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新能源汽车技术
1.新能源汽车定义
• 新能源汽车，是指采用非常规的车用燃料作为动 力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载 动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的 先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、 新结构的汽车。 • 新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车（BEV， 包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车（FCEV）、 氢发动机汽车、其他新能源（如高效储能器、二 甲醚）汽车等各类别产品。
2009年工信部《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》
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1.新能源汽车定义
• 节能与新能源汽车主要指混合动力汽车、纯电动
汽车和燃料电池汽车。
2009年四部委《关于开展节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知》
• 新能源汽车主要指插电式（plug-in）混合动力乘 用车和纯电动乘用车。
2010年四部委《私人购买新能源汽车试点财政补助资金管理暂行办法》
1.新能源汽车定义
• 新能源汽车的认定标准为：(1) 获得许可在中国境内销售 的纯电动汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车，包 括乘用车、商用车和其他车辆；(2) 动力电池不包括铅酸 电池；(3) 插电式混合动力汽车最大电功率比大于30%； 插电式混合动力乘用车综合燃料消耗量（不含电能转化的 燃料消耗量）与现行的常规燃料消耗量标准中对应目标值 相比应小于60%；插电式混合动力商用车（含轻型、重型 商用车）综合工况燃料消耗量（不含电能转化的燃料消耗 量）与同类车型相比应小于60%；(4) 通过新能源汽车专 项检测，符合新能源汽车标准要求。
2012年财政部、国税总局、工信部《关于节约能源使用新能源车船车船 税政策的通知》
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1.新能源汽车定义
• 新能源汽车是指采用新型动力系统，完全或主要 依靠新型能源驱动的汽车。本规划所指新能源汽 车主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及 燃料电池汽车。
2012年国务院《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》
2.发展新能源汽车战略意义
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2.发展新能源汽车战略意义
2011年全球一次能源消费比例
中国, 21.30% 其它, 36.40%
美国, 18.50%
欧洲, 23.80%
2.发展新能源汽车战略意义
2011年中国能源结构
水力 6% 可再生能源 1%
石油 18%
核能 1% 天然气 4%
煤炭 70%
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2.发展新能源汽车战略意义
2013年，中国石油消费将突破5 亿吨。 ——石油对外依存度将突破60%
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2.发展新能源汽车战略意义
中国汽车产业从量变到质变。 ——汽车产业亟需转型升级
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2.发展新能源汽车战略意义
车用石油消耗量日益增高(考虑效率提高，不考虑替代
能源） ——车用石油消耗量突破60%
4.1 5.1 6.3
中国石油产量（亿吨） 全社会石油消化增长 主要来自于车用石油 消耗增长
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2.发展新能源汽车战略意义
中国是全球PM2.5污染最严重的地区之一 ——环境安全与城市清洁问题迫在眉睫
图中：颜色由深蓝、浅蓝，到黄色、暗红，代表着PM2.5的浓度越来越高
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2.发展新能源汽车战略意义
交通带来的环境污染是城市清洁的罪魁祸首。 ——城市污染超过60%来自汽车尾气排放
PM2.5 构成
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2.发展新能源汽车战略意义
汽车的污染成 为中国大城市 的主要空气污 染源，排放法 规不断加严。
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2.发展新能源汽车战略意义
排放标准
2.发展新能源汽车战略意义
电动汽车 按轿车计算 百公里15kWh电力需求 一辆轿车家庭1年1.5万km 轿车保有量：2015年7600万辆 年电力需求：1710亿kWh
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2.发展新能源汽车战略意义
发电量
60000
50000
46000
40000
49400
41400 34668.8 36500
30000
25000
20000
14000
10000
6000
0 1990年 2000年 2005年 2008年 发电量 2009年 2010年 2011年 2012年
2.发展新能源汽车战略意义
能源效率
–为能源开采、加工、转换、利用等各个过程的效率
WTW（油井到车轮）
–分析车用燃料全生命周期各环节的能效，燃料可从地 下、海底或可再生能源中获取,通过陆地、海洋、输电 线传送等方式运输,热机、电机或电化学装置均可用来 实现能量转换。 –分为油井到油箱(WTT)和油箱到车轮(TTW)两个过程, WTT包含原料阶段(回收、处理、运输、储存)和燃料阶 段(提取、运输、储存、分配)。TTW包含从油箱到车轮 的能量转换和传送过程。
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2.发展新能源汽车战略意义
传统汽车，汽油车：16.5%，柴油车：25.3%
–从油井到油箱 中国石油开采过程的能量效率约为98％； 原油运输过程的能量效率约为99％； 原油在炼制厂加工成汽油和柴油的能量效率分别为85％ 和87％； –从油箱到车轮 传统汽油车约为20％； 柴油车约为30％。
2.发展新能源汽车战略意义
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2.发展新能源汽车战略意义
电动汽车，29.1%
–从煤到用户电 中国煤炭开采的能量效率约为97％； 煤炭运输过程的能量效率在99％； 煤的发电效率可达40.4%； 电力在输送过程中的能量效率约为92.9％； –从用户电到车轮 电池充放电综合效率约为85％ 传动系统效率约为95％
2.发展新能源汽车战略意义
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2.发展新能源汽车战略意义
二氧化碳排放
–1L汽油的二氧化碳排放2300g ，100公里6.9L油耗的二 氧化碳排放为15870g； –1kWh发电（全部燃煤）的二氧化碳排放为997g ，100 公里15kWh的二氧化碳的排放为14955g。 –1kWh发电（74%燃煤）
的二氧化碳排放为738g，100公 里15 kWh的二氧化碳的排放为11070g。
结论
–电动车与汽油车相比可减排二氧化碳5.8%。如考虑我 国目前的火电比例为74% ，电动汽车减排可达30.2%。
2.发展新能源汽车战略意义
• 电动汽车将为传统汽车行业带来质变
实现 节能减排 带动 产业链发展 提升 汽车产业竞争力
节能减排 发展到100万辆电动汽车规模时： 年减排CO2 量相当于一年植树1000万棵。
产业升级
年节约燃油可达40亿升以上，年节省燃油费约300亿元
新能源汽车产值可达2000亿元以上
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2.发展新能源汽车战略意义
能源 安全
2013年中国石油进口依存度将达到60% 中国石油消耗60%将用于汽车消费 中国将成世界最大的汽车消费国，推广新能源汽 车对国家能源结构优化有战略意义
环境 保护 产业 升级
城市污染超过60%来自汽车尾气排放 哥本哈根会议我们提出碳排放减排40%到45%，汽车 的尾气排放是PM2.5的重要来源，如不把汽车尾气排 放控制住，减排指标40%到45%想完成有困难。汽车 减排将是长期行为。
中国每1000人当中汽车的占有量是50辆，北京是 250辆，纽约是750辆，世界平均水平200辆到300 辆，我们还有差距。 汽车进入家庭一线城市交通拥堵，二线三线四线 城市发展空间非常大。
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2.发展新能源汽车战略意义
2001年“十五”开始， 我国电动汽车“三纵三横”发展格局 我国启动了“863计划” 政策、法规、标准、基础设施研究 电动汽车重大专项， 涉及的电动汽车包括3 燃料电池整车技术 混合动力整车技术 纯电动整车技术 整车标定和匹配 整车标定和匹配 整车标定和匹配 类：纯电动、混合动 燃料电池发动机 发动机和传动 力和燃料电池汽车， 机电耦合技术 并以这3类电动汽车为 多能源动力总成控制系统 “三纵”，多能源动 电机驱动系统和控制单元 力总成控制、驱动电 动力电池和电池组管理系统 机、动力蓄电池为 DC/DC变换器 ISA/ISG技术 “三横”，建立“三 政策、法规、标准、基础设施研究 纵三横”的开发布局。
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混合动力电动车定义
• 传送到车轮推进车辆运动的能量，至少来 自两种不同的能量转换装置； • 这些能量转换装置至少要从两种不同的量 能储存装置吸取能量； • 从储能装置流向车轮的这些通道，至少有 一条是可逆的，并至少还有一条是不可逆 的； • 如果可逆的储能装置供应的是电能时，则 称为混合动力电动车。
串联、并联、混联
按照能量合成的的形式主要分为 串联式(SHEV）、并联式 （PHEV）和混联式。
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串联式结构
• 特点 –不需要用变速箱，结构简单， 控制
算法简单 －可使用小内燃机内燃机且效率 高(可始终工作在最佳燃油曲 线上) –无换档冲击 –需要两套电驱动系统
ICE EDU BCU SDU --------内燃机 EGM - 发电机 驱动电机 GCU - 发电机控制器 电池控制器 Battery –动力电池 安全保护单元 CEU - 电机控制器 直流，高压 ----- 交流，高压 控制信号，低压
–电动机功率大
–电池功率大，重量高，成本高
–电池充放电深度大，寿命短
并联式结构
1. 前置式并联结构 2.后置式并联结构
• 特点
–只需一套电动驱动系统 –电机功率小、电池功率小、重量 轻、成本低 –可降低内燃机功率 –可实现纯电动、纯发动机及混合 动力等多重运行模式，可靠性高 –结构复杂、控制算法复杂
特点
可在已有车辆上改造、加装 只需一套电动机器及控制装置 电机力矩大、电池功率大、重量大、成本 高
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混联式结构
蓄电池组 控 制 器
发电机
电动机
发动机
转矩合成器
动力复合变速器
• 特点
电器连接
–无级变速，无换档冲击 –需要两套电驱动系统 机械连接 –电动机功率较大 –电池功率大，重量高，成本高 –需特制混合动力驱动单元，开发成本高
–结构复杂， 控制算法复杂
按照两种不同的能量的搭配比例不同，有四种类型，即： 轻度混合（micro hybrids），有时也叫“起－停混合” 中度混合（mild hybrids） 重度混合（full hybrids） 外电源插座充电混合（plug－in hybrids）
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公共服务用乘用车和轻型商用车示范推广 补助标准（单位：万元/辆）
节能与新 能源汽车 类型 节油 率
5%10% 0.4 10%20% 混合动力 汽车 20%30% 30%40% 40% 以上 纯电动 汽车 燃料电池 汽车 100% 100% ―― ―― ―― ―― ―― 2.8 3.2 ―― ―― ―― ―― 3.2 3.6 4.2 ―― ―― ―― ―― 4.2 4.5 5.0 6.0 25.0
十米以上城市公交客车示范推广补助 标准（单位：万元/辆）
节能与 新能源 汽车类 型 节 油 率 使用铅酸 使用镍氢电池、锂离子电池/ 电池的 超级电容器的混合动力系统 混合动力 系统 最大电功率比 最大电功率比
20%-50% 10%20% 混合动力 汽车 20%30% 30%40% 40% 以上 纯电动 汽车 燃料电池 汽车 100% 100% 5 7 8 ―― ―― ―― 20 25 30 35 ―― ―― 50%以上 ―― 30 36 42 50 60
最大电功率比
BSG车 10%-20% 20%-30% 30%-100% 型 ―― ―― ――
注：最大电功率比30%以上混合动力汽车补助标准均含plug-in
注：最大电功率比50%以上混合动力汽车补助标准均含plug-in
机电耦合系统
• 转矩耦合
• 转速耦合
• 功率耦合
–输出转矩与转速分别是发动机与电机转矩和转 速的线性和,因此发动机的转矩和转速都可控.
