電動汽車電池與電動機(jī)技術(shù)綜述

電動汽車的發(fā)電能源主要包括車載電池和電動機(jī)，這里主要介紹，車載電池和電動機(jī)的充電方法與能源管理，具體如下：

1 車載電池模型預(yù)測充電控制[1]

家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS,圖1）的重要性在不斷增長，因為它可以自動滿足供需平衡的需求，同時明確考慮客戶需求。因此，本文提出了一種車載電池充電控制的綜合策略，該策略優(yōu)化車載電池的充電/放電過程，以使用家庭電力負(fù)載和家庭未來車輛狀態(tài)的預(yù)測信息。基于半馬爾可夫模型和動態(tài)規(guī)劃，建立未來車輛狀態(tài)預(yù)測算法。實時家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）中隨機(jī)建模/預(yù)測與模型預(yù)測控制（MPC）的組合是本文的主要貢獻(xiàn)之一。所提出的充電控制的有效性通過使用實驗測試臺來證明。

圖1 HEMS管理系統(tǒng)

在預(yù)測部分，首先利用自回歸（AR）模型對家庭用電負(fù)荷預(yù)測進(jìn)行研究，然后對最有可能的未來車輛狀態(tài)序列即家庭出行和到達(dá)時間剖面進(jìn)行預(yù)測。這是通過使用基于每日車輛使用的統(tǒng)計數(shù)據(jù)設(shè)計的半馬爾可夫模型的動態(tài)規(guī)劃（DP）來實現(xiàn)的[23]，[24]?？紤]到許多重要的限制，HEMS優(yōu)化了車載電池的充電/放電曲線。通過使用混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）來制定優(yōu)化，從而基于預(yù)測將日常家庭電力成本最小化。

為了最大限度地減少日常家庭電力成本，擬議的HEMS以后退的方式安排車輛電池的充電和放電。從實施HEMS實驗試驗臺提出的方案，已經(jīng)驗證了以下問題：

(1)作為MPC的集成，即在實際限制下EV電池的充電/放電的預(yù)測，優(yōu)化和執(zhí)行的整合成功制作并實時執(zhí)行；

(2)由于后退水平方案，所提出的HEMS對建模和預(yù)測誤差具有魯棒性，如電池動力學(xué)，家庭負(fù)荷和車輛狀態(tài)；

(3)擬議的HEMS具有經(jīng)濟(jì)潛在收益。預(yù)測方案的改進(jìn)以及所提出的HEMS與實時定價系統(tǒng)的融合將是我們未來的工作。

2 溫度對電池-超級電容器（UC）電動車中能量管理的影響[2]

文中已經(jīng)廣泛描述了具有多個電源的電動車輛（EV）的能量管理策略（圖2）。研究的能源包括電池、超級電容器、燃料電池、飛輪和太陽能電池板。管理策略決定如何以最佳方式組合兩個或更多個來源。但是，這些能源的行為以及電驅(qū)動器的行為取決于它們的溫度。此外，溫度在汽車應(yīng)用中可能具有極端值，并影響能源管理任務(wù)。在本文中，為了研究電池/超級電容器驅(qū)動電動車的溫度效應(yīng)，我們針對這些存儲組件以及傳動系統(tǒng)組件本身介紹了與溫度相關(guān)的模型：電力電子和電機(jī)。隨著溫度的升高，平均電機(jī)鐵損和超級電容器損耗趨于降低，而平均電機(jī)銅損和功率電子損耗趨于隨溫度升高而增加。這兩種相反的趨勢導(dǎo)致傳動系統(tǒng)的總損失對于所考慮的EV和在所考慮的溫度范圍內(nèi)隨著溫度具有相當(dāng)小的變化。因此，電動汽車的能源管理策略不必依靠溫度來獲得最大效率。

圖2 能源與動力需求匹配方案

為了檢驗溫度對本研究的影響，提出了一個兩階段能量管理策略，通過這種方式，對電池壽命產(chǎn)

由于快速的響應(yīng)時間，要求超級電容器滿足或恢復(fù)來自EV瞬時功率的需求。

為所有EV中組件構(gòu)建了與溫度相關(guān)的模型：電池、UC、帶齒輪箱的電機(jī)和電力電子設(shè)備的傳動系中。電機(jī)和變頻器受溫度影響最大。仿真結(jié)果表明，隨著溫度的降低銅損失的增加大致抵消了鐵損的減少，隨著溫度升高，總效率僅有小幅下降。當(dāng)溫度從20℃開始變化時，總效率從78.49%降至76.36%。由于總驅(qū)動效率僅隨溫度略有下降，因此可以得出結(jié)論，溫度對EV沒有顯著影響。

