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1、 毕 业 论 文 题 目： 电动汽车关键技术研究 学生姓名 崔 圣 祥 指导教师 吴钟鸣 二级学院 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化（现代汽车技术） 班级 06机械（汽车） 学号 0605110521 提交日期 2010年05月08日 答辩日期 2010年05月19日 目 录摘 要IIIAbstractIV1 绪 论11.1 电动汽车关键技术研究的背景、意义及内容11.2 国内外的电动汽车关键技术研究的现状及应用11.3 发展电动汽车目前要研究的关键技术22 电动汽车电气驱动系统技术32.1 电动汽车电气系统概述32.2 电动汽车对电气驱动系统的基本要求32.3 驱动电机42.3.
2、1 有刷直流电机42.3.2 三相鼠笼式交流感应电机42.3.3 永磁同步电机52.3.4 开关磁阻电机52.3.5 驱动电机的应用和性能比较62.3.6 最理想的电动机62.4电气传动系统功率半导体器件82.4.1 功率半导体器件的选择准则82.4.2 功率半导体器件82.5 电动汽车电气系统的控制技术92.6 样车的电气控制系统102.7 电动汽车电气系统技术展望123 电动汽车的能源管理系统技术133.1 电动汽车对电池性能的要求133.2 现有的符合电动汽车用电池及管理系统143.3 动力电池技术前景展望153.4 电动汽车的充电技术174 电动汽车的电动转向、制动及其他系统技术194
3、.1 电动汽车的转向系统技术194.1.1 电动助力转向系统概述194.1.2 电动助力转向系统的分类194.2 电动汽车的制动系统技术214.3 电动汽车其他常见及需要注意的技术224.3.1 电动汽车再生制动控制系统224.3.2 电动汽车传动装置概述225 仿真模型Simulink控制方法对电动汽车整车模型的简单运用236 结 论26参考文献27致 谢28电动汽车关键技术研究摘 要近些年来环境污染和对能源的大量需求日益显现甚至可以上升到是对人们出行方便和生存的威胁，曾经出现过的电动汽车顺理成章的又重新成为焦点，它不排放污染大气的有害气体，使用过程中不消耗传统能源。本论文首先对电动汽车的定
4、义、意义、研究重点、研究状况进行介绍，重点在于后面研究它的关键技术，具体介绍电机驱动系统技术、能源管理系统技术以及电动转向、制动及其他系统技术，最后使用仿真模型Simulink控制方法简单的对电动汽车整车模型进行仿真演示。关键词：研究；电气系统；能源管理；电动转向；仿真模型Key Technologies of Electric VehiclesAbstractIn recent years a large number of environmental pollution and growing demand for energy even show up to is that people
5、 travel convenience and survival threat, there have been logical for electric cars once again become the focus, it does not pollute the atmosphere of harmful gas emissions, use process does not consume traditional energy sources. This article first introduced electric vehicle definition, significanc
6、e, research priorities and research status of introduction，the latter study focused on its key technologies, specifics of motor drive system technology, energy management system technology Yiji electric steering, braking and other systems technologies, the final Simulink simulation model control met
