车用动力电池系统的关键技术与学科前沿
2016-06-04张剑波卢兰光李哲
张剑波，卢兰光，李哲
车用动力电池系统的关键技术与学科前沿
张剑波，卢兰光，李哲
环境污染、石油储量有限及全球气候变暖迫使人们在汽车动力系统领域寻求技术突破。汽车电动化技术因其显著的节能减排效果、较低的使用成本以及便于维护等优点已经进入普及的初期阶段。日本计划在2020年以前，中国大陆市场上的动力化。从2009年到2011年，三菱、日产、通用相继开始销售使用锂离子电池的量产型电动汽车。可再生能源利用时对储电能力的需求、车网与电网联合使用的前景、发生重大自然灾害时电动汽车作为应急电源的作用等，进一步提高了人们对电动汽车的期待。
然而，目前电动汽车尚存在续驶里程短、寿命短、初期成本高、安全性差等问题。而这些问题都来自于车用动力电池系统在性能、耐久性、成本、安全性上的局限，车用动力电池系统技术已成为电动汽车走向普及的瓶颈。要攻克这一瓶颈，需要从材料开发、电池设计、生产制造、系统集成、商业模式多方面进行探索和突破。本文重点从系统集成层次介绍车用动力电池系统的关键技术与学科前沿问题。
1 主要车用动力电池系统的统计与分析
列出了42款已经或即将上市的纯电动轿车产品，并给出了其续驶里程、能耗和电池能量等关键参数。42款产品中包含全尺寸轿车车型9种、中型轿车14种和小、微型轿车19 种。可以看出，中小型、微型的纯电动汽车（battery electric vehicle, BEV）是市场开发的主流方向，车辆的电池能量集中在20～30 kWh 区间，能耗集中在10～20 kWh/（100 km）左右，续驶里程在100～200 km附近。
为了进一步分析车用动力电池系统的技术特点，对比了美国、日本、及欧洲市场上进入量产阶段的6款代表性的电动汽车电池系统，可以看出，车用动力电池系统技术呈现以下趋势和特点：
1）锂离子电池成为车用动力电池的主流，纯电动汽车和插电式电动汽车均采用锂离子电池，混合动力汽车的动力电池也在从镍氢电池向锂离子电池过渡。
2）与电子产品（数码产品或电动工具，下同）用电池相比，车用动力电池系统呈现大型化、成组化、模块化、使用条件更加苛刻等特点。
电子产品用电池的容量多在3 Ah以下，车用动力电池多在15～50 Ah之间。体积、容量的大型化，增加了电池热管理和安全保障的难度。
小型电子产品用电池多为单节使用，笔记本电脑成组使用也不过4～9 节；车用动力电池系统多为上百节甚至上千节混联使用，系统的性能、可靠性取决于最弱的一个电池（短板效应），系统的安全性取决于最不稳定的一个电池（底板效应），因此，对单体电池的一致性要求要比电子产品用电池高得多。另一方面，电池的组合使用还可能诱发、加速较弱电池的性能衰减，使得电池原有的不一致性在使用中不断加大，从而使均衡电路成为电池系统的必需组成，电池管理系统变得更加复杂。
为方便布局、提高安全性、增大通用性、加快研发进程，车用动力电池系统基本上都采用模块化设计。日产LEAF 的电池模块使用铝板壳体，弥补了单体电池铝塑膜机械强度的不足，且对单体电池有一定的压紧作用。GM的Volt将散热流场板组合在一对电池之间，模块承担了部分热管理机能。Daimler 在不同构型的电动汽车之间使用同样规格的电池模块，有助于降低成本。A123公司开发出具有较强可扩展性的模块化设计，通过插拔便能简便地组装成不同功率大小的电池系统。电子产品用电池常在室温附近使用，少有振动和冲击，寿命要求多在三年以内；车用动力电池使用环境温度范围宽广（-30～50℃），常处于频繁振动及恶劣冲击工况下，寿命要求多在八年以上（车用动力电池在寿命末期仍然有80%左右的容量，有二次利用的可能）。