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机电耦合方式
• 转速耦合方式
单行星
排转速耦合系统
• 紧凑行星排混合动力传动系统(CHPTD)
CHPTD结构图
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单行星排转速耦合系统
• 紧凑行星排混合动力传动系统(CHPTD)
CHPTD结构原理图
单行星排转速耦合系统
• 紧凑行星排混合动力传动系统(CHPTD)
纯电机驱动工作模式
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单行星排转速耦合系统
• 紧凑行星排混合动力传动系统(CHPTD)
纯发动机驱动工作模式
单行星排转速耦合系统
• 紧凑行星排混合动力传动系统(CHPTD)
混合驱动工作模式
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机电耦合方式
• 转矩耦合方式
转速耦合传动系统
• 本田并联式混合动力系统（IMA）
–IMA-Integrated Motor Assist
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发动机 + 马达
280 100
220
发动机 + 马达 发动机
80
功率
发动机 马达
扭矩 (Nm)
140
40
扭矩
发动机 马达
100
20
60 2000 4000 6000 发动机转数 (rpm)
0
工作模式
驾驶状态
停止
起步/加速
轻微加速
匀速驾驶 (低速)
加速
急加速
匀速驾驶 (高速)
减速
驾驶模式
Engine + Motor LO-VT 辅助
CHRG ASST
Engine Motor 气缸怠速 辅助
CHRG ASST CHRG ASST
Engine + Motor LO-VT 辅助
CHRG ASST
Engine + Motor Hi-VT 辅助
CHRG ASST
Engine
气缸状态 马达状态
CHRG ASST
LO-VT
气缸怠速 充电
CHRG
ASST
CHRG
ASST
Time
功率 (kW)
180
60
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功率耦合系统
• 单排行星齿轮耦合
功率耦合系统
丰田普锐斯（Prius）混合动力系统
动力分配机构 (行星齿轮机构) – MG1 – 太阳轮 – MG2 – 齿圈 – 发动机– 行星架 车轮
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功率耦合系统
• 双排行星齿轮耦合
功率耦合系统
• 双排行星齿轮耦合
丰田Pruis混合动力系统
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功率耦合系统
• 丰田普锐斯（Prius）混合动力系统
电机1 行星轮1 行星轮2 电机2
– 发动机连接行星轮系1的行星架； – 电机1连接行星轮系1的太阳轮； – 电机2连接行星轮系2的太阳轮； – 输出轴连接行星轮系1和2的内齿圈。
功率耦合系统
ω
Carrier1 0 Sun1 MG1 2.6 发动机 1
Ring2 Ring1 1 输出
Carrier2 2.6
Sun2
MG2
在纯电动驱动模式以及纯电动制动模式下，发动机不会处在停止状态，也会 有转动，而且电机MG1也在转动，会消耗一部分能量。
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功率耦合系统
• 双排行星齿轮耦合
雷卡萨斯RX400h混合动力系统
功率耦合系统
雷卡萨斯RX400h混合动力系统
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功率耦合系统
• 双转子电机耦合
功率耦合系统
• 双转子电机耦合
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单模混合动力
单模混合动力
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单模混合动力
单模混合动力
混合动力无极调速系统优化工作原理
1. 对于任意的输出扭矩及车速，在一 定的范围内，可以任意配置发动机 的转速和扭矩； 2. 在特定的工作点，考虑电池的充放 电效率，及电机的效率，可以找
到 油耗最佳点，实现发动机优化； 3. 在混合动力工况工作时，当电池处 于平衡状态，总存在一个电机发 电，一个电机驱动，会有效率损 失，影响系统效率；但考虑发动机 工况的优化，可以比传统车得到更 好的经济性； 4. 控制上完全采用扭矩控制模式，对 于特定转速下的输出扭矩需求，根 据系统优化的策略，分配计算发动 机扭矩，和两个电机的扭矩。 E1 ② ICE Output（E2）
①
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双模混合动力
双模混合动力
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双模混合动力
通用Volt
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通用Volt
模式1(低速纯电力驱动)
通用Volt
模式2(高速纯电力驱动)
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通用Volt
模式3(低速增程)
通用Volt
模式4(高速增程)
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丰田THS混合动力系统
典型的单模混合动力--Prius混合动力变速箱
第一、二代Prius系统 采用链条传动
第三代Prius系统 采用齿轮传动
丰田THS混合动力系统
1997 2001 2003 2005 2006 Prius (NHW10) Estima Prius (NHW 20)
RX400h GS450h
Crown
Alphard Highlander
Camry HV
1997
2001
2003
2005
2006
丰田THS系统优点
整体结构简单，采用单行星齿轮排，大电机E2与 输出轴同轴使得EV模式时发动机不需要锁止元 件； 2. 高集成度设计，电机与控制器冷却系统集成设 计； 丰田THS系统缺点 3. 两自由度系统控制相对简单。 1. 1. 2. 3. 发动机扭矩只能由E1单独平衡； 大电机转速取决于车速，影响电机的工作效率； 高速行驶时出现功率循环，使得系统传动效率降 低，导致电机E2高过的功率需求。 单模方式只能在特定的区间，保持高的系统效 率，而不可能在所有工作区间达到高效。
丰田THS传动效率分析
1 0.722
Efficiency
0.8
0.6 1
0
1
2
3
4
5
PE1/PICE
E1为电动模式，电功率 路径出现功率循环。
0
0
4.
1
0
1
2
3
4
5
Ratio_nICE/nout
功率循环区间
功率分流区间
EV区间
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丰田THS混合动力系统
• 组成
MG1 发动机 行星齿轮机构 HV 蓄电池
变频器
差速器
MG2
丰田THS混合动力系统
• 动力分配机构 (行星齿轮机构)
MG1 – 太阳轮(S) MG2 – 齿圈(R) 车轮
发动机– 行星架(C)
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丰田THS混合动力系统
–MG1参数
项目 类型 功能 额定电压 V 最大输出功率 kW (PS) / rpm 最大输出扭矩 N· m (kgf· m) / rpm 最大扭矩时的电流值 Arms 最大转速 冷却系统 转/分 ’04 PRIUS 同步交流电机 发电机, 发动机的起动机 AC 500 37.8 (51) / 9500 45 (4.58) / 0 – 6000 75 10,000 rpm 水冷
丰田THS混合动力系统
–MG2参数
项目 类型 功能 额定电压 V 最大输出功率 kW (PS) / rpm 最大输出扭矩 N· m (kgf· m) / rpm 最大扭矩时的电流值 Arms 最大转速 冷却系统 转/分 ’04 PRIUS 同步交流电机 发电,驱动车轮 AC 500 50 (68) / 1200 – 1540 400 (40.8)
/ 0 1200 230 6,700 rpm 水冷
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丰田THS混合动力系统
• 发动机起动
MG1 作为起动机来起动发动机. 同时, 电流也流进MG2, 防止齿圈转动。
丰田THS混合动力系统
• 发动机起动和怠速
MG1 启动发动机后, 发动机驱动MG1 发电 并给 HV 电池充电.
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丰田THS混合动力系统
• 车辆起步
当车辆在小负荷/慢加速时只使用 MG2 驱动车辆起步.
丰田THS混合动力系统
• 车辆起步
当需要更多的动力时,MG1起动发动机.
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丰田THS混合动力系统
• 在轻负荷下加速
MG2 提供附加的驱动力以补充发动机动力. 驱动MG2的电流由MG1提供.
丰田THS混合动力系统
• 在重负荷下加速 (节气门全开)
在加速期间MG2 提供附加的驱动力补充发动机动力. MG1产生的电流供 给MG2. HV 电池也会根据加速的程度给MG2提供电流.
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丰田THS混合动力系统
• 减速(D 档)
减速期间电能不再提供给MG1和 MG2 ，MG2 被车轮驱动作为发电机给 HV 蓄电池充电.
丰田THS混合动力系统
• 减速 (B 档)
MG2产生的电能提供给MG1, 然后MG1驱动发动机 . 同时, 发动机燃油切 断. MG1的原动力用作发动机制动.
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丰田THS混合动力系统
• 倒车
只用MG2 作为倒车动力. 在SOC正常状态下,发动机在车辆倒车时不工作.
