摘要
純電動汽車能量管理系統是純電動汽車整車能量分配與優化、純電動汽車動力電池管理系統、純電動汽車制動能量回收系統的集成。以能量管理為主線，運用模糊控制理論對純電動汽車能量管理系統的關鍵技術進行了深入的研究，並將研究成果應用到實際產品中。純電動汽車高壓安全技術是純電動汽車的關鍵技術之一。首先，分析了高壓安全系統的構成及功能，並針對絕緣檢測模塊中無源絕緣電阻檢測方法的弊端，研究了有源絕緣電阻檢測方法。第二，根據純電動汽車高壓安全系統要求設計了純電動汽車高壓安全軟啟動電路，並應用到實際產品中。
純電動汽車續駛里程受限是制約純電動汽車產業化的關鍵問題，根據純電動汽車的駕駛特性，將純電動汽車分為三種駕駛模式，動力模式、經濟模式、常規模式。動力模式注重提高車輛的動力性能，電機控制系統對於加速踏板響應更為迅速，驅動電機輸出當前轉速下更高的轉矩值，使得車輛具備更好的加速能力和爬坡能力；經濟模式則以最大的續駛里程為控制目標，在滿足車輛基本行駛條件的前提下，電池系統、電機系統儘量工作在高效區，最大限度的延長車輛的續駛里程；常規模式為正常駕駛模式。運用模糊控制的方法設計了整車控制器，並經過 Matlab 軟件仿真和實車試驗來證明結果有效性。
純電動汽車動力電池管理系統是能量管理系統的核心，其中採集系統是數據信息獲取的通道，它的信息準確與否直接影響到車輛的運行安全以及剩餘續駛里程的估算。然而針對在信號採集及傳輸過程中經常出現時滯問題，運用常時滯 T-S 模糊系統狀態反饋控制方法，給出了非線性常時滯 T-S 模糊系統的相關穩定性條件，設計了穩定性控制器並經過試驗驗證，很好的解決了純電動汽車電池管理系統採集系統數據採集及傳輸過程時滯問題。針對更為複雜的純電動汽車遠程監控系統中無線圖像傳輸時滯問題，研究了基於 Roesser 模型的二維離散系統穩定性控制理論。
此外，針對純電動汽車動力電池管理系統採集系統執行器故障可能導致系統不穩定的問題，提出了一種基於 T-S 模糊系統的可靠性控制器設計方案，該控制器採用了不同的控制架構，從而引入更多控制增益矩陣變量，並通過線性矩陣不等式給出可靠控制器設計條件，降低了控制系統的保守性，並通過仿真驗證。
純電動汽車制動能量回收系統能夠有效的延長車輛的續駛里程，構建了純電動汽車制動能量回收系統的模型，應用基於最小制動力分配策略，降低了車輛的能量消耗率，提高了車輛的制動回收能量和能量利用效率，並在雙能量型純電動汽車進行系統建模與仿真。
針對純電動汽車高壓絕緣電阻檢測電路特點，分析了無源絕緣電阻檢測方法存在的不足，提出了有源絕緣電阻檢測方法，該方法有效地解決了正負母線對地對稱絕緣電阻無法測量的問題。此外，為保護純電動汽車高壓零部件使用安全，設計了高壓軟啟動電路，並應用於實際產品中。
第 1 章 緒論
1.1 純電動汽車發展現狀
隨著十二五《節能與新能源汽車發展規劃》 [1] （以下簡稱規劃）的提出，新能源汽車產業化已經成為國家戰略。規劃明確提出了我國未來十年節能與新能源汽車發展目標。第一，新能源汽車的產業化取得重大進展。到 2015 年，純電動汽車及插電式混合動力汽車累計銷量達到 50 萬輛，到 2020 年，純電動汽車和插電式混合動力汽車產能達到 200 萬輛，累計銷量超過 500 萬輛。第二，燃油經濟性明顯改善。2015 年生產的乘用車燃油消耗量降到低於 6.9L/100km，節能型乘用車燃油消耗量降到低於5.9L/100km，2020 年生產的乘用車燃料消耗量降到低於 5.0L/100km，節能型乘用車燃油消耗量降到低於 4.5L/100km。此規劃不僅為我國節能與新能源汽車的發展指明瞭方向，同時對於節能與新能源汽車產業化提出了明確的指標。