7、hod using a simple model of the entire vehicle simulation demonstration.Keywords: Reseatch;Electrical systerm;Energy Management;Electric Power Streer-ing;Simulation Model1 绪 论1.1 电动汽车关键技术研究的背景、意义及内容电动汽车按驱动方式可分为纯电动汽车（由电动机驱动的汽车，电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或其他能量存储装置）和混合动力电动汽车，其中后者布置方式又可分为串联、并联以及混联。在中国，通过“九五”、“十
8、五”和“十一五”期间国家科技计划的持续支持和能源基金组织等国际社会的帮助，电动汽车技术的开发及产业化工作得以不断深入，并得到国际社会的广泛认可。2008年北京奥运会、残奥会期间，国内汽车企业联合高校和研究机构提供了自主研发的各类新能源汽车共达598辆，组成了奥运历史上最大规模的节能与新能源汽车示范应用车队，在奥林匹克公园中心交通区首次实现了汽车温室气体零排放。电动汽车是在减少对化石燃料依赖和环境污染的同时，确保人类移动灵活性和实现汽车产业可持续发展的有效路径。1.2 国内外的电动汽车关键技术研究的现状及应用为扩大汽车消费，加快汽车产业结构调整，推动节能与新能源汽车产业化，2009年1月13日，
9、科技部牵头并会同财政部等部委发布文件，决定在北京、上海、重庆等13个城市开展节能与新能源汽车示范推广试点工作，以财政政策鼓励在公交、出租、公务、环卫和邮政等公共服务领域率先推广使用节能与新能源汽车，对推广使用单位购买节能与新能源汽车给予补助。2009年3月20日，国务院在正式发布的汽车产业调整和振兴规划中，提出了以新能源汽车为突破口，加强自主创新，培育自主品牌，形成新的竞争优势，促进汽车产业持续、健康、稳定发展的指导思想。 我国在电动汽车领域与国外发达国家的差距小于传统汽车的差距，但国外著名的研发机构、大学以及跨国公司的企业集团，在汽车领域的研究工作具有深厚的积累，在电动汽车领域开展过大量卓有
10、成效的研究开发工作，具有先进的开发手段和丰富的实践经验。在我国电动汽车产业的发展过程中，了解、学习和借鉴他们的开发能力和经验，探索以国际合作的形式开展电动汽车关键技术开发的道路，对于促进我国电动汽车的快速发展具有积极的意义。目前对于电动汽车的民用，绝大多数是混合动力汽车，比如丰田的普锐斯和比亚迪的F3、F6等。值得一说的是比亚迪E6已获准生产，有望今年上半年上市，E6是一款纯电动四驱汽车，可使用220V民用电源慢充，快充为3C电，15分钟左右可充满电池80%，续航能力达到300公里，是目前世界上续驶里程最长的纯电动车。预售价在30万元左右。除了比亚迪，奇瑞日前宣布今年将推出数款新能源车。此外，
11、上汽、东风、吉利、广汽丰田、东风日产等车企也都表示会在今年推出新能源车。1.3 发展电动汽车目前要研究的关键技术纯电动汽车的组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。那研究电动汽车的关键技术就得从上面谈到的各个方面着手。至于电动汽车的其他装置，则基本与传统的内燃机汽车类似。所以本论文将挑选电动汽车的电机驱动系统、能源管理系统、电动转向、制动及其他系统进行研究与阐述，并借助于仿真模型Simulink控制软件在电动汽车上作一项简单
12、仿真运用。2电动汽车电气驱动系统技术2.1电动汽车电气系统概述电气驱动系统是电动汽车的心脏,主要由驱动电机、功率转换器和电子控制器等三个子系统构成,如图1所示。驱动电机是电能与机械能的转换装置;电子控制器包括传感器、电气连接电路和微处理器,实现信号采集、转换、传输和处理;功率转换器在驱动和能量再生程中,对能量源和电机之间的能量流进行调节。图1 电动汽车电气驱动系统基本组成2.2 电动汽车对电气驱动系统的基本要求（1)有足够大的起动转矩,以满足电动汽车快速启动、加速、爬坡、频繁启/停的要求,通常电机的过载系数应达34。 (2)电机的调速范围大,一般在25%100%最大转速范围内,近似有小转矩、恒