GM双模混合动力
基于单模混合动力的缺陷，GM研 发了双模混合动力
双模混合动力可以降 低对电机（转速和扭 矩）的要求，进一步 提高系统效率，降低 油耗。
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GM双模混合动力
双模结构原理图
GM双模混合动力
双模离合器工作模式
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GM双模混合动力
• 输入分配模式（EV1）
GM双模混合动力
• 输入分配模式（EV1）
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GM双模混合动力
• 输入分配模式（EV1）
GM双模混合动力
• 复合分配模式（EV2）
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GM双模混合动力
• 纯电力驱动
GM双模混合动力
• 发动机启动模式
C1—— ON
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GM双模混合动力
• 传动比大于3.69模式（模式一）
C1—— ON
GM双模混合动力
• 传动比固定在3.69模式
C1—— ON C4 —— ON
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2013/6/11
GM双模混合动力
• 传动比固定在1.7模式
C1—— ON C2 —— ON
GM双模混合动力
• 传动比小于1.7模式（模式二）
C2—— ON
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2013/6/11
GM双模混合动力
• 传动比固定于1模式
C2—— ON C4 —— ON
GM双模混合动力
• 传动比固定于0.74模式
C2—— ON C3 —— ON
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车辆对动力电池的要求
动力电池是电动车辆的主要能量载体和动 力来源，可谓是新能源汽车的核“心”。
车辆对动力电池的要求
评价指标
功率 电池工作放电的速度。高功率可提高 电动车高速与加速性能。指标：比功率 (W/g)，功率密度(W/L)。 能量 电池储存
能量的能力。高能量可使电 动车行驶更长距离，并可减少电池体积和 重量。指标：比能量(Wh/g)，能量密度 (Wh/L)。 寿命 电池循环使用寿命。长寿命可延长电 动车使用年限，降低使用成本。指标：完 整循环次数、微循环次数。 安全 电池安全性与可靠性。提高电池工作 温度范围，防止过充、过热、机械损伤等 导致的危险情况。指标：各种安全测试标 准、工作温度范围。 成本 电池综合造价。技术推广与产业发展 的核心因素。指标：价格/kWh。
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车辆对动力电池的要求
• 美国USABC电动车电池研发的中长期目标
美国能源建设部（USABC）设定锂电池成本发展目标是到2012年 降低到$500/kWh、2014年降低到$300/kWh。这一成本下降过程将使 电动续航里程10－40km的PHEV获得经济有效性。 商用化的成本最低要求是$150/kWh，考虑到物价因素，调整为 $ 230 /kWh。
车辆对动力电池的要求
• 科技部863对EV锂电池技术指标要求
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车辆对动力电池的要求
• “节能与新能源汽车产业发展规划”对EV 锂电池技术指标要求
–到2015年，动力电池模块比能量达到150瓦时/ 公斤以上，成本降低至2元/瓦时，循环寿命稳 定达到2000次或10年以上；到2020年，动力电 池模块比能量达到300瓦时/公斤以上，成本降 至1.5元/瓦时以下。
车辆对动力电池的要求
按照应用的主要分类
高功率型 主要用在混合动力和燃料电池汽车上，作为辅助动 力源，提供车辆加速时所需的尖峰功率并接收车辆 制动时回馈的能量。 高能量型 主要用在纯电动汽车上，作为车辆的能量存储装置 提供车辆运行时所需的能量。 功率能量兼顾型：主要用处PHEV。
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车辆对动力电池的要求
动力电池发展与类型
• 动力电池分类（从材料）
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动力电池发展与类型
• 第一代动力电池 铅酸蓄电池
–优点：大电流放电性能良好。价格低廉，资源 丰富，电池回收率高 –缺点：质量比能量低，主要原材料铅有污染。
动力电池发展与类型
• 第二代动力电池碱性电池
–以氢氧化钾等碱性水溶液为电解液的二次电池 –Cd-Ni电池、MH-Ni电池 –比能量高、耐过充电性能好、密封性好 –价格较高
• 镍氢电池
–是镍镉电池的改进，比能量能达到60－ 80Wh/kg，且具有充电速度快、基本无记忆效 应、无环境污染，安全性高的特点，目前在全 球普通混合动力汽车（HEV）电池中占主导地 位
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动力电池发展与类型
• 第三代动力电池 锂离子动力电池
–电压高 –储存和循环寿命长 –荷电保持能力强 –环境污染低 –无记忆效应 –工作温度范围广 –内阻大 –过冲过放性
差
动力电池发展与类型
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动力电池发展与类型
动力电池发展与类型
• 第四代动力电池
锌空电池、硫电池、氢燃料电池
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动力锂电池
• 锂离子电池的发展历史
–1980年，M. Armand等人首先提出用嵌锂化合 物来代替二次锂电池中的金属锂负极，并提出 “摇椅式电池”（rocking chair battery）的概念 –嵌锂化合物代替二次锂电池中的金属锂负极， 电池的安全性大为改善，并且具有良好的循环 寿命，同时电池的充放电效率也得到提高 –1990年日本Sony公司研制出以石油焦为负极、 LiCoO2为正极的锂离子二次电池
动力锂电池
• 锂离子电池基本原理
负极
隔膜/电解质
正极
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动力锂电池
• 磷酸铁锂电池反应原理
放电 正极 Li FePO4 ———— FePO4+Li++e充电 放电 + 负极 6C+Li +e ———— LiC6 充电 放电 总反应 6C+ Li FePO4 ———— FePO4+ LiC6 充电
动力锂电池
• 锂电池特点
–高能量密度 –高工作电压 –长循环寿命 –电化学特性稳定 –荷电保持能力强 –无污染 –无记忆效应
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动力锂电池
• 选择锂离子电池
（1）电压平台高：一般为3.2-3.7伏，而镍氢电池只有 1.2伏，铅酸电池只有2.0伏； （2）能量密度大：理论上能达到250-300Wh/Kg，目前只 能达到120-180Wh/Kg，镍氢电池只有40-60Wh/Kg； （3）循环寿命长：电芯有2000-3000次，成组后8001500次，镍氢只有500-700次，铅酸只有300-500次； （4）性价比高：2-3元/Wh，镍氢为8-9元/Wh （5）倍率放电好 （6）适用温度范围宽
动力锂电池
• 锂电池结构
正极 活性物质（LiCoO \LiMnO \LiNi Co O ) 导电剂、溶剂、粘合剂、基体 负极 活性物质（石墨、MCMB) 粘合剂、溶剂、基体 隔膜（PP+PE） 电解液（LiPF6 + DMC EC EMC) 外壳五金件（钢壳、铝壳、盖板、极耳、绝缘片）
2 2 x 1-x 2
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动力锂电池
• 锂电池安全保护
材料的多样化-正极材料
标称电压（平台电压）
磷酸铁锂电池标称电压为3.2-3.3V（在这一阶 段电池的放电时间最长），充电的最高电压一 般限制在3.65-3.7V，放电的最低电压限制在2.5V。
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动力锂电池制造工艺
锂电芯（cell）生产流程图
正极材料 铝箔 隔膜 负极材料
涂覆 涂覆
正极片
卷绕
卷好的负 正负极片 电解液
注入电池外外壳里
放入电池外外壳里
负极片
抽真空 封装后 成为单体 电池
铜箔
动力锂电池制造工艺
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动力锂电池测试
针刺
挤压
成组挤压
3C10V过充电
150℃30min热箱
短路
成组短路
成组过充电
动力锂电池测试
• 检测结果：应不爆炸、不起火（不漏液） • 过放电：
–模块在20℃±5℃下以1I3(A)电流放电，直至某 一单体蓄电池电压达到0V结
束试验。
• 过充电：
–以 3I3(A)电流充电，至某一单体蓄电池电压达 到5V或充电时间达到90min其中一个条件优先 达到即停止试验); –以 9I3(A)电流充电，至某一单体蓄电池电压达 到10V即停止试验。
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动力锂电池测试
• 短路
–将蓄电池模块经外部短路10min，外部线路电 阻应小于5m欧姆。
• 加热
–将蓄电池模块置于85℃±2℃恒温箱内，并保 温120nan。
• 挤压
–挤压方向: 垂直于蓄电池单体排列方向施压。 –挤压程度:挤压至蓄电池模块原始尺寸的85%， 保持5min后再挤压至蓄电池模块原始尺寸的 50%。
动力锂电池测试
• 电动电池短路试验
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动力锂电池测试
• 针刺
–用 (直径3mm︿8mm的耐高温钢针、以10mm/s ︿40mm/s的速度，从垂直于蓄电池极板的方向 至少贯穿3个蓄电池单体(钢针停留在蓄电池 中)。
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电池管理系统
电池管理系统
通过动力电池总成技术提高电池成组后的 整体性能
电池成组技术 电池包结构技术 电池热管理技术 电池管理系统技术
动力电池总 成四大核心 技术
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电池管理系统
电池成组技术
电池成组需要考虑到电池系统的可靠性和安全性、批 量化生产以及和管理系统间耦合度。
电池成组
电池成组测 试、仿真
电池管理系统
电池成组技术
电池成组需要考虑电池的容量、衰减速率、电池在充放 电态所表现的特性以及电池在静止态所表现出的特性。 B
批次工艺配组
容量配组
A
电池成组
C
静置曲线配组
内阻一致性配 组
E
D
充放电曲线拟合配 组
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电池管理系统
单体电池内阻筛选
电池管理系统
单体电池容量筛选
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电池管理系统
电池组单体电池充放电曲线
电池管理系统
电池包结构技术
电池包作为汽车零部件，需要满足整车对传统零部 件的要求； 电池包作为电池组的承载结构体，需要满足电池安 全及其电气安全等方面的要求。
整车对结构要求
外壳防护等级 结构抗冲击能力 结构抗振能力 结构抗腐蚀能力
电池对结构要求
电气绝缘性能 电气耐压性能 维修安全 结构滥用性能
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电池管理系统
电池包结构技术
与传统汽车的储能系统（汽油、柴油）相比，电池 的质量能量密度和体积能量密度都很低，这需要电 池包在满足整车和电池要求的基础上轻量化。
Cell
Pack
与整车配合
单体电池 电池包
未轻量化 120 Wh/kg
轻量化 120 Wh/kg 80-100 Wh/kg 20-30%
60-70 Wh/kg 40-50%
Module
性能损失
电池管理系统
热管理系统设计
为什么电池包需要热管理系统？
安全性 可靠性 电池寿命 影响电池应用于整车时的整体性能 高温对电 池的影响 电池电化