3 城市電動汽車電池和超級電容器（SC）能量管理的新戰(zhàn)略[3]

本文提出了城市電動汽車電池和超級電容器之間的能量管理新策略（圖3）。這兩個電源通過兩個雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接到直流母線，從而實現(xiàn)對每個電源的功率流量進(jìn)行單獨控制。

圖3 城市電動汽車電池與超級電容系統(tǒng)

考慮在電機(jī)軸上施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩的車輛動力學(xué)，這種能量管理策略允許根據(jù)各個來源的充電狀態(tài)以及停車、加速、下坡和上坡巡航、減速等車輛位移狀態(tài)在兩個電源之間劃分能量。該策略的目的是通過在靜止階段或施加在車輛上的負(fù)載很小時，通過將能量從電池轉(zhuǎn)移到SC來最大化SC的使用效果，充分利用能量；那么超級電容器將在緊急情況下準(zhǔn)備就緒，如快速加速或爬山。為了驗證控制設(shè)計和評估我們的能源管理策略的性能，使用MATLAB/Simulink軟件對城市混合動力汽車運(yùn)動進(jìn)行了仿真。

能源管理系統(tǒng)（EMS）是考慮由電池組和超級電容器組組成的混合儲能系統(tǒng)而開發(fā)的。在MATLAB庫中，電池和超級電容器塊實現(xiàn)了通用模型的參數(shù)化，以代表最流行的可充電電池和超級電容器類型。在本研究中，我們使用鋰電池作為主要儲能裝置，額定電壓278V，額定容量90Ah。輔助電源額定值（超級電容）為240V電壓和23.9F的電容。兩個DC-DC轉(zhuǎn)換器連接到相同的DC-Link，一個管理電池電力流，另一個管理SC電力流。SC和電池與DC-Link接口的兩個并聯(lián)DC-DC轉(zhuǎn)換器可以提供良好的靈活性電源管理，無論是能量流向DC-Link時升高作為升壓行為的電壓電平，還是能量從DC-Link流出時到顯示典型降壓行為的電壓電平，都是有效的。

4 電動四輪驅(qū)動車輛的輪轂電機(jī)選擇策略[4]

本文旨在分析主要為城市交通而設(shè)計的電動汽車不同驅(qū)動系統(tǒng)的效率、重量和成本。驅(qū)動系統(tǒng)基于輪轂電機(jī)，并對兩輪和四輪驅(qū)動配置進(jìn)行評估。此外，在四輪驅(qū)動（圖4）的情況下，分析具有相同或不同輪轂電機(jī)特征的配置。

圖4 獨立電池包的4輪驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

提出了一個簡單的電氣等效電路和一個實驗方法，它可以建模逆變器-BLDC系統(tǒng)的損耗。然而，在這項研究中，沒有考慮逆變器損耗，因為我們的目標(biāo)是分析電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的效率，成本和重量如何依賴于輪轂電機(jī)的數(shù)量和特性。因此，對于我們的研究而言，僅定義電機(jī)模型非常重要。

為了分析驅(qū)動系統(tǒng)效率，有必要參考考慮到機(jī)械和電力損失的電動機(jī)模型。分析了兩輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動的驅(qū)動系統(tǒng)。在第二種情況下，已經(jīng)模擬了具有不同和相同標(biāo)準(zhǔn)功率的BLDC（無刷直流電機(jī)）。對于每種配置，已經(jīng)設(shè)計了特定的電池逆變器系統(tǒng)，并考慮了它們的重量和價格。就能耗、總重量和成本而言進(jìn)行了比較，表明具有兩輪驅(qū)動的驅(qū)動系統(tǒng)是最便宜和最輕的，但是它在能量消耗方面是最差的。相反，使用四輪驅(qū)動可降低能耗，但會增加成本和重量。研究表明，使用具有不同特性曲線的兩對不同的電機(jī)，可以改善四個相同電機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)的能耗。這種混合解決方案可以降低相對于均勻推進(jìn)系統(tǒng)的成本和重量。此外，已經(jīng)表明，就成本和重量而言，在2WD和4WD均勻配置的情況下，比混合動力驅(qū)動系統(tǒng)更昂貴。因此，與2WD或4WD均勻配置相比，混合驅(qū)動系統(tǒng)具有最佳性能，此外，它們的特征可以改進(jìn)設(shè)計具有特定特性曲線的特設(shè)電動機(jī)。