3）先进的量产型电动汽车采用热电一体化（通用的Volt）、电池系统与电动汽车一体化（日产的LEAF）设计，技术集成度与成熟度较高。
4）在量产型电动汽车电池的正极材料体系上，锰酸锂及锰基三元锂离子正极材料占多数，磷酸铁锂正极材料为少数；在电池负极材料体系上，石墨仍为主流材料，但硬碳、钛酸锂等新型负极材料也得到了应用。
5）电池单体结构上，采用圆柱形卷绕式传统设计的厂家较少，更多厂家采用方形卷绕式或叠片式铝塑膜软包型的电池结构。铝塑膜软包型电池具有构造简单、构成部件数量少、厚度薄、散热性好、内部接触及热特性容易均匀、闲置空间小、内部压力容易释放、重量轻等优点；存在的问题是铝塑膜的机械强度不足、封装部位的耐久性有待实际验证、组装速度低等。与软包型电池相比，硬质外壳方形电池具有较高的抗内压能力，能够较好地抑制内部形变、降低接触阻抗。电子产品用的圆形电池（纽扣型或圆柱形）其形状尺寸都有相关国际规格限定，有助于在世界范围内通用设计、替代使用。动力电池中方形或软包型电池的形状、尺寸、材质、品质特性等标准还在讨论之中。中国率先制定了动力电池（包括镍氢电池与锂离子电池）的形状和尺寸标准。
6）美国汽车公司多从电池厂家选购电池，自己进行电池系统的设计；日本汽车公司则多与电池厂家进行合资，深度介入动力电池的研发与生产，试图全面掌握电动汽车的核心技术。
2 车用动力电池系统的组成及其关键技术
车用动力电池系统主要由电池组、电池管理系统（battery management system, BMS）以及电池箱体等组成。电池组由单体电池及由其连接而成的电池模块组成，其主要任务是存储电能，满足汽车功率和续驶里程的需求。BMS由各类传感器、执行器、固化有各种算法的控制器以及信号线等组成，其主要任务是保证电池组工作在安全区间内，提供车辆控制需要的电池信息，在异常情况下采取干预措施；并根据环境温度、电池状态及车辆需求，决定电池的充放电功率，尽可能延长电池的使用寿命。BMS的主要功能有：
1）电池参数检测。
含总电压总电流检测、单体电池电压检测（防止出现过充、过放、甚至反极现象）、温度检测、烟雾探测、绝缘检测、碰撞检测、阻抗检测等。
2）电池状态估计。
包括荷电状态（state of charge, SOC）或放电深度（depth of discharge, DOD）、健康状态（state of health, SOH）、功能状态（state of function, SOF）。根据放电电流、温度、电压等条件，估计电池的SOC 或DOD。根据电池使用历程和衰减程度，估计电池的SOH。根据电池SOC、SOH 和使用环境，估计电池的SOF。
3）在线故障诊断（on-board diagnosis, OBD）。
故障包括：传感器故障、执行器故障、网络故障、电池本身故障、过压（过充）、欠压（过放）、过流、超高温、超低温、接头松动、可燃气体浓度超标、绝缘故障、一致性故障、温升过快等。
4）电池安全控制与报警。
包括热失控控制、高压电安全控制。当诊断到故障后通过网络通知整车控制器或充电机，要求整车控制器或充电机进行处理（超过一定阈值时BMS也可以切断主回路电源），以防止高温、低温、过充、过放、过流、漏电等故障造成电池损害甚至人身伤害。
5）充电控制。
BMS根据电池的特性以及充电机的功率等级，通过控制充电机来给电池充电。
6）电池均衡。
根据单体电池信息，采用充电均衡、耗散或非耗散式均衡等方式，使单体间的荷电量尽可能一致。
7）热管理。
根据电池组内温度分布信息及充电或放电需求，决定是否启动加热或散热，并确定加热功率、散热功率的大小。
8）网络化。
需要在不拆卸的情况下对电池进行在线标定与监控、代码自动生成及在线程序下载等，一般采用CAN网络。