学体系 充放电循环效率 功率与容量等
需要对电池散热
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电池管理系统
热管理系统设计方法
电池模块 实验报告 实验报 告 测试工况
电池包设计
热管理系统设计要求： 保证电池热一致性和工作温度 紧密、轻量化、易成组 能耗低 可靠性高 易于维护
CFD仿真
电池管理系统
热管理系统在HEV上的运用
在HEV上，以乘客舱的空气为冷却介质，采用强制风冷的热管理系统已经成为了 大多数整车厂商和电池系统集成商的选择，主要是因为其具有以下优点： 能够有效对HEV电池进行散热； 系统复杂度低，易于实现和维护； 成本低，能耗低。 对乘客的舒适度影响不大。
Toyota Pruis电池包
Honda Insight 的电池包
Delphi的电池包
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电池管理系统
热管理系统在PHEV和EV上的运用
PHEV和EV上的电池系统中的电池数量多，一般布置在整车的中央通道和后排座 椅下，对系统空间使用率要求高，仍采用风冷的热管理方案会有如下问题： 无法有效地保证电池温度和温度一致性； 严重影响乘客的舒适度（噪音和温度）； 无法实现高等级的外壳防护。 与相变材料冷却、热管冷却、半导体冷却等热管理技术相比，水冷系统 技术成熟、成本较低，而且能够有效地解决风冷存在的问题，成为大多数整 车厂商和电池系统集成商比较倾向的选择。
通用Volt的电池包
电池管理系统
为什么需要BMS？
整车控制的需要
BMS向整车控制器上报电池的状态信息（SOC、可充放电功率等），并 执行来自整车控制器的命令，为整车能量管理提供依据。
BMS是联系用户的桥梁
BMS通过仪表向用户显示电池当前运行状态、故障信息，并具备故障报警功能
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电池管理系统
为什么需要BMS？
电池本身的需要
锂电池过充、过热会导致电池膨胀、起火、爆炸。过放会导致 电池永久性损坏 电池包的寿命取决于最差的一节电池，寿命的衰减导致整包的 成本上升
电池充放电是可逆的电化学反应，必须使电池运行在最佳温度 状态，以提高性能、延长寿命
为高压电安全提供保障
电池管理系统
电池管理系统（BMS）
ADS (高压自动切断系统)
电池管理系统主要包含以下三部分 高压自动切断系统（ADS） 电池管理
BMS
通讯与诊断
电池管理
通讯与诊断
ADS对电池系统的高压输入输出进行控制和诊 断； 电池管理部分对电池和电池组的信息进行采集、 运算和控制； 通讯和诊断部分对电池系统内部以及与整车之间 的通讯和诊断进行控制。 作为汽车上的电子和电气控制元件，电池管理系统 需在硬件上满足EMC性能、温湿度滥用系统、电气 滥用等性
能，在软件上，需满足整车的软件代码要 求和诊断标定接口要求。
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电池管理系统
BMS功能
状态检测与估计 检测电池的总电压、单体电压、电流、温度 等信息并估计电池的SOC和SOH等内部状 态。检测高压母线的绝缘状态。 控制与保护 控制继电器、充电机、风扇等，根据电池状 态控制均衡。 通讯与诊断 与整车通讯、诊断与标定功能。
电池管理系统
状态检测
测量内容 电池总电压 电容端电压 CECU 电流大环 电流小环 绝缘检测 单体电压 温度检测 采样精度 0.1V 0.1V 1A 0.2A 1k(0~100k) 10mV/5mV 1℃ 测量范围 0~410V 0~410V -350A~350A -30A~30A 0~5000mV -40℃~125℃
LECU
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电池管理系统
状态估计-SOC
荷电状态（soc，state of charge）
类似于油箱还剩下多少油（%）
满充时SOC＝100%；当电池中的活性物质全部用光时SOC＝0 。
SOC 1
1
Q max
I
ef f
dt
这里 Ieff 为蓄电池电流，它包括两部分：外部放电和自放电。 Qmax 是理论上蓄电池最大的容量在实际应用当中 Qmax 通常 由标称 容量 KN 代替;） 。
油箱剩余油量可以通过液位传感器直接得到，但是SOC不能通过 检测直接得到，只能借助某种算法进行间接估计。
SOC估计
Soc估计精度很难精确，主要有一下几个方面的原因： 电池是一个封闭的电化学反应系统，具有非线性时变特性，因此其模 型很难精确反应真实系统。 电池的开路电压与SOC之间不是简单的线性关系。 不同的温度下电池的自放电率和可用容量有所不同。 此外，SOC还受电池寿命以及充放电电流的影响。 不同类型的电池充放电特性有所不同，因此适用的SOC估计方法也不一样 HEV、PHEV和EV的工况不同，因此适用的SOC估计方法也不一样
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SOC估计
AH计量法
卡尔曼滤波算法
神经网络法
SOC
查表法
自适应滤波法
……
实际使用的方法可能是某几种算法的加权结合
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电池管理系统
状态估计-SOH
循环使用寿命（cycle life） 按照一定的测试标准，当电池容量降到某一规 定值以前，电池经历的充放电循环总次数。
电池在循环使用后，容量会逐渐衰减，内阻会逐渐变大。当 容量衰减到某一预定值时，电池的寿命就到了终点。
电池寿命状态同样不能直接检测得到，只能通过电池的使用 历史和其它参数间接反应出来。
电池管理系统
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电池管理系统
故障保护
一级故障 放电电流极大 高压绝缘值极低 局部温度极高 二级故障 SOC极低 通讯故障 放电电流过大 局部温度过高 单体电压极低 高压绝缘值过低 单体电压极高 三级故障 总电压不正常 高压绝缘值低 单体电压低 单体电压高 SOC过高 SOC过低 局部温度高 充电电流大 放电电流
大
电池管理系统
高压回路控制
主继电器控制 BMS根据VMS的命令控制主继电器的通断。 在温度过高、绝缘值极低等一级故障的情况下，BMS 会切断主继电器以保护电池。 预充电回路 在闭合主回路高压继电器前，先闭合预充电回路，给电容进行充电， 同时判断电容两端的电压是否达到要求，以及电流是否超过限制，然 后再闭合主回路高压继电器。
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电池管理系统
充电控制
对于EV和PHEV而言，还有地面充电机对动力电池进行充电。 BMS接到来自充电机的唤醒信号后，打开充电回路继电器，进入充电模式 快充模式 快充模式是在短时间内用大电流给电池充电。由于电流较大，BMS需要采用 相应的热管理技术防止温升过高，还需防止电池单体过充等。 慢充模式 在慢充模式下，通常采用先恒流后恒压的方法对电池充电。在充电的过程中 实现对电池的均衡化维护，以提高电池一致性。
电池管理系统
BMS的拓扑结构-集散式
VMS CAN总线 子网采用级联的方式 优点： 系统成本低
CECU主控模块 CAN总线或485总线
485总线或 SPI菊花链
ADS强电控制盒
LECU1
LECU2
LECU3
LECU4
电池模块
电池模块
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电池管理系统
集中式测量原理
分时采样 引线复杂，可靠性低
成本相对较低
电池管理系统
BMS的拓扑结构-分布式
分布式系统相较于集中式系统具有以下优点： 结构简单 可靠性高 易于安装维护 扩展性好
LCU：Local Control Unit BCU：Battery Control Unit VCU：Vehicle Control Unit
CECU负责电池组的监测、控制和诊断； LECU负责电池模块的监测、执行CECU的控制指令和诊断。
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电池管理系统
分布式测量原理
可同步采样 线束简单 可靠性高
BMS的要求
BMS作为汽车上的电子和电气控制元件，需 要满足汽车零部件的相应规范与要求。
硬件上需要满足电磁兼容 的要求，并要通过相应的 测试标准。 需满足电安全要求、温湿 度滥用系统、抗振动性能 等。
软件上需满足整车的软件 代码安全要求和诊断标定 接口要求
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BMS关键技术
SOC估计
单体均衡与充电维护
BMS电池管理 系统关键技术
热管理技术
Company Logo
电池管理系统
单体均衡--为什么要均衡？
动力电池是由许多个单体 电池串联组成的 电池不允许过充与过放 容量与自放电率存在个体差异 带来什么问题？
1
l
l
e
c
2
l
l
e
c
3
l
l
e
c
4
l
l
e
c
%
0
5
=
c
o
s
%
0
4
=
c
o
s
%
0
6
=
c
o
s
0
5
=
c
o
s
这种情况下，不管soc被算成多少，都可能导致cell2过放， 或者cell3过充
？
%
0
6
？
%
0
5
？
%
0
4
=
c
o
s
的
块
模
池
电
%
0
5
=
c
o
s
5
l
l
e
c
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电池管理系统
单体均衡—如何均衡？
主动均衡—“劫富济贫”
被动均衡– “共同贫穷”
主动均衡： 能量得到充分利用，但是结构复杂，成本高 被动均衡： 效率低，但实现简单，成本低，可靠性好
电池管理系统
单体均衡—均衡方案
耗散型均衡： 电阻均衡、电容均衡 非耗散型均衡 ： DC/DC转换器均衡、电流转向器均衡、新 型均衡
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• 电阻均衡方案
电池管理系统
–一般利用电池组内单体 的旁路电阻自消耗放电， 实现单体电压过高电池的 能量消耗来平衡电池组内 各单体间容量差的目的。 –特点：虽然这种方法可 以起到减小电池组内单体 不一致性的效果，但均衡 效率低，能耗大，且电阻 发热对系统造成恶劣影 响。
电池管理系统
• 电阻均衡方案
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电池管理系统
• 电容均衡方案
–电容作为储能元件，相邻 单体通过开关控制，利用 电容作为能量的载体，可 以将能量从能量高的单体 转移到能量低的单体上， 从而实现电池组内单体电 池的均衡。 –特点：可以实现电压均 衡，但无法保证电量均 衡，且均衡效率低。
电池管理系统
• 电容均衡方案
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电池管理系统
• 电容均衡方案
电池管理系统
• DC/DC转换器均衡方案
–是通过DC/DC将均衡外电 源与被均衡电池单体之间建 立一种升压/降压的能量转 换通道，通过开关选择，实 现单体电池的均衡充放电。 从均衡结构的拓扑形式来 分，可以分为分散式均衡和 集中式均衡。
分散式DC/DC转换均衡
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电池管理系统
• 特点：
–分散式均衡控制灵活， 可以实现同时多个单体 同时单独均衡，均衡效 率高，同时由于电路带 有大量感性元件、结构 复杂，控制复杂； –集中式均衡可以实现单 向的一对多均衡且控制 简单，但是反向均衡受 限。
集中式DC/DC转换均衡
电池管理系统
• 电感均衡方案
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电池管理系统
• 电感均衡方案
电池管理系统
• 电感均衡方案
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电池管理系统
• 几种方案的比较
电池管理系统
• 电流转向器均衡方案
–电流转向器均衡可将充 电电流从已充满电池转 移至相邻的单体，可以 防止满充电池过充电。 每个分流模块由一对功 率开关管，一个储能电 感和一对续流二极管组 成。每个分流模块两端 分别各接一节单体电 池，形成一个非隔离式 半桥变换电路。
电流转向器均衡
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Thank You!
