纯电动汽车能量管理关键技术及高压安全策略研究
摘要
纯电动汽车能量管理系统是纯电动汽车整车能量分配与优化、纯电动汽车动力电池管理系统、纯电动汽车制动能量回收系统的集成。以能量管理为主线，运用模糊控制理论对纯电动汽车能量管理系统的关键技术进行了深入的研究，并将研究成果应用到实际产品中。纯电动汽车高压安全技术是纯电动汽车的关键技术之一。首先，分析了高压安全系统的构成及功能，并针对绝缘检测模块中无源绝缘电阻检测方法的弊端，研究了有源绝缘电阻检测方法。第二，根据纯电动汽车高压安全系统要求设计了纯电动汽车高压安全软启动电路，并应用到实际产品中。
纯电动汽车续驶里程受限是制约纯电动汽车产业化的关键问题，根据纯电动汽车的驾驶特性，将纯电动汽车分为三种驾驶模式，动力模式、经济模式、常规模式。动力模式注重提高车辆的动力性能，电机控制系统对于加速踏板响应更为迅速，驱动电机输出当前转速下更高的转矩值，使得车辆具备更好的加速能力和爬坡能力；经济模式则以最大的续驶里程为控制目标，在满足车辆基本行驶条件的前提下，电池系统、电机系统尽量工作在高效区，最大限度的延长车辆的续驶里程；常规模式为正常驾驶模式。运用模糊控制的方法设计了整车控制器，并经过 Matlab 软件仿真和实车试验来证明结果有效性。
纯电动汽车动力电池管理系统是能量管理系统的核心，其中采集系统是数据信息获取的通道，它的信息准确与否直接影响到车辆的运行安全以及剩余续驶里程的估算。然而针对在信号采集及传输过程中经常出现时滞问题，运用常时滞 T-S 模糊系统状态反馈控制方法，给出了非线性常时滞 T-S 模糊系统的相关稳定性条件，设计了稳定性控制器并经过试验验证，很好的解决了纯电动汽车电池管理系统采集系统数据采集及传输过程时滞问题。针对更为复杂的纯电动汽车远程监控系统中无线图像传输时滞问题，研究了基于 Roesser 模型的二维离散系统稳定性控制理论。
此外，针对纯电动汽车动力电池管理系统采集系统执行器故障可能导致系统不稳定的问题，提出了一种基于 T-S 模糊系统的可靠性控制器设计方案，该控制器采用了不同的控制架构，从而引入更多控制增益矩阵变量，并通过线性矩阵不等式给出可靠控制器设计条件，降低了控制系统的保守性，并通过仿真验证。
纯电动汽车制动能量回收系统能够有效的延长车辆的续驶里程，构建了纯电动汽车制动能量回收系统的模型，应用基于最小制动力分配策略，降低了车辆的能量消耗率，提高了车辆的制动回收能量和能量利用效率，并在双能量型纯电动汽车进行系统建模与仿真。
针对纯电动汽车高压绝缘电阻检测电路特点，分析了无源绝缘电阻检测方法存在的不足，提出了有源绝缘电阻检测方法，该方法有效地解决了正负母线对地对称绝缘电阻无法测量的问题。此外，为保护纯电动汽车高压零部件使用安全，设计了高压软启动电路，并应用于实际产品中。
第 1 章 绪论
1.1 纯电动汽车发展现状
随着十二五《节能与新能源汽车发展规划》 <1> （以下简称规划）的提出，新能源汽车产业化已经成为国家战略。规划明确提出了我国未来十年节能与新能源汽车发展目标。第一，新能源汽车的产业化取得重大进展。到 2015 年，纯电动汽车及插电式混合动力汽车累计销量达到 50 万辆，到 2020 年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车产能达到 200 万辆，累计销量超过 500 万辆。第二，燃油经济性明显改善。2015 年生产的乘用车燃油消耗量降到低于 6.9L/100km，节能型乘用车燃油消耗量降到低于5.9L/100km，2020 年生产的乘用车燃料消耗量降到低于 5.0L/100km，节能型乘用车燃油消耗量降到低于 4.5L/100km。此规划不仅为我国节能与新能源汽车的发展指明了方向，同时对于节能与新能源汽车产业化提出了明确的指标。
