毕业论文丰田普锐斯混合动力汽车电源系统研究【完稿】

1、宁 波 技 师 学 院汽车技术系毕业论文毕 业 论 文 (2016级)题目:丰田普锐斯混合动力汽车电源系统研究 专业: 汽车运用工程 班级: 姓 名: 学 号: 指导老师: 宁波技师学院汽车技术系 2016年1月8 日摘 要为了应对能源危机,减缓全球气候变暖,许多国家都开始重视节能减排和发展低碳经济。电动汽车因为采用电力进行驱动,可以降低二氧化碳的排放量甚至实现零排 放,所以得到各国的重视而迅速发展。磷酸铁锂电池因其寿命长、安全性能好、成本低等优点成为电动汽车的理想动力源。 本文研究了磷酸铁锂电池的工作原理和特性,针对这些特性分析了磷酸铁锂电池在电动汽车上使用时需要解决的一些问题。在此基础上,

2、研究了磷酸铁锂电池的 SOC估算与修正策略、均衡控制策略、热管理策略、放电控制策略和充电控制策略。最后,将磷酸铁锂电池和电池管理系统结合在一起,研究了智能电池系统的实 现形式。硬件上设计了较为完善的结构和电路,软件上嵌入了针对磷酸铁锂电池的控制策略。智能电池系统内部对电池进行高效测量、管理和保护,对外提供完整的 电池信息,对充放电进行有效控制。 关键词： HYPERLINK :/xueshu.baidu /s?wd=%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%B1%BD%E8%BD%A6&tn=SE_baiduxueshu_c1gjeupa&ie=utf-8 t _blank 电动汽车; HY

3、PERLINK :/xueshu.baidu /s?wd=%E6%99%BA%E8%83%BD%E7%94%B5%E6%B1%A0%E7%B3%BB%E7%BB%9F&tn=SE_baiduxueshu_c1gjeupa&ie=utf-8 t _blank 智能电池系统;蓄电池AbstractIn order to cope with the energy crisis and slow down the global warming, many countries have begun to attach importance to energy-saving emission reduct

4、ion and develop low-carbon economy. Because the electric vehicle is driven by electric power, it can reduce the emission of carbon dioxide and even achieve zero discharge, so it has been paid more attention and developed rapidly in the world. Because of its long life, good safety performance and low

5、 cost, the lithium iron phosphate battery is an ideal power source for electric vehicles. In this paper, the working principle and characteristics of the lithium iron phosphate battery are studied. Some problems that need to be solved for the use of lithium iron phosphate battery in electric vehicle

6、 are analyzed. On the basis of this study, the SOC estimation and correction strategy, the balance control strategy, the thermal management strategy, the discharge control strategy and the charge control strategy of the lithium iron phosphate battery were studied. Finally, the system of lithium iron

7、 phosphate lithium battery and battery management system are combined together to study the real form of the smart battery system. On the hardware, the perfect structure and circuit are designed, and the control strategy of the lithium iron phosphate battery is embedded in the software. Intelligent

8、battery system inside the battery for efficient measurement, management and protection, to provide a complete battery information, to charge and discharge for effective control. Key words: electric vehicle;intelligent battery system;battery目 录中文摘要.IAbstract. = 2 * ROMAN II1.引言.12.电动汽车对蓄电池的要求. 23丰田普锐

9、斯电源系统描述.44.丰田普锐斯电源系统的常规维护.6 5.丰田普锐斯电源系统拆装注意事项.76.丰田普锐斯电源系统如何进行故障排除.9 (1) 电池组容量降低（2）电池组充电异常（3）电池组放电电压低（4）电源系统局部高温7.结论.12 致谢.13 参考文献.141 引 言电动汽车关键技术瓶颈突破的预期的增强以及能源危机、环境污染的加剧，各国政府逐布加大政策支持力度，全力推进电动汽车产业化。动力电池是新能源汽车的核心，是新能源汽车技术和成本上的最大瓶颈，是新能源汽车产业链中最核心的一环。未来汽车厂商之间的竞争，将主要是动力电池性能的竞争，先进的动力电池厂商，必将成为汽车厂商争夺的焦点。电动汽

10、车对动力蓄电池的要求包括安全性、能量密度、功率密度、一致性、低成本等。车用动力电源系统的设计是集电子技术、控制技术、材料科学、工艺过程控制、汽车技术和电源技术等为一体的高新综合科学技术，是一个系统工程。通过多年的发展，国内在电池性能方面与国外相差不大，但在整个车用动力电源系统性能方面和国外还有比较大的差距。2 混合动力汽车（HEV）对蓄电池的要求为了确保电动车合理的行驶性能，对其能源系统应具有如下要求：高比能量，以确保电动车达到合理的行驶里程；高比功率，确保加速和爬坡性能；寿命长，免维护；成本低，自放电小；充电快，效率高，以提高车辆的使用效率和接受制动回输功率的能力；尺寸小；安全性好；更换简便