www.themegallery.com
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新能源汽车技术
1.新能源汽车定义
• 新能源汽车，是指采用非常规的车用燃料作为动 力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载 动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的 先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、 新结构的汽车。 • 新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车（BEV， 包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车（FCEV）、 氢发动机汽车、其他新能源（如高效储能器、二 甲醚）汽车等各类别产品。
2009年工信部《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》
1
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1.新能源汽车定义
• 节能与新能源汽车主要指混合动力汽车、纯电动
汽车和燃料电池汽车。
2009年四部委《关于开展节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知》
• 新能源汽车主要指插电式（plug-in）混合动力乘 用车和纯电动乘用车。
2010年四部委《私人购买新能源汽车试点财政补助资金管理暂行办法》
1.新能源汽车定义
• 新能源汽车的认定标准为：(1) 获得许可在中国境内销售 的纯电动汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车，包 括乘用车、商用车和其他车辆；(2) 动力电池不包括铅酸 电池；(3) 插电式混合动力汽车最大电功率比大于30%； 插电式混合动力乘用车综合燃料消耗量（不含电能转化的 燃料消耗量）与现行的常规燃料消耗量标准中对应目标值 相比应小于60%；插电式混合动力商用车（含轻型、重型 商用车）综合工况燃料消耗量（不含电能转化的燃料消耗 量）与同类车型相比应小于60%；(4) 通过新能源汽车专 项检测，符合新能源汽车标准要求。
2012年财政部、国税总局、工信部《关于节约能源使用新能源车船车船 税政策的通知》
2
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1.新能源汽车定义
• 新能源汽车是指采用新型动力系统，完全或主要 依靠新型能源驱动的汽车。本规划所指新能源汽 车主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及 燃料电池汽车。
2012年国务院《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》
2.发展新能源汽车战略意义
3
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2.发展新能源汽车战略意义
2011年全球一次能源消费比例
中国, 21.30% 其它, 36.40%
美国, 18.50%
欧洲, 23.80%
2.发展新能源汽车战略意义
2011年中国能源结构
水力 6% 可再生能源 1%
石油 18%
核能 1% 天然气 4%
煤炭 70%
4
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2.发展新能源汽车战略意义
2013年，中国石油消费将突破5 亿吨。 ——石油对外依存度将突破60%
9
2.发展新能源汽车战略意义
中国汽车产业从量变到质变。 ——汽车产业亟需转型升级
10
5
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2.发展新能源汽车战略意义
车用石油消耗量日益增高(考虑效率提高，不考虑替代
能源） ——车用石油消耗量突破60%
4.1 5.1 6.3
中国石油产量（亿吨） 全社会石油消化增长 主要来自于车用石油 消耗增长
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2.发展新能源汽车战略意义
中国是全球PM2.5污染最严重的地区之一 ——环境安全与城市清洁问题迫在眉睫
图中：颜色由深蓝、浅蓝，到黄色、暗红，代表着PM2.5的浓度越来越高
12
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2.发展新能源汽车战略意义
交通带来的环境污染是城市清洁的罪魁祸首。 ——城市污染超过60%来自汽车尾气排放
PM2.5 构成
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2.发展新能源汽车战略意义
汽车的污染成 为中国大城市 的主要空气污 染源，排放法 规不断加严。
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2.发展新能源汽车战略意义
排放标准
2.发展新能源汽车战略意义
电动汽车 按轿车计算 百公里15kWh电力需求 一辆轿车家庭1年1.5万km 轿车保有量：2015年7600万辆 年电力需求：1710亿kWh
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2.发展新能源汽车战略意义
发电量
60000
50000
46000
40000
49400
41400 34668.8 36500
30000
25000
20000
14000
10000
6000
0 1990年 2000年 2005年 2008年 发电量 2009年 2010年 2011年 2012年
2.发展新能源汽车战略意义
能源效率
–为能源开采、加工、转换、利用等各个过程的效率
WTW（油井到车轮）
–分析车用燃料全生命周期各环节的能效，燃料可从地 下、海底或可再生能源中获取,通过陆地、海洋、输电 线传送等方式运输,热机、电机或电化学装置均可用来 实现能量转换。 –分为油井到油箱(WTT)和油箱到车轮(TTW)两个过程, WTT包含原料阶段(回收、处理、运输、储存)和燃料阶 段(提取、运输、储存、分配)。TTW包含从油箱到车轮 的能量转换和传送过程。
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2.发展新能源汽车战略意义
传统汽车，汽油车：16.5%，柴油车：25.3%
–从油井到油箱 中国石油开采过程的能量效率约为98％； 原油运输过程的能量效率约为99％； 原油在炼制厂加工成汽油和柴油的能量效率分别为85％ 和87％； –从油箱到车轮 传统汽油车约为20％； 柴油车约为30％。
2.发展新能源汽车战略意义
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2.发展新能源汽车战略意义
电动汽车，29.1%
–从煤到用户电 中国煤炭开采的能量效率约为97％； 煤炭运输过程的能量效率在99％； 煤的发电效率可达40.4%； 电力在输送过程中的能量效率约为92.9％； –从用户电到车轮 电池充放电综合效率约为85％ 传动系统效率约为95％
2.发展新能源汽车战略意义
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2.发展新能源汽车战略意义
二氧化碳排放
–1L汽油的二氧化碳排放2300g ，100公里6.9L油耗的二 氧化碳排放为15870g； –1kWh发电（全部燃煤）的二氧化碳排放为997g ，100 公里15kWh的二氧化碳的排放为14955g。 –1kWh发电（74%燃煤）
的二氧化碳排放为738g，100公 里15 kWh的二氧化碳的排放为11070g。
结论
–电动车与汽油车相比可减排二氧化碳5.8%。如考虑我 国目前的火电比例为74% ，电动汽车减排可达30.2%。
2.发展新能源汽车战略意义
• 电动汽车将为传统汽车行业带来质变
实现 节能减排 带动 产业链发展 提升 汽车产业竞争力
节能减排 发展到100万辆电动汽车规模时： 年减排CO2 量相当于一年植树1000万棵。
产业升级
年节约燃油可达40亿升以上，年节省燃油费约300亿元
新能源汽车产值可达2000亿元以上
24
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2.发展新能源汽车战略意义
能源 安全
2013年中国石油进口依存度将达到60% 中国石油消耗60%将用于汽车消费 中国将成世界最大的汽车消费国，推广新能源汽 车对国家能源结构优化有战略意义
环境 保护 产业 升级
城市污染超过60%来自汽车尾气排放 哥本哈根会议我们提出碳排放减排40%到45%，汽车 的尾气排放是PM2.5的重要来源，如不把汽车尾气排 放控制住，减排指标40%到45%想完成有困难。汽车 减排将是长期行为。
中国每1000人当中汽车的占有量是50辆，北京是 250辆，纽约是750辆，世界平均水平200辆到300 辆，我们还有差距。 汽车进入家庭一线城市交通拥堵，二线三线四线 城市发展空间非常大。
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2.发展新能源汽车战略意义
2001年“十五”开始， 我国电动汽车“三纵三横”发展格局 我国启动了“863计划” 政策、法规、标准、基础设施研究 电动汽车重大专项， 涉及的电动汽车包括3 燃料电池整车技术 混合动力整车技术 纯电动整车技术 整车标定和匹配 整车标定和匹配 整车标定和匹配 类：纯电动、混合动 燃料电池发动机 发动机和传动 力和燃料电池汽车， 机电耦合技术 并以这3类电动汽车为 多能源动力总成控制系统 “三纵”，多能源动 电机驱动系统和控制单元 力总成控制、驱动电 动力电池和电池组管理系统 机、动力蓄电池为 DC/DC变换器 ISA/ISG技术 “三横”，建立“三 政策、法规、标准、基础设施研究 纵三横”的开发布局。
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混合动力电动车定义
• 传送到车轮推进车辆运动的能量，至少来 自两种不同的能量转换装置； • 这些能量转换装置至少要从两种不同的量 能储存装置吸取能量； • 从储能装置流向车轮的这些通道，至少有 一条是可逆的，并至少还有一条是不可逆 的； • 如果可逆的储能装置供应的是电能时，则 称为混合动力电动车。
串联、并联、混联
按照能量合成的的形式主要分为 串联式(SHEV）、并联式 （PHEV）和混联式。
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串联式结构
• 特点 –不需要用变速箱，结构简单， 控制
算法简单 －可使用小内燃机内燃机且效率 高(可始终工作在最佳燃油曲 线上) –无换档冲击 –需要两套电驱动系统
ICE EDU BCU SDU --------内燃机 EGM - 发电机 驱动电机 GCU - 发电机控制器 电池控制器 Battery –动力电池 安全保护单元 CEU - 电机控制器 直流，高压 ----- 交流，高压 控制信号，低压
–电动机功率大
–电池功率大，重量高，成本高
–电池充放电深度大，寿命短
并联式结构
1. 前置式并联结构 2.后置式并联结构
• 特点
–只需一套电动驱动系统 –电机功率小、电池功率小、重量 轻、成本低 –可降低内燃机功率 –可实现纯电动、纯发动机及混合 动力等多重运行模式，可靠性高 –结构复杂、控制算法复杂
特点
可在已有车辆上改造、加装 只需一套电动机器及控制装置 电机力矩大、电池功率大、重量大、成本 高
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混联式结构
蓄电池组 控 制 器
发电机
电动机
发动机
转矩合成器
动力复合变速器
• 特点
电器连接
–无级变速，无换档冲击 –需要两套电驱动系统 机械连接 –电动机功率较大 –电池功率大，重量高，成本高 –需特制混合动力驱动单元，开发成本高
–结构复杂， 控制算法复杂
按照两种不同的能量的搭配比例不同，有四种类型，即： 轻度混合（micro hybrids），有时也叫“起－停混合” 中度混合（mild hybrids） 重度混合（full hybrids） 外电源插座充电混合（plug－in hybrids）
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公共服务用乘用车和轻型商用车示范推广 补助标准（单位：万元/辆）
节能与新 能源汽车 类型 节油 率
5%10% 0.4 10%20% 混合动力 汽车 20%30% 30%40% 40% 以上 纯电动 汽车 燃料电池 汽车 100% 100% ―― ―― ―― ―― ―― 2.8 3.2 ―― ―― ―― ―― 3.2 3.6 4.2 ―― ―― ―― ―― 4.2 4.5 5.0 6.0 25.0
十米以上城市公交客车示范推广补助 标准（单位：万元/辆）
节能与 新能源 汽车类 型 节 油 率 使用铅酸 使用镍氢电池、锂离子电池/ 电池的 超级电容器的混合动力系统 混合动力 系统 最大电功率比 最大电功率比
20%-50% 10%20% 混合动力 汽车 20%30% 30%40% 40% 以上 纯电动 汽车 燃料电池 汽车 100% 100% 5 7 8 ―― ―― ―― 20 25 30 35 ―― ―― 50%以上 ―― 30 36 42 50 60
最大电功率比
BSG车 10%-20% 20%-30% 30%-100% 型 ―― ―― ――
注：最大电功率比30%以上混合动力汽车补助标准均含plug-in
注：最大电功率比50%以上混合动力汽车补助标准均含plug-in
机电耦合系统
• 转矩耦合
• 转速耦合
• 功率耦合
–输出转矩与转速分别是发动机与电机转矩和转 速的线性和,因此发动机的转矩和转速都可控.