9）信息存储。
用于存储关键数据，如SOC、SOH、累积充放电安时数、故障码、一致性等。
10）电磁兼容。
由于电动汽车电磁使用环境恶劣，要求BMS具有好的抗电磁干扰能力，同时要求BMS 对外辐射较小。电池组对应的关键技术是电池组配技术，电池管理系统对应的关键技术按功能可分为3种：热管理技术、电能管理技术、安全保障技术。
2.1电池组配技术
电池组配技术主要解决以下问题：第一，按照车辆需求确定电池系统的能量、功率、电压等参数；第二，设计多节电池的串并联方法；第三，按照一定规则分选出一致性较好的单体电池；第四，保障电池系统可靠性。
2.1.1满足车辆需求的电池系统参数设计
不同构型的电动汽车对电池系统的要求明显不同，现有动力电池技术水平不能支持设计一种通用电池，仅仅通过它的组合就可以满足不同车型的需求，而需要细致了解不同车型的对能量、功率、充放频率、温度特性等多方面要求，进行量身定做。为了保证续驶里程，纯电动汽车（BEV）要求电池系统的能量较大，需要使用能量型电池，由于使用电池较多，相对容易具备较大功率，对单体电池的功率要求不是很高；混合动力汽车（hybrid electric vehicle, HEV）对动力电池系统的功率密度要求较高，其中相比而言，串联式混合动力（serial HEV）对电池的能量密度要求较高，并联式混合动力（parallel HEV）对功率密度的要求较高；插电式混合动力汽车（plug-in HEV, PHEV）在行驶中兼具HEV与BEV两方面的特征，对电池的能量密度和功率密度都有较高的要求，但由于车上装有燃油和发动机可供驱动车辆和对电池充电，对电池能量密度的要求不如BEV那样高。
从车重和设定的典型工况出发，可以计算出汽车行驶所需功率，加上续驶里程要求与车辆效率，可以算出所需总能量。要确定对电池系统的功率、能量要求，还需要考虑电池的功率、容量的衰减及低温特性，要求电池在寿命末期及低温情况下仍能满足工况的各种要求。根据马达、逆变器的输入电压范围及效率曲线，可以确定电池系统的最高电压与最低电压。而后可结合电池的标称电压，确定单体电池的串联个数。根据电池系统的功率和总电压，可以算出总电流。根据总电流和下节所述的串并联策略，可以确定电池的容量和倍率特性的要求。
决定电池循环寿命和SOC 使用区间时，HEV与BEV有很大不同。混合动力汽车充放电频率较高，但每次进出的能量不大。在确定HEV的SOC使用区间时，根据对电池系统的保障年数、使用模态来估算总的充放电次数，再根据电池衰减与SOC 的关系，确定SOC的工作范围。BEV需要使用电池的大部分SOC区间，根据质保公里数和满充电后的续驶里程，可以确定电池所应满足的充放电次数（即电池的循环寿命）。
2.1.2多节单体电池的电气连接方法设计
为达到所需电压、功率，同时便于监测、控制、并降低成本，车用动力电池组需要通过多节单体电池的串联或并联集合而成。从性能、耐久性和成本上讲，串并联各有其特征。串联时模块、系统的性能受限于最弱的电池。充电器若采用整体电压管理，电压较高的电池易发生过充。并联时容易因单体及环境差异出现偏流现象，引起SOC不均衡；充放倍率变化时，电池间会出现环流现象。并联时电压传感器个数、均衡电路个数比串联时要少些。
2.1.3电池单体的一致性与选配