13、功率的输出特性,满足电动汽车最高车速和公路巡航行驶工况的要求。 (3)比功率大,以最大功率计时,一般应达(11.25)kw/kg. (4)具有良好的效率特性,在较宽的转速/转矩范围内,获得最优的效率,提高一次充电后的持续行驶里程,一般要求在典型的驾驶循环区,获得85%93%的效率。 (5)再生制动时的能量回收率高。 (6)快速的转矩响应特性,在各种车速范围内能快速而柔和地控制驱动和制动转矩;在多电机系统中,要求电机可控性高、稳态精度和动态特性好。(7)具有良好的环境适应性,在不同的工作条件下能可靠地工作。 (8)单位功率系统成本低,目前电气驱动系统的成本约为$10/kw,其目标要达到$4/kw
14、。 (9)维护简单,工作噪声低。2.3驱动电机电动汽车对驱动电机的要求与常规工业电机不同,工业驱动电机通常优化在额定的工作点,一般只根据典型的工作模式进行设计;而电动汽车驱动电机通常要求能够频繁地启动/停车、加速/减速,低速或爬坡时要求高转矩,高速行驶时要求低转矩,电机变速范围大、过载系数高,通常应根据车型和驾驶习惯进行设计,电动汽车驱动电机分类如图2所示。图2 电动汽车电机分类2.3.1 有刷直流电机有刷直流电机采用斩波控制器的控制方式,控制技术简单、成熟,成本低,但效率低、体积大、比功率低等缺点。由于存在电刷和机械换向器,电机的最高转速和承载能力的进一步提高受到限制,同时电机损耗主要在转子
15、上,使得电机散热困难;电刷在工作中产生的电磁辐射干扰,对车辆的电子控制系统也产生一定的影响,因而在现代高性能电动汽车上的应用正逐渐减少。2.3.2三相鼠笼式交流感应电机随着先进的电机、电子电气元件、微电子技术及控制技术的发展,许多新型的电动汽车驱动电机不断得到开发,其中三相鼠笼式交流感应电机应用最广。 与直流电机相比,三相鼠笼式感应电机不仅具有低成本、高效率、可靠性好、免维护、易冷却和结构坚实可靠等优点,而且通过适当的控制技术使得它可获得类似于直流电机的良好的调速特性,因而在电动汽车电气驱动系统中得到广泛应用。 感应电机主要存在着耗电量大,转子易发热,调速性较差,控制系统较复杂,成本高的缺点。
16、变频变压控制VVVF与磁场定向矢量控制FOC是两种常用的控制技术,另外直接转矩控制 (DTC)也是一种很有前途的感应电机控制技术。2.3.3 永磁同步电机电动汽车的永磁同步电机包括永磁无刷电机、无刷直流电机(BDCM)和三相永磁同步电机(PMSM)。 无刷直流电机显著的优点是无电刷,消除了由于电刷带来的许多问题,但驱动系统比较复杂,通常采用方波电流控制的无刷直流电机比较容易实现电机的驱动和控制,效率高,在相同转速下,电机输出转矩比三相永磁同步电机的大15%,但电机的工作噪声和输出转矩波动都比三相永磁同步电机大。 永磁同步电机结构与感应电机相似,用永久磁铁替代了相应的感应电机的励磁绕组线圈,电机
17、的工作原理与励磁交流同步电机相同,电机感应电动势波形和供电电流均为正弦波,稳态下电机的电动势和转矩不随转速变化,采用逆变器和带微处理器控制模块的变频控制技术,向电机提供正弦波形的三相交流电,由正弦波定子电流和正弦反电动势相互作用产生转矩,电机转子与旋转磁场同步旋转,旋转磁场的转速取决于电源频率大小。与前两种电机相比,永磁同步电机系统效率较高,电机体积较小、重量较轻、功率密度大、可靠性高和免维护等优点。但永磁材料价格昂贵,生产体积更小、质量更轻的大功率的PMSM和BDCM还有一定的技术难度,随着永磁材料价格的下降和电机控制技术的不断开发和应用,永磁同步电机将是感应电机在现代电动汽车驱动系统中最强
18、有力的竞争对手。2.3.4 开关磁阻电机开关磁阻电机是一种由磁阻电机与电子开关驱动控制电路组成一体的新型调速电机,电机兼有直流和交流调速的优点,结构简单、体积小、坚固、成本低、可靠性高、起动性好,适合于频繁正反转及冲击负载等工况条件;但由于它低速输出转矩波动大,工作噪声高,而且驱动系统复杂、控制器价格高等,限制了当前它在电动汽车上的应用。开关磁阻电机在今后电动汽车上的应用仍值得特别关注。2.3.5 驱动电机的应用和性能比较 电机技术随着现代设计技术的进步,特别是新材料技术、功率电子和微电子技术以及计算机辅助设计技术的发展也在不断发展,表1和表2分别列出了部分国外电动汽车产品上各种驱动电机的应用