這項研究的主要結(jié)果指出，混合動力配置相對于兩輪驅(qū)動或同質(zhì)四輪驅(qū)動解決方案具有更好的性能。

5 電動車輛的PLC三相異步電動機(jī)調(diào)速的電驅(qū)動系統(tǒng)[5]

該系統(tǒng)的設(shè)計范圍是通過三種方式來調(diào)整三相異步電機(jī)平臺的速度：自動（在這種方式下，速度曲線遵循用戶在電機(jī)啟動開始時施加的曲線），手動（通過這種方式，速度曲線可以從電位器或顯示面板中選擇）或在“GSM”中-在此模式下，模塊GPRS使用手機(jī)接收用戶的SMS，并發(fā)出命令切換處于正常狀態(tài)的數(shù)字輸入的狀態(tài)是邏輯“0”。在改變數(shù)字輸入狀態(tài)后，PLC自動進(jìn)入，這樣速度曲線遵循用戶在啟動發(fā)動機(jī)時開始施加的曲線）。

通過按下提供接觸器線圈K1（硬件按鈕）的按鈕啟動該過程，從而導(dǎo)致從變速驅(qū)動器（VSD）激活PLC接收到的就緒信號。該就緒信號是運(yùn)行PLC程序所必需的。

驅(qū)動三相電機(jī)的控制方案如下（圖5）。

圖5 驅(qū)動系統(tǒng)配置

為使操作電路正常工作，電源電路必須由三相電網(wǎng)供電，并且PLC的數(shù)字輸入必須滿足以下條件：

●斷路器Q閉合；

●提供要接觸器線圈（硬件按鈕）的按鈕;

●接觸器K處于閉合位置;

●從變頻器接收到的READY信號被激活。

如果在PLC的數(shù)字量輸入上滿足這四個條件，則在HMI（人機(jī)界面）屏幕上將顯示兩種三相電機(jī)速度控制方式。

如果我們選擇自動控制三相電機(jī)的調(diào)節(jié)速度模式，那么我們可以定義一個由用戶施加的四個值組成的速度曲線，最后一個速度值是電機(jī)的額定速度。

需要異步電機(jī)速度控制的工業(yè)應(yīng)用是多種多樣的。

這種用于使用PLC對三相異步電動機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)的電驅(qū)動系統(tǒng)（圖5）是用于推進(jìn)電動車輛的合適解決方案。

這個驅(qū)動系統(tǒng)的最重要的優(yōu)點是：

●節(jié)省大量能源;

●通過啟動和保持低于標(biāo)稱值的平滑斜坡起動電流來實現(xiàn)電源故障;

●保護(hù)設(shè)備。

6 電動車和混合動力車用交流電動機(jī)和驅(qū)動器[6]

目前基于三相感應(yīng)電機(jī)的混合動力驅(qū)動已經(jīng)在不同類型的車輛（即地面，船舶，飛行器）領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它們的嚴(yán)重缺點是逆變器中的高能量損失，這些損耗的存在由逆變器晶體管的高開關(guān)頻率來解釋。

圖6 多相感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)

為了消除這個缺點，有必要使用混合交流動力系統(tǒng)的設(shè)計方法。根據(jù)這些新穎的原理，上述系統(tǒng)不得包含任何以高頻工作的功率電子元件。這種新型混合動力系統(tǒng)在多相（即相數(shù)超過四相）AC發(fā)電機(jī)（例如柴油發(fā)電機(jī)）和非傳統(tǒng)受控多相感應(yīng)電動機(jī)的基礎(chǔ)上是可能的。在不同類型的車輛（即地面、海洋、飛行器）領(lǐng)域中使用多相異步線性和非線性驅(qū)動器的前景已在多篇論文中提出并描述。然而，異步電驅(qū)動系統(tǒng)的相數(shù)的增加不僅可以提高其許多技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性，而且具有更簡單的設(shè)計和控制單元以及更少的能量損失（與類似的現(xiàn)有混合動力驅(qū)動器相比）。這些新型混合動力牽引驅(qū)動裝置基于使用多相交流柴油發(fā)電機(jī)和非傳統(tǒng)可控多相感應(yīng)電機(jī)。本文介紹了新一代混合動力傳動的設(shè)計基本原理。這些基本的設(shè)計原則如下：