可以把电池系统中单体电池出厂时所带的固有个体差异称为一次不一致性，原因包括原料的批次稳定性、电极板的制作、活物质的量、电极层的均匀度、活物质粒子大小的分布、电解液的总量与渗透度、电池中混入的水分量与位置、异物及杂质的混入程度与位置、制造环境（温度、湿度、清洁度等）的变化等。电池属于电化学产品，与机械产品、电子产品有很大不同。机械产品直接接触的部件才有相互作用，相互作用的数量与构成部件的个数同一个量级。电池电解液将电池内部的所有部件连在了一起，即使不直接接触也会发生不容忽视的相互作用，仅两两相互作用的个数就与构成部件个数的平方同量级，这就使得保证一致性变得更加困难。目前，国内电池产品的一次不一致性远远大于国外同类产品。国内先进厂家的电池容量差异在3%左右，而日本厂家电池容量差异多在0.3%～0.4%以内。
可以把使用中逐渐加大的单体电池间的差异称为二次不一致性，原因包括车载环境、使用方法、串并联位置、自放电的程度等。在国内的电动汽车示范项目中发现，成组后电池的寿命远远小于单体电池的寿命，表明电池组配与使用技术尚需较大提高。
为了减小电池个体间的不一致性并抑制其发展，需要在电池生产、使用的整个过程中采取措施：在进料时要检查，制造时要控制，集成时要筛选、配组，使用时要监测、限制。制造过程的控制方法是否有效，常常难以得到及时的反馈。电池测试既费时又昂贵，往往只能抽检少量成品来代表整批产品。因此，需要开发简便、快速、有效的方法对电池的一致性进行度量，以支持过程控制、质量管理，指导电池的分级、选配。有很多指标可以度量电池的不一致性，比如容量、开路电压、内阻、阻抗谱、自放电率、倍率特性、重量等。这些指标之间往往存在相互关联，需要找到能够比较全面度量电池不一致性的最小指标集合，明确各个指标与电池组件、结构的关联，排出指标的优先次序。
选配标准越严格，一方面会加大废品率，致使电池组的初期成本提高，另一方面，使用时控制的安全余量可以做的比较小，电池的可用容量就比较大，有助于电池组的充分与长期使用，从而降低电池组全生命期的成本。因此，选配标准的选取及其严格程度的把握非常重要。
2.1.4电池组可靠性技术
电池（模块）壳体、电池组箱体还应该满足绝缘安全、碰撞安全、耐震、防水、防尘、电磁兼容等可靠性要求。采用电池组更换方式的商业模式，对电池箱的机械强度、固定方式、导轨的可靠性设计、强电连接方式、强电安全设计提出了更高的要求。电池的组配设计中还应注意便于及时发现出了故障（或有故障症候）的单体电池，能够将其隔离并能方便更换。
2.2热管理技术
锂离子电池的性能、寿命、安全性均与电池的温度密切相关。温度过高，会加快副反应的进行，增大衰减（大致温度每升高15 ℃，寿命减少一半），甚至引发安全事故。温度过低，电池的功率、容量会明显降低，如不限制功率，可能带来锂离子析出，引起不可逆衰减，并埋下安全隐患。一般锂离子电池的适宜工作温度在10～30℃之间。电子产品用锂离子电池的使用环境温度与该适宜温度范围相差不大，不需要或只需要简单的散热器件。车用动力电池的使用环境温度非常宽广（-20～50℃），车内电池周围的热环境往往很不均匀，这为电池组的热管理提出了严峻的挑战。动力电池的大型化、成组化使用使得电池（组）的散热能力大大低于产热能力，尤其对于以高倍率放电为特征的HEV、PHEV，更需要设计复杂的散热系统。单体电池并联使用时（单体电池内部极片之间也是并联），温度不均匀会引起热电耦合，即温度高的电池（或部位）内阻较小，会分担更多的电流，致使荷电状态不均匀，从而加快电池组的劣化。因此，车用动力电池系统的热管理技术是保证其性能、寿命、及安全性的关键技术之一。
车用动力电池的热管理系统主要实现如下功能：第一，电池组温度较高时进行散热，防止电池过热引发安全事故；第二，电池组温度较低时对电池组进行加热，保证电池在低温环境下充电和放电的安全性和使用效率；第三，使电池组中不同位置电池和电池不同部位的温度差异尽可能小，抑制局部热点或热区的形成，使不同位置电池的热致衰减速率接近一致。一般电池组内部温差要小于5℃，GM的Volt采用热电一体化的水冷设计，可将最大温差控制在2℃以内，有力支持了8年的寿命保证期（GM对内燃机动力系统的保证期是5年）。