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机电耦合方式
• 转速耦合方式
单行星
排转速耦合系统
• 紧凑行星排混合动力传动系统(CHPTD)
CHPTD结构图
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单行星排转速耦合系统
• 紧凑行星排混合动力传动系统(CHPTD)
CHPTD结构原理图
单行星排转速耦合系统
• 紧凑行星排混合动力传动系统(CHPTD)
纯电机驱动工作模式
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单行星排转速耦合系统
• 紧凑行星排混合动力传动系统(CHPTD)
纯发动机驱动工作模式
单行星排转速耦合系统
• 紧凑行星排混合动力传动系统(CHPTD)
混合驱动工作模式
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机电耦合方式
• 转矩耦合方式
转速耦合传动系统
• 本田并联式混合动力系统（IMA）
–IMA-Integrated Motor Assist
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发动机 + 马达
280 100
220
发动机 + 马达 发动机
80
功率
发动机 马达
扭矩 (Nm)
140
40
扭矩
发动机 马达
100
20
60 2000 4000 6000 发动机转数 (rpm)
0
工作模式
驾驶状态
停止
起步/加速
轻微加速
匀速驾驶 (低速)
加速
急加速
匀速驾驶 (高速)
减速
驾驶模式
Engine + Motor LO-VT 辅助
CHRG ASST
Engine Motor 气缸怠速 辅助
CHRG ASST CHRG ASST
Engine + Motor LO-VT 辅助
CHRG ASST
Engine + Motor Hi-VT 辅助
CHRG ASST
Engine
气缸状态 马达状态
CHRG ASST
LO-VT
气缸怠速 充电
CHRG
ASST
CHRG
ASST
Time
功率 (kW)
180
60
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功率耦合系统
• 单排行星齿轮耦合
功率耦合系统
丰田普锐斯（Prius）混合动力系统
动力分配机构 (行星齿轮机构) – MG1 – 太阳轮 – MG2 – 齿圈 – 发动机– 行星架 车轮
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功率耦合系统
• 双排行星齿轮耦合
功率耦合系统
• 双排行星齿轮耦合
丰田Pruis混合动力系统
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功率耦合系统
• 丰田普锐斯（Prius）混合动力系统
电机1 行星轮1 行星轮2 电机2
– 发动机连接行星轮系1的行星架； – 电机1连接行星轮系1的太阳轮； – 电机2连接行星轮系2的太阳轮； – 输出轴连接行星轮系1和2的内齿圈。
功率耦合系统
ω
Carrier1 0 Sun1 MG1 2.6 发动机 1
Ring2 Ring1 1 输出
Carrier2 2.6
Sun2
MG2
在纯电动驱动模式以及纯电动制动模式下，发动机不会处在停止状态，也会 有转动，而且电机MG1也在转动，会消耗一部分能量。
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功率耦合系统
• 双排行星齿轮耦合
雷卡萨斯RX400h混合动力系统
功率耦合系统
雷卡萨斯RX400h混合动力系统
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功率耦合系统
• 双转子电机耦合
功率耦合系统
• 双转子电机耦合
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单模混合动力
单模混合动力
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单模混合动力
单模混合动力
混合动力无极调速系统优化工作原理
1. 对于任意的输出扭矩及车速，在一 定的范围内，可以任意配置发动机 的转速和扭矩； 2. 在特定的工作点，考虑电池的充放 电效率，及电机的效率，可以找
到 油耗最佳点，实现发动机优化； 3. 在混合动力工况工作时，当电池处 于平衡状态，总存在一个电机发 电，一个电机驱动，会有效率损 失，影响系统效率；但考虑发动机 工况的优化，可以比传统车得到更 好的经济性； 4. 控制上完全采用扭矩控制模式，对 于特定转速下的输出扭矩需求，根 据系统优化的策略，分配计算发动 机扭矩，和两个电机的扭矩。 E1 ② ICE Output（E2）
①
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双模混合动力
双模混合动力
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双模混合动力
通用Volt
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通用Volt
模式1(低速纯电力驱动)
通用Volt
模式2(高速纯电力驱动)
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通用Volt
模式3(低速增程)
通用Volt
模式4(高速增程)
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丰田THS混合动力系统
典型的单模混合动力--Prius混合动力变速箱
第一、二代Prius系统 采用链条传动
第三代Prius系统 采用齿轮传动
丰田THS混合动力系统
1997 2001 2003 2005 2006 Prius (NHW10) Estima Prius (NHW 20)
RX400h GS450h
Crown
Alphard Highlander
Camry HV
1997
2001
2003
2005
2006
丰田THS系统优点
整体结构简单，采用单行星齿轮排，大电机E2与 输出轴同轴使得EV模式时发动机不需要锁止元 件； 2. 高集成度设计，电机与控制器冷却系统集成设 计； 丰田THS系统缺点 3. 两自由度系统控制相对简单。 1. 1. 2. 3. 发动机扭矩只能由E1单独平衡； 大电机转速取决于车速，影响电机的工作效率； 高速行驶时出现功率循环，使得系统传动效率降 低，导致电机E2高过的功率需求。 单模方式只能在特定的区间，保持高的系统效 率，而不可能在所有工作区间达到高效。
丰田THS传动效率分析
1 0.722
Efficiency
0.8
0.6 1
0
1
2
3
4
5
PE1/PICE
E1为电动模式，电功率 路径出现功率循环。
0
0
4.
1
0
1
2
3
4
5
Ratio_nICE/nout
功率循环区间
功率分流区间
EV区间
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丰田THS混合动力系统
• 组成
MG1 发动机 行星齿轮机构 HV 蓄电池
变频器
差速器
MG2
丰田THS混合动力系统
• 动力分配机构 (行星齿轮机构)
MG1 – 太阳轮(S) MG2 – 齿圈(R) 车轮
发动机– 行星架(C)
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丰田THS混合动力系统
–MG1参数
项目 类型 功能 额定电压 V 最大输出功率 kW (PS) / rpm 最大输出扭矩 N· m (kgf· m) / rpm 最大扭矩时的电流值 Arms 最大转速 冷却系统 转/分 ’04 PRIUS 同步交流电机 发电机, 发动机的起动机 AC 500 37.8 (51) / 9500 45 (4.58) / 0 – 6000 75 10,000 rpm 水冷
丰田THS混合动力系统
–MG2参数
项目 类型 功能 额定电压 V 最大输出功率 kW (PS) / rpm 最大输出扭矩 N· m (kgf· m) / rpm 最大扭矩时的电流值 Arms 最大转速 冷却系统 转/分 ’04 PRIUS 同步交流电机 发电,驱动车轮 AC 500 50 (68) / 1200 – 1540 400 (40.8)
/ 0 1200 230 6,700 rpm 水冷
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丰田THS混合动力系统
• 发动机起动
MG1 作为起动机来起动发动机. 同时, 电流也流进MG2, 防止齿圈转动。
丰田THS混合动力系统
• 发动机起动和怠速
MG1 启动发动机后, 发动机驱动MG1 发电 并给 HV 电池充电.
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丰田THS混合动力系统
• 车辆起步
当车辆在小负荷/慢加速时只使用 MG2 驱动车辆起步.
丰田THS混合动力系统
• 车辆起步
当需要更多的动力时,MG1起动发动机.
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丰田THS混合动力系统
• 在轻负荷下加速
MG2 提供附加的驱动力以补充发动机动力. 驱动MG2的电流由MG1提供.
丰田THS混合动力系统
• 在重负荷下加速 (节气门全开)
在加速期间MG2 提供附加的驱动力补充发动机动力. MG1产生的电流供 给MG2. HV 电池也会根据加速的程度给MG2提供电流.
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2013/6/11
丰田THS混合动力系统
• 减速(D 档)
减速期间电能不再提供给MG1和 MG2 ，MG2 被车轮驱动作为发电机给 HV 蓄电池充电.
丰田THS混合动力系统
• 减速 (B 档)
MG2产生的电能提供给MG1, 然后MG1驱动发动机 . 同时, 发动机燃油切 断. MG1的原动力用作发动机制动.
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2013/6/11
丰田THS混合动力系统
• 倒车
只用MG2 作为倒车动力. 在SOC正常状态下,发动机在车辆倒车时不工作.