（1）交流柴油發(fā)電機(jī)和感應(yīng)電動機(jī)相數(shù)超過四個

（2）多相感應(yīng)電動機(jī)作為超同步控制方式（OSM）和相位控制方式（PPM）的應(yīng)用。

（3）使用新的多相交流感應(yīng)電機(jī)設(shè)計（圖6）。

PPM控制的多相感應(yīng)電機(jī)實際上是一種多速電機(jī)，與三相單速感應(yīng)電機(jī)的繞組相同。如果PPM控制的多相交流感應(yīng)電動機(jī)的相數(shù)增加，則電動機(jī)速度離散值的數(shù)量會增加。因此，在這種多相混合動力牽引驅(qū)動器中不需要使用晶體管逆變器來調(diào)節(jié)感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子速度。相應(yīng)的晶閘管或機(jī)電換向器用于新型的多相混合動力驅(qū)動器而不是晶體管逆變器。這種換向器的工作頻率遠(yuǎn)小于上述逆變器IGBT的工作頻率。由于這個原因，新一代多相混合動力驅(qū)動（與現(xiàn)有的類似混合動力驅(qū)動相比）的能量損失要少的多，并且電動機(jī)控制過程要簡單的多。

7 直驅(qū)電動車用軸向磁通無刷直流電動機(jī)的設(shè)計和比較[7]

由于其高扭矩密度，高效率和極其緊湊的結(jié)構(gòu)，具有集中繞組的軸向通量永磁無刷直流（AFPM?BLDC，圖7）電機(jī)是直接驅(qū)動應(yīng)用的非常有吸引力的選擇。本文介紹了具有常規(guī)插槽和極數(shù)的AFPM?BLDC電機(jī)的比較，即插槽數(shù)與極數(shù)比為3或者2；或者類似的插槽和極數(shù)。而且，未來的工業(yè)車輛必須將所得到的結(jié)果納入設(shè)計步驟。為了估計軸向磁通電機(jī)的所需扭矩，考慮包括滾動阻力、氣動阻力和爬坡阻力的簡單車輛模型受力狀態(tài)。在這項研究中，使用高精度三維有限元（3-D FE）方法獲得兩個AFPM?BLDC電動機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩、磁鏈反電動勢、繞組電感和電磁轉(zhuǎn)矩。它提供了在設(shè)計AFPMBLDC電機(jī)時需要考慮的有用結(jié)果。

圖7 YASA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的AFPM電機(jī)

為了比較電機(jī)性能，電機(jī)具有相同的尺寸，磁性和電力負(fù)載。針對15插槽/10極AFPM電機(jī)（電機(jī)A）和12插槽/10極AFPM電機(jī)（電機(jī)B）進(jìn)行比較。

轉(zhuǎn)矩波形具有關(guān)于電動機(jī)性能的主要信息，包括轉(zhuǎn)矩平均和轉(zhuǎn)矩脈動，并且可以根據(jù)不同應(yīng)用選擇電動機(jī)。本研究考慮的機(jī)器配有120?直流相電流波形（模擬無刷直流運(yùn)行）和幅值為34A。輸出轉(zhuǎn)矩如文中圖6所示。電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩、平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動如文中表6所示?？梢钥闯觯捎谳^高的繞組系數(shù)，具有相似極數(shù)的電機(jī)B具有較高的轉(zhuǎn)矩值，而具有傳統(tǒng)極槽組合的電機(jī)A具有較低的轉(zhuǎn)矩脈動，因此非常適合低噪聲和振動很重要的應(yīng)用。

8 減少混合動力電動汽車電池組縮小能量的機(jī)率[8]