11、。从HEV的使用特点可以看出，电池是一个功率辅助系统，大部分放电是以大电流进行的，能量消耗较小，所以设计时应着重注意功率性能而不是能量参数。HEV循环几乎不要求电池完全充电或完全放电，所以多只电池一起应用通常存在的问题（充电电压升高而导致泄气、电池之间的不平衡、过放电等）较少。主要的问题是电池的失效、整体的可靠性及电流分布，以及大电流长时间循环下的温度控制。最可能的失效是随着循环的进行电流的充放电功率性能的降低。过充电/深放电在由许多电池组成的电池组中几乎是不可避免的，随着电池使用时间的增加，可能性更大。由于许多电池串联一起使用，所以对电池的一致性要求很高。丰田公司的Prius电动车需要240

12、只电池串联，以前若一只电池出现故障，需要替换全部240只电池，后来进行了改进，设计了6单体电池组件，可以简便地更换失效电池，充电能量转换效率要高。另一个很重要的问题是电池管理方面的问题，包括水平的判断，其精确的判断不仅确定HEV可以使用的时间，也决定其工作状况的好坏。其他如安全性能、热管理性能等也是很必要的。各种混合动力对电源系统的总体要求如下。串联式混合电动汽车完全由电机驱动，内燃机-发动机总成与电池组一起提供电机所需要的电能，电池SOC处于较高水平，对电池系统功率的要求与纯电动汽车相似，但容量要低。并联式混合电动车内燃机和电机都可以直接对车轮提供驱动力，整车的驾驶要求可以由不同的动力组合结

13、构来满足。电池的容量可以更小，但是电池组瞬时提供的功率要满足汽车加速或爬坡要求，电池最大放电电流有时可能达到20C以上。电池的峰值功率要求大，能短时间大功率放电。较高的瞬间回馈功率。循环寿命要长。较高的能量密度。需配备电池管理系统和热管理系统。电池的SOC应保持在30%80%。3 丰田普锐斯电源系统描述蓄电池智能单元可以将判定充电或放电值（由动力管理控制ECU计算）所需的HV蓄电池状态信号（电压、电流和温度）转换为数字信号，并通过串行通信将其传输至动力管理控制ECU。蓄电池智能单元采用泄漏检测电路来检测HV蓄电池的任何泄漏情况。此外，蓄电池智能单元检测动力管理控制ECU所需的冷却风扇的电压，以

14、实现冷却风扇控制。蓄电池智能单元还将这些信号转换为数字信号并通过串行通信将其传输至动力管理控制ECU。图1SMR(系统主继电器)控制：1电源打开。电路连接SMR1和SMR3闭合；而后，SMR2闭合，然后SMR2断开，由于这种这种方式可以控制流过电阻器的电流，保护电路中的触电，避免其受到强电流造成的损害。2电源关闭。电路断开时，先断开SMR2，然后在断开SMR3，然后，HVECU确认各个继电器是否已经断开，这样HVECU可确定SMR2是否卡住。图2ECU对蓄电池的电路控制图4 丰田普锐斯电源系统的常规维护维护内容1检查动力电源系统的状态。2检查管理系统的功能是否正常。3对电池进行充放维护。维护方

15、法1外观维护 对电源系统的外观做检查如有问题应及时排除。2绝缘 断开电池组与整车的高压连接，用数字电压表测量各个电池包的总正、总负端子对车体的电压，是否小于上限值。如果发现电压偏高，应测量电池与车体是否绝缘。通过测量电池包总正、负对电池包外壳的电压可以大致确定电池包内绝缘故障的电池模块。如果绝缘性能检测正常，再进行充放维护。3电池及管理系统接通电池管理系统，采集并记录开路状况下电池组的总电压、各个电池模块的电压以及各个电池模块的温度。 按厂家推荐的充放电制度对系统进行充放电测试。在充放电过程中检查电池管理系统显示的电流、电压、温度和SOC是否正确；车辆正常运行过程中，检查管理系统数据显示是否正