GM双模混合动力
基于单模混合动力的缺陷，GM研 发了双模混合动力
双模混合动力可以降 低对电机（转速和扭 矩）的要求，进一步 提高系统效率，降低 油耗。
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GM双模混合动力
双模结构原理图
GM双模混合动力
双模离合器工作模式
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GM双模混合动力
• 输入分配模式（EV1）
GM双模混合动力
• 输入分配模式（EV1）
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GM双模混合动力
• 输入分配模式（EV1）
GM双模混合动力
• 复合分配模式（EV2）
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GM双模混合动力
• 纯电力驱动
GM双模混合动力
• 发动机启动模式
C1—— ON
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GM双模混合动力
• 传动比大于3.69模式（模式一）
C1—— ON
GM双模混合动力
• 传动比固定在3.69模式
C1—— ON C4 —— ON
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2013/6/11
GM双模混合动力
• 传动比固定在1.7模式
C1—— ON C2 —— ON
GM双模混合动力
• 传动比小于1.7模式（模式二）
C2—— ON
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2013/6/11
GM双模混合动力
• 传动比固定于1模式
C2—— ON C4 —— ON
GM双模混合动力
• 传动比固定于0.74模式
C2—— ON C3 —— ON
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2013/6/11
车辆对动力电池的要求
动力电池是电动车辆的主要能量载体和动 力来源，可谓是新能源汽车的核“心”。
车辆对动力电池的要求
评价指标
功率 电池工作放电的速度。高功率可提高 电动车高速与加速性能。指标：比功率 (W/g)，功率密度(W/L)。 能量 电池储存
能量的能力。高能量可使电 动车行驶更长距离，并可减少电池体积和 重量。指标：比能量(Wh/g)，能量密度 (Wh/L)。 寿命 电池循环使用寿命。长寿命可延长电 动车使用年限，降低使用成本。指标：完 整循环次数、微循环次数。 安全 电池安全性与可靠性。提高电池工作 温度范围，防止过充、过热、机械损伤等 导致的危险情况。指标：各种安全测试标 准、工作温度范围。 成本 电池综合造价。技术推广与产业发展 的核心因素。指标：价格/kWh。
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2013/6/11
车辆对动力电池的要求
• 美国USABC电动车电池研发的中长期目标
美国能源建设部（USABC）设定锂电池成本发展目标是到2012年 降低到$500/kWh、2014年降低到$300/kWh。这一成本下降过程将使 电动续航里程10－40km的PHEV获得经济有效性。 商用化的成本最低要求是$150/kWh，考虑到物价因素，调整为 $ 230 /kWh。
车辆对动力电池的要求
• 科技部863对EV锂电池技术指标要求
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2013/6/11
车辆对动力电池的要求
• “节能与新能源汽车产业发展规划”对EV 锂电池技术指标要求
–到2015年，动力电池模块比能量达到150瓦时/ 公斤以上，成本降低至2元/瓦时，循环寿命稳 定达到2000次或10年以上；到2020年，动力电 池模块比能量达到300瓦时/公斤以上，成本降 至1.5元/瓦时以下。
车辆对动力电池的要求
按照应用的主要分类
高功率型 主要用在混合动力和燃料电池汽车上，作为辅助动 力源，提供车辆加速时所需的尖峰功率并接收车辆 制动时回馈的能量。 高能量型 主要用在纯电动汽车上，作为车辆的能量存储装置 提供车辆运行时所需的能量。 功率能量兼顾型：主要用处PHEV。
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车辆对动力电池的要求
动力电池发展与类型
• 动力电池分类（从材料）
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动力电池发展与类型
• 第一代动力电池 铅酸蓄电池
–优点：大电流放电性能良好。价格低廉，资源 丰富，电池回收率高 –缺点：质量比能量低，主要原材料铅有污染。
动力电池发展与类型
• 第二代动力电池碱性电池
–以氢氧化钾等碱性水溶液为电解液的二次电池 –Cd-Ni电池、MH-Ni电池 –比能量高、耐过充电性能好、密封性好 –价格较高
• 镍氢电池
–是镍镉电池的改进，比能量能达到60－ 80Wh/kg，且具有充电速度快、基本无记忆效 应、无环境污染，安全性高的特点，目前在全 球普通混合动力汽车（HEV）电池中占主导地 位
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动力电池发展与类型
• 第三代动力电池 锂离子动力电池
–电压高 –储存和循环寿命长 –荷电保持能力强 –环境污染低 –无记忆效应 –工作温度范围广 –内阻大 –过冲过放性
差
动力电池发展与类型
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动力电池发展与类型
动力电池发展与类型
• 第四代动力电池
锌空电池、硫电池、氢燃料电池
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2013/6/11
动力锂电池
• 锂离子电池的发展历史
–1980年，M. Armand等人首先提出用嵌锂化合 物来代替二次锂电池中的金属锂负极，并提出 “摇椅式电池”（rocking chair battery）的概念 –嵌锂化合物代替二次锂电池中的金属锂负极， 电池的安全性大为改善，并且具有良好的循环 寿命，同时电池的充放电效率也得到提高 –1990年日本Sony公司研制出以石油焦为负极、 LiCoO2为正极的锂离子二次电池
动力锂电池
• 锂离子电池基本原理
负极
隔膜/电解质
正极
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动力锂电池
• 磷酸铁锂电池反应原理
放电 正极 Li FePO4 ———— FePO4+Li++e充电 放电 + 负极 6C+Li +e ———— LiC6 充电 放电 总反应 6C+ Li FePO4 ———— FePO4+ LiC6 充电
动力锂电池
• 锂电池特点
–高能量密度 –高工作电压 –长循环寿命 –电化学特性稳定 –荷电保持能力强 –无污染 –无记忆效应
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动力锂电池
• 选择锂离子电池
（1）电压平台高：一般为3.2-3.7伏，而镍氢电池只有 1.2伏，铅酸电池只有2.0伏； （2）能量密度大：理论上能达到250-300Wh/Kg，目前只 能达到120-180Wh/Kg，镍氢电池只有40-60Wh/Kg； （3）循环寿命长：电芯有2000-3000次，成组后8001500次，镍氢只有500-700次，铅酸只有300-500次； （4）性价比高：2-3元/Wh，镍氢为8-9元/Wh （5）倍率放电好 （6）适用温度范围宽
动力锂电池
• 锂电池结构
正极 活性物质（LiCoO \LiMnO \LiNi Co O ) 导电剂、溶剂、粘合剂、基体 负极 活性物质（石墨、MCMB) 粘合剂、溶剂、基体 隔膜（PP+PE） 电解液（LiPF6 + DMC EC EMC) 外壳五金件（钢壳、铝壳、盖板、极耳、绝缘片）
2 2 x 1-x 2
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动力锂电池
• 锂电池安全保护
材料的多样化-正极材料
标称电压（平台电压）
磷酸铁锂电池标称电压为3.2-3.3V（在这一阶 段电池的放电时间最长），充电的最高电压一 般限制在3.65-3.7V，放电的最低电压限制在2.5V。
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动力锂电池制造工艺
锂电芯（cell）生产流程图
正极材料 铝箔 隔膜 负极材料
涂覆 涂覆
正极片
卷绕
卷好的负 正负极片 电解液
注入电池外外壳里
放入电池外外壳里
负极片
抽真空 封装后 成为单体 电池
铜箔
动力锂电池制造工艺
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动力锂电池测试
针刺
挤压
成组挤压
3C10V过充电
150℃30min热箱
短路
成组短路
成组过充电
动力锂电池测试
• 检测结果：应不爆炸、不起火（不漏液） • 过放电：
–模块在20℃±5℃下以1I3(A)电流放电，直至某 一单体蓄电池电压达到0V结
束试验。
• 过充电：
–以 3I3(A)电流充电，至某一单体蓄电池电压达 到5V或充电时间达到90min其中一个条件优先 达到即停止试验); –以 9I3(A)电流充电，至某一单体蓄电池电压达 到10V即停止试验。
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动力锂电池测试
• 短路
–将蓄电池模块经外部短路10min，外部线路电 阻应小于5m欧姆。
• 加热
–将蓄电池模块置于85℃±2℃恒温箱内，并保 温120nan。
• 挤压
–挤压方向: 垂直于蓄电池单体排列方向施压。 –挤压程度:挤压至蓄电池模块原始尺寸的85%， 保持5min后再挤压至蓄电池模块原始尺寸的 50%。
动力锂电池测试
• 电动电池短路试验
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动力锂电池测试
• 针刺
–用 (直径3mm︿8mm的耐高温钢针、以10mm/s ︿40mm/s的速度，从垂直于蓄电池极板的方向 至少贯穿3个蓄电池单体(钢针停留在蓄电池 中)。
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电池管理系统
电池管理系统
通过动力电池总成技术提高电池成组后的 整体性能
电池成组技术 电池包结构技术 电池热管理技术 电池管理系统技术
动力电池总 成四大核心 技术
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电池管理系统
电池成组技术
电池成组需要考虑到电池系统的可靠性和安全性、批 量化生产以及和管理系统间耦合度。
电池成组
电池成组测 试、仿真
电池管理系统
电池成组技术
电池成组需要考虑电池的容量、衰减速率、电池在充放 电态所表现的特性以及电池在静止态所表现出的特性。 B
批次工艺配组
容量配组
A
电池成组
C
静置曲线配组
内阻一致性配 组
E
D
充放电曲线拟合配 组
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电池管理系统
单体电池内阻筛选
电池管理系统
单体电池容量筛选
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电池管理系统
电池组单体电池充放电曲线
电池管理系统
电池包结构技术
电池包作为汽车零部件，需要满足整车对传统零部 件的要求； 电池包作为电池组的承载结构体，需要满足电池安 全及其电气安全等方面的要求。
整车对结构要求
外壳防护等级 结构抗冲击能力 结构抗振能力 结构抗腐蚀能力
电池对结构要求
电气绝缘性能 电气耐压性能 维修安全 结构滥用性能
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电池管理系统
电池包结构技术
与传统汽车的储能系统（汽油、柴油）相比，电池 的质量能量密度和体积能量密度都很低，这需要电 池包在满足整车和电池要求的基础上轻量化。
Cell
Pack
与整车配合
单体电池 电池包
未轻量化 120 Wh/kg
轻量化 120 Wh/kg 80-100 Wh/kg 20-30%
60-70 Wh/kg 40-50%
Module
性能损失
电池管理系统
热管理系统设计
为什么电池包需要热管理系统？