進入 2013 年以來，我國多地出現霧霾天氣，嚴重影響了居民的生產生活。據環保部門分析，汽車尾氣排放佔到整個汙染物排放的 25%以上，是誘發霧霾天氣的主要原因之一，雖然各個大中型城市都出臺了限制機動車行駛及排放的各項措施，但是仍無法解決汽車尾氣排放對於大氣汙染的壓力。
我國新能源汽車經過近十年的研發與示範運行 [2] ，已經具備產業化基礎，電機、電池、電控等關鍵技術取得了重大突破。純電動汽車和插電式混合動力汽車開始規模化投放市場。隨著十城千輛計劃的推進以及北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會的成功示範運行，新能源汽車已經逐步為消費者所接受。公交車輛、出租車輛、特定用途公務車輛已經成為新能源汽車產業化的主體。2014 年隨著新一輪節能與新能源汽車示範城市的出臺，相信會有更多的新能源汽車走進人們的生活。
1）特斯拉異軍突起
2013 年，在純電動汽車市場上最為火爆的車型應為美國電動汽車製造商特斯拉[3] ，其 2013 年累計銷售超過 2 萬輛，平均單臺售價超過 7 萬美元，成為高端純電動汽車市場的領軍品牌。從市場定位來看，特斯拉將自己定位為兼顧性能和舒適性的豪華中高級轎車，競爭對手鎖定為寶馬 5 系等。特斯拉 model S 技術指標如表 1.1 所示。
特斯拉 Model S 最高車速雖然不高，但加速性能良好，續駛里程更是逼近甚至超
過一些汽油車型，且其續航能力已經得到美國環保署的認證。針對在使用中的充電和
電池保養問題，特斯拉有著獨到的處理方式。
目前，特斯拉可以有三種模式充電，第一種使用家用插座充電，車輛接入 110V家用電即可，每充電一小時車輛可行駛 31 英里（50 公里）；第二種為車輛快速充電方案，在車主家安裝充電設施，充電電壓和充電效率有 2 倍增幅，而且車主無需承擔費用。第三種則是特斯拉在美國主要高速公路網建立的“Supercharger”超級充電站，車輛充滿電只需要一個小時。目前從加州的洛杉磯到舊金山以及華盛頓特區到波士頓的沿線高速公路已經建好超級充電站。
在電池維修保養方面，85kWh 版本特斯拉的電池 8 年無限公里保修，60kWh 版本特斯拉的電池 8 年 20 萬公里保修，與汽油車的保修年限接近。對於沒時間充電的消費者，特斯拉推出了“Live Pack Swap”電池包更換服務，更換整個電池包只需 90秒，比加油還快兩倍，而且車主無需下車。換一次電池包的費用同加滿一箱油相當。這種電池快換站會先在加州佈置，未來推廣至所有的 Tesla 超級充電站。2014 年特斯拉正式進口中國，售價約 71 萬人民幣。特斯拉的成功在於其準確的市場定位，在高端跑車市場，價格已經不是決定銷量的主要因素，相反，擁有一輛特斯拉電動跑車已經成為時尚、環保的代名詞。
2）低速電動汽車的興起
與高端電動汽車市場特斯拉一枝獨秀相比，低速電動汽車市場在中國正呈現百花齊放的場景。據統計，山東市場 2013 年 A00 級低速電動汽車銷量超過 10 萬輛，以時風、唐駿、比德文為代表的低速電動汽車企業單月產銷都突破 1000 臺，成為行業的領軍企業。更為可喜的是，低速電動汽車企業不僅在銷量上有所突破，而且在質量上有大幅提高 [4] ，特別是在車輛舒適性、電氣安全等方面取得了長足的進步。下面以幾家企業的低速電動汽車產品為例，做簡單介紹。
3）國內外整車企業量產的純電動汽車
國內外乘用車整車企業產業化的新能源汽車，大都以混合動力汽車為主，對於純
電動汽車以概念車居多，只有少數幾家企業推出了量產的純電動汽車。
4）公交車輛成為純電動汽車產業化的主力軍
目前，作為新能源汽車產業化的主力軍，純電動公交車在各個新能源汽車示範城
市承擔著重要的角色。