进入 2013 年以来，我国多地出现雾霾天气，严重影响了居民的生产生活。据环保部门分析，汽车尾气排放占到整个污染物排放的 25%以上，是诱发雾霾天气的主要原因之一，虽然各个大中型城市都出台了限制机动车行驶及排放的各项措施，但是仍无法解决汽车尾气排放对于大气污染的压力。
我国新能源汽车经过近十年的研发与示范运行 <2> ，已经具备产业化基础，电机、电池、电控等关键技术取得了重大突破。纯电动汽车和插电式混合动力汽车开始规模化投放市场。随着十城千辆计划的推进以及北京奥运会、上海世博会、广州亚运会的成功示范运行，新能源汽车已经逐步为消费者所接受。公交车辆、出租车辆、特定用途公务车辆已经成为新能源汽车产业化的主体。2014 年随着新一轮节能与新能源汽车示范城市的出台，相信会有更多的新能源汽车走进人们的生活。
1）特斯拉异军突起
2013 年，在纯电动汽车市场上最为火爆的车型应为美国电动汽车制造商特斯拉<3> ，其 2013 年累计销售超过 2 万辆，平均单台售价超过 7 万美元，成为高端纯电动汽车市场的领军品牌。从市场定位来看，特斯拉将自己定位为兼顾性能和舒适性的豪华中高级轿车，竞争对手锁定为宝马 5 系等。特斯拉 model S 技术指标如表 1.1 所示。
特斯拉 Model S 最高车速虽然不高，但加速性能良好，续驶里程更是逼近甚至超
过一些汽油车型，且其续航能力已经得到美国环保署的认证。针对在使用中的充电和
电池保养问题，特斯拉有着独到的处理方式。
目前，特斯拉可以有三种模式充电，第一种使用家用插座充电，车辆接入 110V家用电即可，每充电一小时车辆可行驶 31 英里（50 公里）；第二种为车辆快速充电方案，在车主家安装充电设施，充电电压和充电效率有 2 倍增幅，而且车主无需承担费用。第三种则是特斯拉在美国主要高速公路网建立的“Supercharger”超级充电站，车辆充满电只需要一个小时。目前从加州的洛杉矶到旧金山以及华盛顿特区到波士顿的沿线高速公路已经建好超级充电站。
在电池维修保养方面，85kWh 版本特斯拉的电池 8 年无限公里保修，60kWh 版本特斯拉的电池 8 年 20 万公里保修，与汽油车的保修年限接近。对于没时间充电的消费者，特斯拉推出了“Live Pack Swap”电池包更换服务，更换整个电池包只需 90秒，比加油还快两倍，而且车主无需下车。换一次电池包的费用同加满一箱油相当。这种电池快换站会先在加州布置，未来推广至所有的 Tesla 超级充电站。2014 年特斯拉正式进口中国，售价约 71 万人民币。特斯拉的成功在于其准确的市场定位，在高端跑车市场，价格已经不是决定销量的主要因素，相反，拥有一辆特斯拉电动跑车已经成为时尚、环保的代名词。
2）低速电动汽车的兴起
与高端电动汽车市场特斯拉一枝独秀相比，低速电动汽车市场在中国正呈现百花齐放的场景。据统计，山东市场 2013 年 A00 级低速电动汽车销量超过 10 万辆，以时风、唐骏、比德文为代表的低速电动汽车企业单月产销都突破 1000 台，成为行业的领军企业。更为可喜的是，低速电动汽车企业不仅在销量上有所突破，而且在质量上有大幅提高 <4> ，特别是在车辆舒适性、电气安全等方面取得了长足的进步。下面以几家企业的低速电动汽车产品为例，做简单介绍。
3）国内外整车企业量产的纯电动汽车
国内外乘用车整车企业产业化的新能源汽车，大都以混合动力汽车为主，对于纯
电动汽车以概念车居多，只有少数几家企业推出了量产的纯电动汽车。
4）公交车辆成为纯电动汽车产业化的主力军
目前，作为新能源汽车产业化的主力军，纯电动公交车在各个新能源汽车示范城
市承担着重要的角色。