安全性 可靠性 电池寿命 影响电池应用于整车时的整体性能 高温对电 池的影响 电池电化
学体系 充放电循环效率 功率与容量等
需要对电池散热
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电池管理系统
热管理系统设计方法
电池模块 实验报告 实验报 告 测试工况
电池包设计
热管理系统设计要求： 保证电池热一致性和工作温度 紧密、轻量化、易成组 能耗低 可靠性高 易于维护
CFD仿真
电池管理系统
热管理系统在HEV上的运用
在HEV上，以乘客舱的空气为冷却介质，采用强制风冷的热管理系统已经成为了 大多数整车厂商和电池系统集成商的选择，主要是因为其具有以下优点： 能够有效对HEV电池进行散热； 系统复杂度低，易于实现和维护； 成本低，能耗低。 对乘客的舒适度影响不大。
Toyota Pruis电池包
Honda Insight 的电池包
Delphi的电池包
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电池管理系统
热管理系统在PHEV和EV上的运用
PHEV和EV上的电池系统中的电池数量多，一般布置在整车的中央通道和后排座 椅下，对系统空间使用率要求高，仍采用风冷的热管理方案会有如下问题： 无法有效地保证电池温度和温度一致性； 严重影响乘客的舒适度（噪音和温度）； 无法实现高等级的外壳防护。 与相变材料冷却、热管冷却、半导体冷却等热管理技术相比，水冷系统 技术成熟、成本较低，而且能够有效地解决风冷存在的问题，成为大多数整 车厂商和电池系统集成商比较倾向的选择。
通用Volt的电池包
电池管理系统
为什么需要BMS？
整车控制的需要
BMS向整车控制器上报电池的状态信息（SOC、可充放电功率等），并 执行来自整车控制器的命令，为整车能量管理提供依据。
BMS是联系用户的桥梁
BMS通过仪表向用户显示电池当前运行状态、故障信息，并具备故障报警功能
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电池管理系统
为什么需要BMS？
电池本身的需要
锂电池过充、过热会导致电池膨胀、起火、爆炸。过放会导致 电池永久性损坏 电池包的寿命取决于最差的一节电池，寿命的衰减导致整包的 成本上升
电池充放电是可逆的电化学反应，必须使电池运行在最佳温度 状态，以提高性能、延长寿命
为高压电安全提供保障
电池管理系统
电池管理系统（BMS）
ADS (高压自动切断系统)
电池管理系统主要包含以下三部分 高压自动切断系统（ADS） 电池管理
BMS
通讯与诊断
电池管理
通讯与诊断
ADS对电池系统的高压输入输出进行控制和诊 断； 电池管理部分对电池和电池组的信息进行采集、 运算和控制； 通讯和诊断部分对电池系统内部以及与整车之间 的通讯和诊断进行控制。 作为汽车上的电子和电气控制元件，电池管理系统 需在硬件上满足EMC性能、温湿度滥用系统、电气 滥用等性
能，在软件上，需满足整车的软件代码要 求和诊断标定接口要求。
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电池管理系统
BMS功能
状态检测与估计 检测电池的总电压、单体电压、电流、温度 等信息并估计电池的SOC和SOH等内部状 态。检测高压母线的绝缘状态。 控制与保护 控制继电器、充电机、风扇等，根据电池状 态控制均衡。 通讯与诊断 与整车通讯、诊断与标定功能。
电池管理系统
状态检测
测量内容 电池总电压 电容端电压 CECU 电流大环 电流小环 绝缘检测 单体电压 温度检测 采样精度 0.1V 0.1V 1A 0.2A 1k(0~100k) 10mV/5mV 1℃ 测量范围 0~410V 0~410V -350A~350A -30A~30A 0~5000mV -40℃~125℃
LECU
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电池管理系统
状态估计-SOC
荷电状态（soc，state of charge）
类似于油箱还剩下多少油（%）
满充时SOC＝100%；当电池中的活性物质全部用光时SOC＝0 。
SOC 1
1
Q max
I
ef f
dt
这里 Ieff 为蓄电池电流，它包括两部分：外部放电和自放电。 Qmax 是理论上蓄电池最大的容量在实际应用当中 Qmax 通常 由标称 容量 KN 代替;） 。
油箱剩余油量可以通过液位传感器直接得到，但是SOC不能通过 检测直接得到，只能借助某种算法进行间接估计。
SOC估计
Soc估计精度很难精确，主要有一下几个方面的原因： 电池是一个封闭的电化学反应系统，具有非线性时变特性，因此其模 型很难精确反应真实系统。 电池的开路电压与SOC之间不是简单的线性关系。 不同的温度下电池的自放电率和可用容量有所不同。 此外，SOC还受电池寿命以及充放电电流的影响。 不同类型的电池充放电特性有所不同，因此适用的SOC估计方法也不一样 HEV、PHEV和EV的工况不同，因此适用的SOC估计方法也不一样
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SOC估计
AH计量法
卡尔曼滤波算法
神经网络法
SOC
查表法
自适应滤波法
……
实际使用的方法可能是某几种算法的加权结合
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电池管理系统
状态估计-SOH
循环使用寿命（cycle life） 按照一定的测试标准，当电池容量降到某一规 定值以前，电池经历的充放电循环总次数。
电池在循环使用后，容量会逐渐衰减，内阻会逐渐变大。当 容量衰减到某一预定值时，电池的寿命就到了终点。
电池寿命状态同样不能直接检测得到，只能通过电池的使用 历史和其它参数间接反应出来。
电池管理系统
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电池管理系统
故障保护
一级故障 放电电流极大 高压绝缘值极低 局部温度极高 二级故障 SOC极低 通讯故障 放电电流过大 局部温度过高 单体电压极低 高压绝缘值过低 单体电压极高 三级故障 总电压不正常 高压绝缘值低 单体电压低 单体电压高 SOC过高 SOC过低 局部温度高 充电电流大 放电电流
大
电池管理系统
高压回路控制
主继电器控制 BMS根据VMS的命令控制主继电器的通断。 在温度过高、绝缘值极低等一级故障的情况下，BMS 会切断主继电器以保护电池。 预充电回路 在闭合主回路高压继电器前，先闭合预充电回路，给电容进行充电， 同时判断电容两端的电压是否达到要求，以及电流是否超过限制，然 后再闭合主回路高压继电器。
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电池管理系统
充电控制
对于EV和PHEV而言，还有地面充电机对动力电池进行充电。 BMS接到来自充电机的唤醒信号后，打开充电回路继电器，进入充电模式 快充模式 快充模式是在短时间内用大电流给电池充电。由于电流较大，BMS需要采用 相应的热管理技术防止温升过高，还需防止电池单体过充等。 慢充模式 在慢充模式下，通常采用先恒流后恒压的方法对电池充电。在充电的过程中 实现对电池的均衡化维护，以提高电池一致性。
电池管理系统
BMS的拓扑结构-集散式
VMS CAN总线 子网采用级联的方式 优点： 系统成本低
CECU主控模块 CAN总线或485总线
485总线或 SPI菊花链
ADS强电控制盒
LECU1
LECU2
LECU3
LECU4
电池模块
电池模块
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电池管理系统
集中式测量原理
分时采样 引线复杂，可靠性低
成本相对较低
电池管理系统
BMS的拓扑结构-分布式
分布式系统相较于集中式系统具有以下优点： 结构简单 可靠性高 易于安装维护 扩展性好
LCU：Local Control Unit BCU：Battery Control Unit VCU：Vehicle Control Unit
CECU负责电池组的监测、控制和诊断； LECU负责电池模块的监测、执行CECU的控制指令和诊断。
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电池管理系统
分布式测量原理
可同步采样 线束简单 可靠性高
BMS的要求
BMS作为汽车上的电子和电气控制元件，需 要满足汽车零部件的相应规范与要求。
硬件上需要满足电磁兼容 的要求，并要通过相应的 测试标准。 需满足电安全要求、温湿 度滥用系统、抗振动性能 等。
软件上需满足整车的软件 代码安全要求和诊断标定 接口要求
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BMS关键技术
SOC估计
单体均衡与充电维护
BMS电池管理 系统关键技术
热管理技术
Company Logo
电池管理系统
单体均衡--为什么要均衡？
动力电池是由许多个单体 电池串联组成的 电池不允许过充与过放 容量与自放电率存在个体差异 带来什么问题？
1
l
l
e
c
2
l
l
e
c
3
l
l
e
c
4
l
l
e
c
%
0
5
=
c
o
s
%
0
4
=
c
o
s
%
0
6
=
c
o
s
0
5
=
c
o
s
这种情况下，不管soc被算成多少，都可能导致cell2过放， 或者cell3过充
？
%
0
6
？
%
0
5
？
%
0
4
=
c
o
s
的
块
模
池
电
%
0
5
=
c
o
s
5
l
l
e
c
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电池管理系统
单体均衡—如何均衡？
主动均衡—“劫富济贫”
被动均衡– “共同贫穷”
主动均衡： 能量得到充分利用，但是结构复杂，成本高 被动均衡： 效率低，但实现简单，成本低，可靠性好
电池管理系统
单体均衡—均衡方案
耗散型均衡： 电阻均衡、电容均衡 非耗散型均衡 ： DC/DC转换器均衡、电流转向器均衡、新 型均衡
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• 电阻均衡方案
电池管理系统
–一般利用电池组内单体 的旁路电阻自消耗放电， 实现单体电压过高电池的 能量消耗来平衡电池组内 各单体间容量差的目的。 –特点：虽然这种方法可 以起到减小电池组内单体 不一致性的效果，但均衡 效率低，能耗大，且电阻 发热对系统造成恶劣影 响。
电池管理系统
• 电阻均衡方案
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电池管理系统
• 电容均衡方案
–电容作为储能元件，相邻 单体通过开关控制，利用 电容作为能量的载体，可 以将能量从能量高的单体 转移到能量低的单体上， 从而实现电池组内单体电 池的均衡。 –特点：可以实现电压均 衡，但无法保证电量均 衡，且均衡效率低。
电池管理系统
• 电容均衡方案
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电池管理系统
• 电容均衡方案
电池管理系统
• DC/DC转换器均衡方案
–是通过DC/DC将均衡外电 源与被均衡电池单体之间建 立一种升压/降压的能量转 换通道，通过开关选择，实 现单体电池的均衡充放电。 从均衡结构的拓扑形式来 分，可以分为分散式均衡和 集中式均衡。
分散式DC/DC转换均衡
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电池管理系统
• 特点：
–分散式均衡控制灵活， 可以实现同时多个单体 同时单独均衡，均衡效 率高，同时由于电路带 有大量感性元件、结构 复杂，控制复杂； –集中式均衡可以实现单 向的一对多均衡且控制 简单，但是反向均衡受 限。
集中式DC/DC转换均衡
电池管理系统
• 电感均衡方案
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电池管理系统
• 电感均衡方案
电池管理系统
• 电感均衡方案
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电池管理系统
• 几种方案的比较
电池管理系统
• 电流转向器均衡方案
–电流转向器均衡可将充 电电流从已充满电池转 移至相邻的单体，可以 防止满充电池过充电。 每个分流模块由一对功 率开关管，一个储能电 感和一对续流二极管组 成。每个分流模块两端 分别各接一节单体电 池，形成一个非隔离式 半桥变换电路。
电流转向器均衡
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