16、常；否则进行故障排除。接通辅助电源，运行车辆直至冷却系统工作，观察冷却通道是否通畅。检查管理系统与各部分连接是否有松动。4冷却系统 检测进出风通道是否顺畅，风机是否能正常工作。清楚防尘网上的灰尘及杂物，或更换防尘网。 5 丰田普锐斯电源系统拆装注意事项1. 检查混合动力控制系统的注意事项(a) 检查高压系统或断开带转换器的逆变器总成低压连接器前，务必采取安全措施，如果佩戴绝缘手套并拆下维修塞把手以防电击。拆下维修塞把手后放到您自己口袋中，防止其他技师在您进行高压系统作业时将其意外连接。(b) 断开维修塞把手后，接触如何高压连接器或端子前，等待至少10分钟。提示：使带转换器的逆变器总成内的高压电

17、容器放电至少需等待10分钟。（c）检查带转换器的逆变器总成内检查点的端子电压。(d) 检查期间将电源的情况下按下电源开关将导致系统进入READY-on状态。这非常危险，因为可能对检查区域施加高电压。(e)接触高压系统的任何橙色线束前，将电源开关置于OFF位置、佩戴绝缘手套并辅助蓄电池负极端子上断开电缆。（f）执行任何电阻检查前，将电源开关置于OFF位置。（g）断开或重新连接任何连接器前，将电源开关置于OFF位置。(h)进行涉及高压线束的作业时，使用缠有乙烯绝缘带的工具或绝缘工具。（i）拆下高压连接器后，用绝缘胶带缠绕连接器以防止其接触异物。2. 混合动力控制系统激活的注意事项 （a）警告灯点亮

18、或断开并重新连接辅助蓄电池时，首次尝试将电源开关置于ON（READV）位置可能不会启动系统（系统可能未进入READV-on状态）。如果这样，则将电源开关置于OFF位置并再次尝试启动混合动力系统。拆卸丰田普锐斯电池及内部图片图3 图4图5 图6 图7 图8 6 丰田普锐斯电源系统如何进行故障排除电池组容量降低现象 电动车使用过程中，出现续航里程短的现象，显示电池容量不足。原因分析 出现上述现象，可能有以下原因：1单体电池电压不一致，容量差异性大，单体电池过早保护;2电池组处于寿命后期，容量下降；3电池组出现温度保护；4外围电路存在高能耗负载；5电池长期浅充、浅放，存在记忆效应；6放电平台过低达不

19、到要求而过早失效；7电池组放电环境温度低；8长期在超出电池组能力的情况下使用，衰减加快。（3）故障原因确定 首先确定充电是否正常，每次充电的充电量是否偏低，由于充电量偏低而导致放电量下降，需要从充电方面去查找故障原因。其次，检查放电环境温度记录，温度低放电容量会明显下降。再者，若电池经过了长期贮存，首先应按照维护制度进行维护，在进行使用。在电池组的应用过程中，通过BMS检查记录电池组的电压、电流、温度等情况，观察放电末期是由于何种原因引起的放电终止，根据引起放电终止的参数进行分析判断是何种原因。对于存在记忆效应的电池组按照系统的使用说明书或维护手册，进行定期维护，以小电流完全充放电循环23次，

20、可以消除记忆效应，恢复电池组的容量。某些情况下电路中增加了高耗能负载，会引起电池组放电时间缩短。长期超过电池组正常应用能力的状况下使用，电池组会衰减很快，表现为电池内阻增大，放电电压低。（4）故障处理措施 故障处理与故障原因的确定是紧密联系的过程。有些故障往往在查找故障原因的过程中就得到了修复。而有些故障原因需要在维修过程中才能完全确定。对于电源系统研究者来说，故障的处理并不是主要的，关键在于查找故障原因，避免同类时间再次发生在是主要的。一般单体电池出现故障，如内阻升高、漏液等，此时均已严重影响到电池性能，建议更换电池但应作好记录。若大部分电池内阻有明显升高，出现电池组容量降低的情况，没有回收

21、意义时，建议直接更换电池组。电池组充电异常现象 电源系统充电过程中，显示充电电压高、充电时间短，或者根本充不进电。原因分析 电池组充电电压过高，有可能是以下几种原因：1电池或充电环境温度低；2电池寿命后期，内阻增加;3电池实际容量已下降，仍以原来的倍率进行充电，相对充电倍率大；4电池之间连接松动，连接内阻大；5电池组荷电量已经很高；6充电机故障，充电电流大；7电池组长期存放，首次充电即以较大电流进行充电。电池组充不进电的可能原因：1电池内阻增加，或连接松动；2电池组内部出现断路；3电池组内部出现微短路状况。故障原因确定与故障处理 故障的确定和处理流程与上面的基本相同，首先应排查外部因素，如环境