19、情况和驱动电机的性能对比。2.3.6 最理想的电动机电动汽车专用的电动机，通过从电池中获取的有限的能量产生动力，所以要求其在各种环境下的效率都要很好。因而，在性能上的要求比工业上要严格得多。这里，对电动汽车用电动机所要求的主要特性做一个归纳和整理。1.由高速化而生的小型轻量化（坚固性）在车辆上搭配方面匹配外，电动汽车用电动机的体积、重量应为一般工业用电动机的1/2。2.高效性务必使一次充电的续航里程尽可能的长，尤其是行驶模式变换频繁的轻负载的情况下，电动机和控制装置的总效率也需要进一步提高。因而，在控制层面上的研究也是很有必要的。3.低速大转矩情况下的大范围内的恒定输出特性在电动机单体中，能够
20、满足必要的转矩特性。4.寿命长以及高可靠性 轮毂电动机中的振动达到了20g左右，即使在汽车上也达到了3到5g的振动，在任何环境中确保高安全性都是最重要的而不采用速度位置传感器的控制，则被认为是能够提高可靠性的。5.低噪声性考虑到环境和乘坐舒适性，人们都是期望噪声尽可能的小。6.成本低廉为了便于普及，成本的降低时必不可少的。能够满足以上所述特性的电动机才适合作为电动汽车专用的电动机。但是，现实中全部满足以上特性的电动机还没有被开发出来，希望在不久的将来这种最理想的电动机能够研发出来。表1 驱动电机在部分电动汽车产品的应用表2 电动汽车常用驱动电机性能比较2.4电气传动系统功率半导体器件功率半导体
21、器件特性对电动汽车可靠性有很大的影响,在现代电动汽车驱动系统设计中,根据电气驱动系统的要求,深入了解器件的性能、选择合适的器件、提高功率变换器的效率对设计性能优良的电气驱动系统具有重要的意义。2.4.1 功率半导体器件的选择准则功率半导体的选择主要是基于所需的额定电压、额定电流、开关频率、能量损耗及其动态特性来考虑。额定电压的确定取决于蓄电池的额定电压、充电电压和再生充电的最大允许电压。一般电动汽车蓄电池电压为300V,充电电压最大可达370V,而再生充电过程中,电池电压可能上升到400V左右,选择的功率半导体器件额定电压一般为600V。额定电流大小取决于电动汽车驱动电机的输出功率和并联的功率
22、器件数量,以及器件工作温度的限制和其它安全因素,多个功率器件并联时,额定电流可以选择较小一些。开关频率必须足够大,以提高功率变换器装置的功率密度,提高变换器的整体效率,降低逆变器的音频噪声,但开关频率过大也会带来开关能量损耗的增加,使电路的效率降低,产生严重的电磁干扰噪声。目前,电动汽车普遍采用脉宽调制(PWM)方式的逆变器,理论上开关频率大于18KHz就能除去音频噪声,在实际操作中,开关频率一般选择10KHz也基本能满足对逆变器效率、噪声和电磁干扰的要求。功率半导体器件的动态特性则取决于是否有高的dv/dt和di/dt,器件的输入阻抗高、输入电容小,使得器件所需的驱动功率很小,此外,要求功率
23、半导体器件工作可靠性高、尺寸小、性价比高。2.4.2 功率半导体器件 随着微电子技术和电力电子技术的共同发展,新一代高频化、全控型的功率集成半导体器件不断出现,如:可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(BJT)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)、MOS栅控晶闸管(MCT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等。可关断晶闸管(GTO)由于开关频率较低、关断增益小,需要专门的关断增益电路,难以满足电动汽车电气驱动控制系统的工作要求。电力晶体管(BJT)是一种三层的双极型全控器件,具有控制方便、开关时间短、高频特性好、通态压降低等优点。功率场效应晶体
