号，动力转向系统根据转向盘的角位置决定汽车的转向。,2.5 电动汽车车辆管理系统,EV车辆管理图,电控单元,功率转换器,电动机,机械传动装置,能量管
20、理系统,动力电池,辅助动力源,动力转向系统,充电器,空调,转向盘,加速踏板,制动踏板,电力驱动与传动子系统,能源子系统,交流电源,辅助子系统,控制信号线连接,机械连接,电气连接,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车 1996年9月，日本丰田汽车公司研制了RAV4-EV纯电动车样车，1997年10月又推出了其改型车。 该车是 “零污染”和低维护的实用型EV,已在美国批量销售。,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车,总布置图1-动力电池组; 2-减速器; 3-动力控制组件; 4-空调压缩机; 5-DC/DC转换器;6-制动器用电动真空泵; 7-驱
21、动电动机; 8-辅助电池; 9-继电器,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车1. 技术性能参数,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车 2.动力系统 (1)动力电池组 免维护密封型Ni-MH动力电池组，由240节1.2V电池串联。 采用强制性空气冷却，冷却风扇装在动力电池组的前部，对动力电池组的温度进行控制。 动力电池组装在底盘中部和座椅的地板下面，可保证车厢有宽大的乘坐空间。 (2)充电器 车载充电器可随时随地在有电源处进行充电，给用户带来很大方便。,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车 3.驱动系统 采用永磁电动机
22、，效率高，体积小。 电动机前置驱动桥前置，传动装置效率高，体积小，质量轻。 制动时，电动机转换为发电机，将制动能量回收，并转化为电能储存到动力电池组中。 驱动电动机的各种工况全部由动力控制组件调节与转换。,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车 3.驱动系统,电动机驱动桥整体式驱动系统1-电动机外壳; 2-电动机空心轴和右驱动轴;3-电动机转子; 4-驱动桥差速器; 5-左驱动半轴,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车 4. 操纵装置 加速踏板、制动踏板的机械位移量转换为电信号，输送到中央控制器中对整车进行控制。,2.6 纯电动汽车实例分析,丰
23、田汽车公司RAV4-EV纯电动车 5. 控制系统 (1)控制装置 电池管理系统模块对动力电池组的电流、电压和剩余电量进行检测与控制，并控制和调整充电时和再生制动时回收反馈电能的电压与电流，对动力电池组进行自检和报警。 动力电池组的高压直流电通过逆变器转换为三相交流电驱动电动机运转。 动力电池组还向空调系统的压缩机、制动系统的电动真空泵等提供电能，通过DC/DC电流转换器，将动力电池组的高压直流电转换为12V低压直流电，为仪表、照明和车身附件提供电能。,2.6 纯电动汽车实例分析,丰田汽车公司RAV4-EV纯电动车 5. 控制系统 (2)低压电气系统 动力电池组的电能通过DC/DC转换器，输送到12V辅助电池中，作为车身附件、照明和控制系统的电源。 (3)再生制动能量的回收 制动时，驱动电动机转换为发电机，将再生制动的能量转换为电能，反馈到动力电池组中。 试验表明RAV4-EV电动轿车利用再生制动回收的能量，在高速公路上延长续驶里程可达6%，在平坦路面上延长续驶里程可达25%，在起伏不平路面上延长续驶里程可达35%。,