22、温度和充电机，其次从电源系统方面查找问题，分BMS和电池组，排除BMS问题，电池组在分为连接部件问题和单体电池问题，排除连接部件问题，最终查单体电池的原因。若在正常温度下充电，电压仍偏高，可以通过阶跃充电检查系统的直流内阻是否明显增大。同时通过BMS检查单体电压数据，若有某些电池电压偏大，其他电压正常，则可能是这些电池长期过充、过放，造成内阻增大甚至断路，更换此部分电池，若电压均一性比较好，检查单体电压之和与总电压数据比较是否相差过大，若差别较大表明电池组内部线路连接松动，进行维修。电池组放电电压低现象 输出功率能力下降，正常电流放电电压平台明显下降，荷电量低时不能启动。原因分析1电池内阻增大

23、；2内部发生微短路或有电池短路，串联数量减少；3电池包内或环境温度低4连接松动；5荷电量低；6长期贮存未有效活化；7部分类型的电池长期浅充放存在记忆效应。故障原因确定与处理措施 一般放电电压低于充电电压高的原因是一致的，处理方式和处理措施一样。有两个原因不同，一是电池内部发生微短路，或者电池内部有电池短路，表现串联电池数量减少，一般微短路的电池充电后搁置其电压会明显降低，或者充电时其电压低，在充放电过程中进行监测便可查到这些电池。二是若电源系统本身发生漏电现象，也会出现放电低电压现象，此时检查电池组与车体的电压，找出漏电点，进行排除。对于电池包内部出现的内短路现象，大多是由于电池漏液等引起的，

24、此时拆开电池包进行检查，清理电池包内部，更换坏电池。4 电源系统局部高温（1）现象 车辆行驶过程中，电源系统某部位温度高出5C以上，并且多次表现为同一部位。（2）原因分析 1冷却通道受阻或该位置的冷却风扇故障；2局部连接片松动，连接电阻大；3该部件电池内阻明显增大，产热大；4设计缺陷，流场存在温度死角；5外围局部环境影响。（3）故障原因确定及处理措施 电池组局部高温，除了设计造成的流场死角问题外，冷却系统如风扇损坏、进出风口由于灰尘等堵塞是常见的因素，风机有故障需要更换，风道定期清理。另外若电池组在应用过程中，外围设备影响电池包局部位置，可能会引起电池内局部温度过高。局部高温另一个主要因素是应

25、用过程中局部产生了热源，热源主要是高电阻引起的，有两个可能，一是电池本身内阻加大，充放电过程中产热高，另一方面是连接片或接线端子松动，电阻升高。因此对于主电流回路的线路连接，应定期进行检查，否则松动后很容易出现烧坏接线柱，并且容易影响到电池性能。 5 结 论经过了这些时间对电源系统课题的学习，让我更全面的了解到了电源系统的各方面知识。从之前刚开始接处到该课题的一无所知，通过不断查阅汽车混合动力电源的书籍与其他各种资料，使我对丰田普锐斯的电源系统有了新的认识。结合了丰田普瑞斯混合动力汽车，了解了丰田普锐斯电源系统的常规维护、拆装注意事项以及一些故障的排除。虽然电源系统的故障种类繁多，但是其故障对

26、电源系统充电不正常现象是大致相同的，都是为了让电源系统给电动机供电。致 谢 在本次论文设计过程中，常亮老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。在此，我向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。参考文献1李相哲，丁干，石常青混合电动车及蓄电池电池工业，2003.2王红梅，许顺余，吴兵，插

27、电式混合动力汽车用动力蓄电池探析，2006.3黄倩锂离子电池热效应及安全性能研究上海：复旦大学，2007.4朱亚薇锂离子电池过充安全性能研究厦门；厦门大学2006.5刘晓岩现代汽车42V电源系统新技术2009.6李学成ISA/ISG在42V汽车电源中的应用分析，2008.7徐宏佳电动汽车混合动力系统的技术分析机电工程技术，2001.8黎林，姜久春电动汽车电池组绝缘检测方法的研究电子测量技术，2009.请删除以下内容，O(_)O谢谢！conduction, transfer of heat or electricity through a substance, resulting from a

28、difference in temperature between different parts of the substance, in the case of heat, or from a difference in electric potential, in the case of electricity. Since heat is energy associated with the motions of the particles making up the substance, it is transferred by such motions, shifting from

29、 regions of higher temperature, where the particles are more energetic, to regions of lower temperature. The rate of heat flow between two regions is proportional to the temperature difference between them and the heat conductivity of the substance. In solids, the molecules themselves are bound and

30、contribute to conduction of heat mainly by vibrating against neighboring molecules; a more important mechanism, however, is the migration of energetic free electrons through the solid. Metals, which have a high free-electron density, are good conductors of heat, while nonmetals, such as wood or glas