本文提供了一種方法（圖8），為混合動力電動汽車（HEV）中的電池組進(jìn)行小型化。除了利用率，溫度，壽命和成本之外，還引入并分析了新術(shù)語和失去能源機(jī)會的新度量。基于模型的功率限制算法用于計算電池的實時功率容量。在輕型混合動力汽車中評估SOC的充電。參數(shù)化的電熱模型用于捕獲電壓，充電狀態(tài)和溫度。整合半經(jīng)驗老化模型來預(yù)測小尺寸包裝電池容量的損失。電池老化模型是基于的實驗開發(fā)的，以闡明操作SOC對電池退化的影響。參數(shù)研究表明，電池組中的電池數(shù)量可以從76個減少到64個，同時將標(biāo)稱工作SOC從50%轉(zhuǎn)換到35%，而不改變電池組的能量通量。這將導(dǎo)致每個電池的能源利用率增加19%，容量衰減增加0.5%，內(nèi)阻增加2.9%，而包裝成本將降低10%。該優(yōu)化策略優(yōu)化的速度結(jié)果，可以作為將來設(shè)計太陽能電動汽車提供了依據(jù)。

圖8 電池包小型化對電池功率影響研究方法

具體來說，定量分析考慮了包括能量利用率、溫度升高、RMS電流、充電和放電損失的能量機(jī)會、容量衰減和電阻增加以及成本等性能指標(biāo)。該分析適用于循環(huán)操作下的輕載HEV設(shè)計，并具有規(guī)定的負(fù)載。電池組可以從76個減小到64個電池，而不會發(fā)生任何能量損失。由于充電失去能量的情況大大減少，總能量增加。在評估感興趣的電池的性能時，使用等效電路電熱模型和半經(jīng)驗容量衰減和電阻增加模型來捕獲鋰離子電池的SOC、電壓、溫度、容量衰減和電阻增加。特別是，容量衰減和電阻增加模型使用新的實驗中收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化，其中使用來自HEV的積極的聯(lián)邦行駛時間表US06的實際功率分布。根據(jù)標(biāo)稱運(yùn)行SOC，容量衰減和每個電池的能量，引入了損失能量機(jī)會的新性能指標(biāo)，以確定零損失能量機(jī)會的區(qū)域（不拒絕請求的功率）。由于電池小型化，10%的成本可以降低，這是通過使用阿貢國家實驗室的電池性能和成本（BatPac）模型來評估的。

9 電動汽車驅(qū)動電機(jī)釹鐵硼磁體的回收利用[9]

近年來，混合動力汽車和電動汽車的電動汽車得到了各國政府和公司的大力推動，市場份額不斷增加。2015年，全球約有50萬輛電動車銷售，其中大多數(shù)電動車配備了永磁電機(jī)。盡管報廢汽車的數(shù)量仍然很低，但必須適應(yīng)電動汽車引入的特定組件和材料，以實現(xiàn)高回收率，特別是小金屬回收率。對于永磁電機(jī)，主要挑戰(zhàn)是在已建立的回收過程中回收含有釹鐵硼磁體的鋼鐵回收路線。在熔化過程中，只有鐵被回收，而稀土則和爐渣一起失去。雖然釹鐵硼磁體的工業(yè)回收工藝至少在中國和其他一些國家計劃中實施，但關(guān)于必要的上游工藝的公開信息甚少，包括從報廢車輛產(chǎn)品中拆卸電動機(jī)，電機(jī)拆卸到轉(zhuǎn)子/定子水平，以及從磁鐵中抽出。德國MORE項目是針對幾乎整個回收鏈的幾個已知活動之一。該項目展示了整個回收鏈的技術(shù)可行性。此外，結(jié)果表明，即使在高工資國家（從2014年開始的金屬價格），包括磁鐵在內(nèi)的電動馬達(dá)的再利用可以實現(xiàn)盈利，并且與主要原材料生產(chǎn)相比具有生態(tài)優(yōu)勢。先決條件是具有成本效益的機(jī)械化和自動化拆卸技術(shù)。然而，由于數(shù)據(jù)是來自于有限數(shù)量的測試車輛和發(fā)動機(jī)，示范裝置以及小規(guī)模試點工廠獲得的，因此仍存在明顯的不確定性。此外，這些計算是基于當(dāng)前的汽車模型，并沒有體現(xiàn)出新車型設(shè)計，輪轂電機(jī)以及電動機(jī)中電力電子器件的集成等趨勢。即使MORE項目示例性地表明包含釹鐵硼磁體的電驅(qū)動電機(jī)可以回收利用，仍然存在許多挑戰(zhàn)和不確定性。因此，未來的研究和開發(fā)需要改進(jìn)數(shù)據(jù)庫，擴(kuò)大已開發(fā)的流程并使其適應(yīng)即將到來的趨勢。

圖9 簡化的流程圖-MORE項目濕法冶金回收

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