24、管(MOSFET)是一种单极性器件,具有开关时间短、工作频率高、热稳定性好、抗干扰能力强的优点,栅极驱动电路简单,但额定电流较小,多采用并联连接的工作型式。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)把电力晶体管与功率场效应晶体管集成在一个芯片面上,构成一种新的符合器件,它综合了电力晶体管与功率场效应晶体管的优点,具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、驱动电流小、耐压高和承受电流大、安全工作区宽、性能稳定、工作可靠性大等优点。从目前现代电动汽车电子技术发展情况看,静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)由于工艺性复杂,仍难以达到实用化的要求;电力晶体管(BJT)、功率场效应晶体管 (MOSFE
25、T)、绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)在电动汽车电气驱动系统中已得到了广泛的应用,但电力晶体管 (BJT)正逐渐被绝缘栅双极型晶体管(IGBT)取代;功率场效应晶体管(MOSFET)适合于功率较小的电动汽车电气驱动控制系统,而随着MOS栅控晶闸管(MCT)性能的进一步提高和价格的降低,它将成为未来最有发展的功率半导体器件。2.5 电动汽车电气系统的控制技术控制技术对电动汽车系统性能有非常大的影响,同一台电机由于控制方式不同,输出也就大不相同。对低速小功率的微型电动车来说,由于性能不高,一般采用简单的开环控制方法。但是,对高性能的电动汽车,除了要研究先进的电动机外,还要研究先进的电机控制方法。传
26、统的线性控制,如PI和PID控制,已经很难再适应高性能驱动系统的严格要求了。近几年,出现了许多现代控制技术。目前, 那些在常规驱动领域中的一些控制方法,如变压变频(VVVF)、矢量控制(VC)、模型参考自适应控制 (MRAC)、直接转矩控制(DTC)和变结构控制 (VSC)等等都已被广泛地移植到电动汽车的控制系统中来,并取得了良好的效果。但是电动汽车的驱动系统以及控制有其自身的特点,如要求电机能够工作在恒转矩区和恒功率区,并同时保持高效率、调速范围大、动态性能要求高等等。从目前的实践来看,对于感应电动机,矢量控制技术最好。采用矢量控制,对定子电流两分量实行解耦,可以象直流电机那样分别控制转矩和
27、磁通,获得快速响应和精确控制的高性能驱动系统。由于转子电阻随运行温度的急剧变化而影响磁场定向的准确性,故目前的研究方向开始转到以定子磁场定向的矢量控制中去。通常的控制系统往往安装有速度传感器,以获得必要的反馈信息。但对电动汽车来讲,主要控制的是电机的转矩。另外,速度传感器的存在不但使驱动系统结构复杂,而且也增加了系统的成本,降低了可靠性。因此,在电动汽车驱动系统中,直接转矩控制无速度传感器的感应电动机调速系统无疑具有良好的发展前景。前面还出现的智能控制技术,如模糊控制,神经网络和专家系统也开始应用于电动汽车的驱动系统中。所以,现代控制技术,特别是智能控制技术的使用,使电动汽车驱动系统具有高度的
28、智能化。2.6 样车的电气控制系统图3 实验室用样车图片样车的电气控制系统主要由电机驱动电路、轮毂式无刷直流电机、外部指令输入及电机信号反馈电路、主控电路和蓄电池组成。其结构框图如图4所示。图4 电气控制系统框图电气控制系统的现场配置如图5所示，其中两个10000pF，耐压200V电容作为蓄电池的滤波电容，能在电动汽车启动时起到瞬间提供大电流，蓄电池电压稳定的作用。图5 电气控制系统实物图驱动电路在整个控制系统中起到关键作用，其性能直接决定了电动汽车能否运行。它主要包括光藕隔离、驱动控制芯片和驱动芯片。其中，驱动控制芯片是IR213O，驱动芯片是I盯P260N。在实际调试过程中，驱动芯片常常会
29、发生击穿，甚至驱动控制芯片损坏，所以设计时要特别注意它们之间的参数关联性，具体需要注意的问题参见IR公司的设计指南DT98一2。本文经验总结得出，驱动芯片的损坏大部分是由于MOSFET的漏极与源极之间通过瞬间大电流引起的，特别是离过流保护电路越远的管子越容易烧毁，这些都需要在PCB板布线设计时予以精心考虑的。本样车驱动电路的实物如图6所示。图6 驱动控制实物图2.7电动汽车电气系统技术展望(1)电力电子器件的性能影响电动汽车的可靠性,采用新型电力电子器件和微机控制及数字信号处理器,通过软件实现全数字化控制是电气驱动系统主要的发展方向。(2)应用交流电机是电气驱动系统必然发展趋势,直流电机的应用