由於公共交通相對於私家車來說，具備線路固定、續駛里程固定、充電方便等特點，因此更有利於新能源汽車的推廣應用。
近年來，國家越來越重視發展節能與新能源汽車，2014 年以來，先後公佈了 2批節能與新能源汽車示範城市，進一步明確了對於各種類型新能源汽車的補貼標準，優先發展純電動汽車成為我國新能源汽車發展的技術路線。因此，可以預計未來純電動汽車將在中國得到良好的發展。
1.2 純電動汽車產業化關鍵技術
縱觀近十年純電動汽車產業的發展可以看出，純電動汽車至今為止還未得到廣泛的應用，除了政策層面和基礎設施建設方面的缺失外，仍然在技術上存在諸多問題。
1.2.1 動力電池成組及管理技術
1）動力電池的發展進程 [5][6][7][8]
純電動汽車上使用的動力電池主要包括，鉛酸電池，鎳氫電池，鋰離子電池。鋰離子電池又可以分為鈷酸鋰電池，錳酸鋰電池，磷酸鐵鋰電池，聚合物鋰離子電池等。它們之間的主要性能對比參見表 1.5。
在上述各類電池中，鉛酸電池的優勢是工藝成熟、過放性能良好、安全性好、價格低廉，在電動自行車、電動摩托車、電動船隻、低速純電動汽車上得到廣泛應用。但是，由於鉛酸電池比能量和比功率較低，不能滿足純電動汽車續駛里程需求，在純電動汽車上未能廣泛應用。鎳鎘電池具備充放電倍率好的優點，但是鎳鎘電池具有記憶效應、含鎘金屬可能汙染環境，現已經不在電動汽車上使用。鎳氫電池有充放電倍率大、環境汙染小、無記憶效應等優點，缺點是鎳氫電池電壓平臺較低，如需滿足純電動汽車動力性和續駛里程需求需要大量電池串並聯，使得電池組一致性變差，電池管理系統複雜，制約其在純電動汽車上使用。鋰離子電池有電壓平臺高、比能量大、充放電效率高、循環壽命長等優點。鋰離子電池的能量密度是鎳鎘電池的3倍；單體電池電壓為鎳氫電池的3倍，因此能減少純電動汽車電池組中串並聯單體的數量，使得電池組故障概率降低，延長電池組的使用壽命。近年來，鋰離子電池以其良好的性能得到了廣泛應用，性能上也取得較大的提高，是目前在純電動汽車上應用最為廣泛的動力電池。
上世紀90年代以來，鋰離子電池憑藉其優越的性在手機、筆記本等便攜式設備得到了廣泛應用和迅猛發展。隨著鋰電池的比能量、安全性、生產一致性逐漸提升以及成組管理技術的不斷突破，動力鋰電池逐漸在電動汽車動力源、通信系統備用電源、電力系統備用電源等領域得到廣泛應用。
近年來，鋰離子電池技術得到了迅速發展。隨著應用的廣泛，廠商在正負極材料、添加劑、粘結劑、摻雜和包覆、電解液配方、生產工藝等方面的進行了深入研究，使得產品在能量密度、安全性、功率特性、循環壽命等方面提高明顯，鋰離子電池的高低溫性能也在不斷提高。其中，正極材料發展迅速，先後出現了鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等多種電池正極材料。在這些廣泛應用的正極材料中，鈷酸鋰材料具有工藝成熟、比容量高、電壓平臺高且穩定等優點，在移動電源上應用廣泛，但是鈷酸鋰正極材料安全性能差，成本較高，不適合在電動汽車動力電池領域應用。三元材料是一種高容量的正極材料，電壓平臺與鈷酸鋰材料相同，但其循環壽命高，安全性能好，可大電流放電，適合於要求大倍率放電的設備，如電動工具、筆記本電腦和攝像機等，近年來三元材料電池在電動汽車上得到較多應用（比如特斯拉）。錳酸鋰材料具有較高的電壓平臺，低廉的價格，安全性較差和循環壽命短是其缺點。經過近年的改進優化，錳酸鋰材料性能得到大幅度的提升，現今具有良好常溫循環（300次90％以上）和高溫循環（55度300次80％以上）性能，在動力電池領域得到廣泛應用。
磷酸鐵鋰材料是近年來發展最為迅速的一種正極材料，其能量密度較高。
未完...
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