31、s, have few free electrons and do not conduct as well. Especially poor conductors, such as asbestos, have been used as insulators to impede heat flow (see insulation). Liquids and gases have their molecules farther apart and are generally poor conductors of heat. Conduction of electricity consists o

32、f the flow of charges as a result of an electromotive force, or potential difference. The rate of flow, i.e., the electric current, is proportional to the potential difference and to the electrical conductivity of the substance, which in turn depends on the nature of the substance, its cross-section

33、al area, and its temperature. In solids, electric current consists of a flow of electrons; as in the case of heat conduction, metals are better conductors of electricity because of their greater free-electron density, while nonmetals, such as rubber, are poor conductors and may be used as electrical

34、 insulators, or dielectrics. Increasing the cross-sectional area of a given conductor will increase the current because more electrons will be available for conduction. Increasing the temperature will inhibit conduction in a metal because the increased thermal motions of the electrons will tend to i

35、nterfere with their regular flow in an electric current; in a nonmetal, however, an increase in temperature improves conduction because it frees more electrons. In liquids and gases, current consists not only in the flow of electrons but also in that of ions. A highly ionized liquid solution, e.g.,

36、saltwater, is a good conductor. Gases at high temperatures tend to become ionized and thus become good conductors (see plasma), although at ordinary temperatures they tend to be poor conductors. See electrochemistry; electrolysis; superconductivity. Almost everyone has experienced the Doppler effect

37、, though perhaps without knowing what causes it. For example, if one is standing on a street corner and an ambulance approaches with its siren blaring, the sound of the siren steadily gains in pitch as it comes closer. Then, as it passes, the pitch suddenly lowers perceptibly. This is an example of

38、the Doppler effect: the change in the observed frequency of a wave when the source of the wave is moving with respect to the observer. The Doppler effect, which occurs both in sound and electromagnetic wavesincluding light waveshas a number of applications. Astronomers use it, for instance, to gauge

39、 the movement of stars relative to Earth. Closer to home, principles relating to the Doppler effect find application in radar technology. Doppler radar provides information concerning weather patterns, but some people experience it in a less pleasant way: when a police officer uses it to measure the

40、ir driving speed before writing a ticket. Sound and light are both examples of energy, and both are carried on waves. Wave motion is a type of harmonic motion that carries energy from one place to another without actually moving any matter. It is related to oscillation, a type of harmonic motion in

41、one or more dimensions. Oscillation involves no net movement, only movement in place; yet individual points in the wave medium are oscillating even as the overall wave pattern moves. The term periodic motion, or movement repeated at regular intervals called periods, describes the behavior of periodi

42、c waveswaves in which a uniform series of crests and troughs follow each other in regular succession. A period (represented by the symbol T ) is the amount of time required to complete one full cycle of the wave, from trough to crest and back to trough. Period is mathematically related to several ot

43、her aspects of wave motion, including wave speed, frequency, and wavelength. Frequency (abbreviated f ) is the number of waves passing through a given point during the interval of one second. It is measured in Hertz (Hz), named after nineteenth-century German physicist Heinrich Rudolf Hertz (1857-18

44、94), and a Hertz is equal to one cycle of oscillation per second. Higher frequencies are expressed in terms of kilohertz (kHz; 103 or 1,000 cycles per second); megahertz (MHz; 106 or 1 million cycles per second); and gigahertz (GHz; 109 or 1 billion cycles per second.) Wavelength (represented by the

45、 symbol , the Greek letter lambda) is the distance between a crest and the adjacent crest, or a trough and an adjacent trough, of a wave. The higher the frequency, the shorter the wavelength. Amplitude, though mathematically independent from the parameters discussed, is critical to the understanding

46、 of sound. Defined as the maximum displacement of a vibrating material, amplitude is the size of a wave. The greater the amplitude, the greater the energy the wave contains: amplitude indicates intensity, which, in the case of sound waves, is manifested as what people commonly call volume. Similarly

47、, the amplitude of a light wave determines the intensity of the light. electromagnetic radiation,energy radiated in the form of a wave as a result of the motion of electric charges. A moving charge gives rise to a magnetic field, and if the motion is changing (accelerated), then the magnetic field v

48、aries and in turn produces an electric field. These interacting electric and magnetic fields are at right angles to one another and also to the direction of propagation of the energy. Thus, an electromagnetic wave is a transverse wave. If the direction of the electric field is constant, the wave is

49、said to be polarized (see polarization of light). Electromagnetic radiation does not require a material medium and can travel through a vacuum. The theory of electromagnetic radiation was developed by James Clerk Maxwell and published in 1865. He showed that the speed of propagation of electromagnetic radiation should be