30、逐渐减少,感应电机应用广泛,永磁同步电机的应用最具有发展前景,开关磁阻电机的应用值得特别重视。(3)MOSEF适合于开关频率高、小功率的控制器,大功率管选IGBT;随着MCT性能的继续提高并达到商用时,MCT必将成为电气系统功率控制器的首选器件。3 电动汽车的能源管理系统技术能源管理系统是电动汽车的智能核心。一辆设计优良的电动汽车，除了有良好的机械性能、电驱动性能、适当的能量源（即电池）外，还应该有一套维持电动车所有蓄电池组件的工作，并使其处于最佳状态；采集车辆的各个子系统的运行数据，进行监控和诊断；控制充电方式和提供剩余能量显示等职责的能量管理系统。能源管理系统研究与开发不仅要建立包括蓄电池
31、在内的电动车的数学模型而且要开发以微处理器为核心的电子控制单元。图7 电动汽车能源管理系统3.1 电动汽车对电池性能的要求电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。要使电动汽车具有竞争力，就要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。目前面临最关键的电池技术问题是：1. 极低的电池能量密度。汽油的能量密度是1.2万Wh/kg，而目前通常使用的铅酸电池能量密度不足40Wh/kg。近年来，其他类型电池，如空气电池等的开发虽有进展，但是在价格、性能、工艺性等方面欠成熟，近期无法实现量产。2. 过重的电
32、池组。尽管在车身设计方面采取了诸如玻璃钢车身等技术以尽可能减轻整车质量nc.moc.enilnosmm.www，但是，电池过重的自身质量仍会使一部电动汽车的总质量较同样大小的内燃机汽车重。3. 有限的续驶里程与汽车动力性能。由于电池的能量密度较低，电池组的质量过大，因此，即使电动汽车动力系统的效率很高，使用铅酸电池的电动汽车一般一次充电的续驶里程也只有100km左右（使用太多电池组除外）。由于电池性能差，电动汽车的动力性能无法达到当前内燃机汽车的水平。4. 电池组昂贵的价格及有限的循环寿命。一辆载容量20人的轻型电动客车电池组的价格高达2万元人民币，以现有电池的循环寿命（假定为800次充放电循
33、环）计算，电动汽车行驶6万km就需更换电池。高昂的运行成本难以让市场接受。5. 汽车附件的使用受到限制。由于电动汽车所能携带的电能有限，所以在车上对电能的使用必须注意节省，车内空调和暖风的选用必须充分考虑其对电动汽车续驶里程的影响。除此之外，动力转向、真空助力器、主动（半主动）悬架以及其他一些车载电器使用也受到限制。因此，乘员的舒适性受到影响。上面提到的问题也就是电动汽车对电池性能的要求，能够很好的解决是当今各大汽车厂商和研究院研究的重点。3.2 现有的符合电动汽车用电池及管理系统到目前为止，电动汽车车用动力蓄电池经过3代的发展，已取得了突破性的进展。第1代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池（
34、VRLA），由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前唯一能大批量生产的电动汽车用电池。第2代是碱性电池，主要有镍锅、镍氢、钠硫、铿离子和锌空气等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。只要能采用廉价材料，电动汽车用锉离子电池将获得长足的发展，目前关键是要降低批量化生产的成本，提高电池的可靠性、一致性及寿命。第3代是以燃料电池为主的电池。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且、可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池。表3为各种车用电池的性能比较。表3