由于公共交通相对于私家车来说，具备线路固定、续驶里程固定、充电方便等特点，因此更有利于新能源汽车的推广应用。
近年来，国家越来越重视发展节能与新能源汽车，2014 年以来，先后公布了 2批节能与新能源汽车示范城市，进一步明确了对于各种类型新能源汽车的补贴标准，优先发展纯电动汽车成为我国新能源汽车发展的技术路线。因此，可以预计未来纯电动汽车将在中国得到良好的发展。
1.2 纯电动汽车产业化关键技术
纵观近十年纯电动汽车产业的发展可以看出，纯电动汽车至今为止还未得到广泛的应用，除了政策层面和基础设施建设方面的缺失外，仍然在技术上存在诸多问题。
1.2.1 动力电池成组及管理技术
1）动力电池的发展进程 <5><6><7><8>
纯电动汽车上使用的动力电池主要包括，铅酸电池，镍氢电池，锂离子电池。锂离子电池又可以分为钴酸锂电池，锰酸锂电池，磷酸铁锂电池，聚合物锂离子电池等。它们之间的主要性能对比参见表 1.5。
在上述各类电池中，铅酸电池的优势是工艺成熟、过放性能良好、安全性好、价格低廉，在电动自行车、电动摩托车、电动船只、低速纯电动汽车上得到广泛应用。但是，由于铅酸电池比能量和比功率较低，不能满足纯电动汽车续驶里程需求，在纯电动汽车上未能广泛应用。镍镉电池具备充放电倍率好的优点，但是镍镉电池具有记忆效应、含镉金属可能污染环境，现已经不在电动汽车上使用。镍氢电池有充放电倍率大、环境污染小、无记忆效应等优点，缺点是镍氢电池电压平台较低，如需满足纯电动汽车动力性和续驶里程需求需要大量电池串并联，使得电池组一致性变差，电池管理系统复杂，制约其在纯电动汽车上使用。锂离子电池有电压平台高、比能量大、充放电效率高、循环寿命长等优点。锂离子电池的能量密度是镍镉电池的3倍；单体电池电压为镍氢电池的3倍，因此能减少纯电动汽车电池组中串并联单体的数量，使得电池组故障概率降低，延长电池组的使用寿命。近年来，锂离子电池以其良好的性能得到了广泛应用，性能上也取得较大的提高，是目前在纯电动汽车上应用最为广泛的动力电池。
上世纪90年代以来，锂离子电池凭借其优越的性在手机、笔记本等便携式设备得到了广泛应用和迅猛发展。随着锂电池的比能量、安全性、生产一致性逐渐提升以及成组管理技术的不断突破，动力锂电池逐渐在电动汽车动力源、通信系统备用电源、电力系统备用电源等领域得到广泛应用。
近年来，锂离子电池技术得到了迅速发展。随着应用的广泛，厂商在正负极材料、添加剂、粘结剂、掺杂和包覆、电解液配方、生产工艺等方面的进行了深入研究，使得产品在能量密度、安全性、功率特性、循环寿命等方面提高明显，锂离子电池的高低温性能也在不断提高。其中，正极材料发展迅速，先后出现了钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等多种电池正极材料。在这些广泛应用的正极材料中，钴酸锂材料具有工艺成熟、比容量高、电压平台高且稳定等优点，在移动电源上应用广泛，但是钴酸锂正极材料安全性能差，成本较高，不适合在电动汽车动力电池领域应用。三元材料是一种高容量的正极材料，电压平台与钴酸锂材料相同，但其循环寿命高，安全性能好，可大电流放电，适合于要求大倍率放电的设备，如电动工具、笔记本电脑和摄像机等，近年来三元材料电池在电动汽车上得到较多应用（比如特斯拉）。锰酸锂材料具有较高的电压平台，低廉的价格，安全性较差和循环寿命短是其缺点。经过近年的改进优化，锰酸锂材料性能得到大幅度的提升，现今具有良好常温循环（300次90％以上）和高温循环（55度300次80％以上）性能，在动力电池领域得到广泛应用。
磷酸铁锂材料是近年来发展最为迅速的一种正极材料，其能量密度较高。
未完...
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