35、 各种车用电池的性能比较从目前车用电池的发展来看，镍氢电池可能是电动汽车动力能源的首选电池，它已经规模化生产MMS版权所有，性能稳定，其质量比、体积比功率、电池寿命和重复充放电次数方面均已达到USABC（美国先进电池联合会）性能指标。从产品规模化、生产程度和发展前景看，有可能成为电动汽车车用电池的潜在竞争者，其容量大、体积质量小的优点正符合现代电动汽车的要求。另外，燃料电池的应用前景乐观。随着电化学技术的进一步发展，燃料电池可能成为电动汽车的主要能源之一。其他尚在实验阶段的电池如飞轮电池、太阳能电池，有着寿命长、环保等优点，在未来的车用电池中也必将占有一席之地。数据采集是电池管理系统所有功能的
36、基础，需要采集的信息有电池组总电压、电流、电池模块电压和温度。电池状态估计包括SOC估计和SOH（State of Health）估计，SOC提供电池剩余电量的信息。SOH提供电池健康状态的信息。目前的电池管理系统都实现了SOC估计功能，SOH技术尚不成熟。热管理指BMS根据热管理控制策略控制电池组热管理系统的工作，以使电池组处于最优工作温度范围。数据通信是指电池管理系统与整车控制器、电机控制器等车载设备及上位机等非车载设备进行数据交换的功能。安全管理指电池管理系统在电池组的电压、电流、温度、SOC等出现不安全状态时给予及时报警并进行断路等紧急处理。能量管理是指对电池组充放电过程的控制，其中包
37、括对电池组内单体或模块进行电量均衡。故障诊断是使用相关技术及时发现电池组内出现故障的单体或者模块。电池管理系统的核心数据处理和计算功能一般由单片机来完成，其构成原理如图8所示。 电压 热管理 电流 均衡 温度 充电机 整车网络中央处理器通信接口A/D接口电路信号调整I/O 输出执行电路图8 电池管理系统的构成原理3.3 动力电池技术前景展望各种形式的电动汽车，包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车都在不断发展之中，电动汽车动力电池也在不断发展和竞争之中。电动汽车的发展和动力电池的发展是相互影响，相互促进的，常用的电池性能如图9所示。图9 电动汽车常用动力电池的性能对于各种动力电池，还无
38、法断言哪一种动力电池一定会取得未来电动汽车动力电源市场的主导地位，但可以对各种动力电池的发展潜力和前景进行展望，性能是影响电动汽车动力电池市场前景最重要的因素，成本、寿命和可靠性也是影响动力电池在市场中地位的重要指标。铅酸电池的性能虽然没有什么优势，但是由于技术成熟，价格便宜，使用安全，仍会在电动汽车动力能源上占有一定的市场。镍氢电池和锂电池是被人们寄予厚望的两种电池。两种电池都会在未来继续发展，它们在电动汽车上的竞争也会越来越激烈。镍氢电池污染小、寿命长，在目前商用化得混合动力汽车上使用最多，大量的电动汽车应用实践证明了镍氢电池的安全性和可靠性。虽然性能指标不如锂离子电池，但镍氢电池仍然会是
39、今后很长时间应用广泛的电池之一。锂离子电池是电动车电池发展的远期目标，在第九届国际锂离子电池会议上，报道了不少研究进展和成果信息。美国SAFI公司作为PNGVG一部分的锂离子电池研究，正从各个方面向USABA的远期目标靠近，如比能量、功率密度、循环寿命等，只有价格（3KWh电池， $150/KWh.）仍未达到目标。日本已开发成功移动用400Wh级单电池和3Wh电池组模块，以及静态型250Wh单电池和2KWh级电池模块。锂离子的化学和物理特性带来了锂离子电池电压高、重量轻、能量密度高和能量效率高的突出优势，所以说锂离子电池在各种动力电池中最具有发展潜力。另外,燃料电池的应用前景乐观。随着电化学技
40、术的进一步发展,燃料电池可能成为电动汽车的主要能源之一。其他尚在实验阶段的电池如飞轮电池、太阳能电池,有着寿命长、环保等优点,在未来的车用电池中也必将占有一席之地。3.4 电动汽车的充电技术充电器作为电动汽车的能量补给装置，其充电性能关系到电池组的使用寿命、充电时间。实现对动力电池快速、高效、安全、合理的电量补给是电动汽车充电器设计的基本原则，另外，还要考虑充电器对各种动力电池的适用性。图10 变脉冲快速充电系统组成图11 充电电流脉冲该快速充电器根据实时检测到的电池组的端电压、充电电流、温度、动态内阻等信息，按照马斯充电定律，通过采用智能控制算法实施对充电电流脉冲宽度T、间歇时间T、放电电流
41、脉冲T的分段调节，以消除被充电电池组的电极化现象，使电池组时刻处于较佳的电流接受状态，提高充电速度和充电效率。具体调节过程是，首先用较宽的充电脉冲进行充电，蓄电池的端电压上升，当到达充电时间T时，充电器暂停充电，当充电间歇时间达到T时充电器继续充电，如此反复；当电压上升到设定的电压值V时，根据程序的设定，减小充电脉冲占空比，并给蓄电池充电，当电池端电压达到设定值V时，充电器间歇暂停充电；根据反馈电压自动调节输出脉冲的占空比，经过短时间停止充电，蓄电池的极化电压迅速下降，如此反复循环，直至达到蓄电池组的充电终止电压V。该快速充电器首次实现了按照被充电电池的实际充电状态(电流、电压、温度、动态内阻
42、等)对脉冲充电器充电脉冲实施智能化的实时调节，将充电器和被充电电池上升为一个系统问题综合考虑，通过引入智能化调节算法，使该充电器具有更广泛的适用性。 图12 典型的地面充电站充电器图12为一典型的地面充电站中充电器的方案，该充电器由一个能将输人的交流电转换为直流电的整流器和一个能调节直流电功率的功率转换器组成，通过把带电线的插头插入电动汽车上配套的插座中，直流电能就输入蓄电池对其充电。充电器设置了一个锁止杠杆以利于插入和取出插头，同时杠杆还能提供一个确定已经锁紧的信号以确保安全。根据充电器和车上电池管理系统相互之间的通讯，功率转换器能在线调节直流充电功率，而且充电器能显示充电电压、充电电流、充
43、电量和充电费用等。4 电动汽车的电动转向、制动及其他系统技术4.1 电动汽车的转向系统技术4.1.1 电动助力转向系统概述电动助力转向系统的关键技术主要包括硬件和软件两个方面。硬件技术主要涉及传感器、电机和中央处理器。传感器是整个系统的信号源，其精度和可靠性十分重要。电机是整个系统的执行器，电机性能好坏决定了系统的表现。ECU是整个系统的运算中心，因此ECU的性能和可靠性至关重要。软件技术主要包括控制策略和故障诊断与保护程序两个部分。控制策略用来决定电机的目标电流，并跟踪该电流，使得电机输出相应的助力矩。故障诊断与保护程序用来监控系统的运行，并在必要时发出警报和实施一定的保护措施。据预测，除了
44、在电动汽车是上应用以外，在未来的内燃机和其他动力的车辆中，电动助力转向系统使用的数量会愈来愈多。4.1.2 电动助力转向系统的分类电动助力转向系统可分为以下四大类：液压电动助力转向系统（Electro-Hydraulic Power Steering，EHPS）；电动助力转向系统（Electrically Power Assisted Steering，EPAS或EPS）主动前轮转向系统（Active Front Steering，AFS）线控电动转向系统（Electric Power Steering by wire,EPS-by wire或Steering By Wire，SBW）图13液
45、压电动助力转向系统液压电动助力转向系统（如图13所示）的特点是：转向助力系统仍然采用液压驱动控制方式，但是，液压油泵不是由发动机驱动，而改成由智能电控单元ECU控制的高性能直流无刷电动驱动。它可根据转向需要向液压转向助力器提供压力油。与传统转向助力系统相比，根据不同的车型，油耗大约可以降低3%，而且车辆的操纵性能也有提高。电动助力转向系统（EPS）作为传统液压系统的替代产品已经进入汽车制造领域。EPS不仅适用于小型汽车，而且某些12V中型汽车也适于安装电动系统。EPS系统包含下列组件（如图14所示）：力矩传感器，检测转向轮的运动情况和车辆的运动情况；电控单元，根据转矩传感器提供的信号计算助力的
46、大小；电机，根据电控单元输出值生成转动力；减速齿轮，提高电机产生的转动力，并将其传送至转向机构。图14 一种电动助力转向系统AFS转向系统与各种转向助力系统相比，不仅减轻了方向盘操纵力，还是一种电子化、转向传动比可变的且必要时可与动态稳定控制（Dynamic Stability Control DSC）配合工作的系统。其转向传动比直接与车辆速度、行车模式、道路状况有关。在正常道路条件下低速和中速行驶时，方向盘的输入角与前轮转向角比例较小，例如：10:1，转向感觉变得更为直接。驾驶员只需对方向盘转动很小的角度，就可不费力地使前轮转动较大角度，以增加在交通繁忙的城市道路上的车辆操控性，尤其是提供了停车转向时驾驶车辆的敏捷度。高速行驶时，转向速比变大，例如20:1，转向则变得“迟钝”，以改善方向稳定性。为了保持人们熟悉的驾驶方式和驾驶感觉，该系统并未采用完全