电池组热管理系统主要由以下几部分构成：1）传热介质：与电池组的热交换表面相接触的介质，通过该介质的流动将电池组内产生的热量散至外界环境中；2）流场环境：传热介质流经的路径及沿途流速、压力的分布情况；3）测温元件与控制电路：测温元件用于测量电池组不同位置的实时温度，控制电路根据实时温度进行散热执行器的动作决策；4）散热执行器：驱动传热介质进行循环的器件，以风扇与泵机等最为常见。
采用自然通风的热管理系统不包含散热执行器件。总结了6款电动汽车（包括HEV、PHEV和BEV）电池组的热管理系统概况。
2.2.1电池组热管理系统的传热介质
电池组热管理系统的传热介质主要有空气、液体与相变材料3类。
1）以空气为传热介质。
在采用空气作为传热介质的热管理系统中，外部环境或车箱中的空气进入热管理系统的流道，与电池组的热交换表面直接接触，并通过空气流动带走热量。按照空气流动的自发程度，可以分为自然通风和强制通风两类。自然通风包括自然对流及随车辆行驶产生的空气流动。强制通风主要由风扇驱动，风扇的瞬时功率由热管理系统的控制电路确定。
2）以液体为传热介质。
采用液体作为传热介质的热管理系统主要分为接触式和非接触式。接触式采用高度绝缘的液体如硅基油、矿物油等，可将电池组直接浸泡在传热液体中；非接触式采用水、乙二醇、或冷却液等导电液体，电池组不能与传热液体直接接触。此时，需在电池组内部布置分布式的密闭管道，传热液体从管道中流过带走热量，管道的材质及其密闭性保证了导电液体与电池本体的电绝缘。接触式或非接触式液冷系统中的液体流动主要依靠油泵/水泵等进行驱动。
由于液体的比热容及导热系数大大高于空气，因此，液冷热管理系统的散热效果理论上好于空冷系统。然而，液冷系统的以下两个特点降低了其实际使用中的散热效率：a）接触式液冷系统的传热介质绝缘油具有较高的粘度，需要较高的油泵功率以维持所需流速；b）非接触式液冷系统需要在电池组内部设计分布式的密闭流道，这增加了电池组的整体质量，并降低了电池表面与传热介质之间的热传递效率。
3）以相变材料为传热介质。
某些物质在特定温度下发生相变并吸收或释放能量，这些物质称为相变材料（phase change material, PCM）。可以通过调节相变材料及添加剂的种类与组成比率将其相变温度调整在电池适宜工作范围的上限附近。使用该类相变材料包裹电池组，当电池温度上升至相变温度时，相变材料将吸收大量潜热，使得电池温度维持在电池适宜工作范围以内，有效防止电池组过热。
以相变材料作为传热介质的热管理系统具有整体构造简单、系统可靠性及安全性较高的优点。Rami Sabbah等学者指出，在40～45℃温度与高倍率放电时，采用复合PCM 材料对电池组进行散热的效果优于使用一般功率范围内的电扇进行风冷。
目前，石蜡（及添加剂）作为主流的电池热管理相变材料受到了较多关注。这是因为石蜡的相变温度接近电池最佳工作温度上限，且成本低廉、潜热较高。石蜡的主要问题在于其导热系数较低，因此，常在石蜡中添加高导热的其他物质，制成复合的PCM材料。
研究了石蜡、石墨复合的PCM材料的导热系数，以及机械特性，包括抗拉、抗压能力及其对内部爆破的耐受性。研究结果表明，在低温条件下，机械特性随石蜡质量分数的提高而逐步改良，而高温下，机械特性随石蜡质量分数的提高而逐步恶化。另外，一些文献还研究了在电池组相变材料内部加装热管、泡沫铝和铝制散热片的方法，发现都能够进一步提高PCM的散热能力。总结了不同传热介质的特点。
2.2.2电池组热管理系统的流场设计
电池组向传热介质的单位面积散热率表示为：
其中：h为电池组表面的对流换热系数，脚标bat与amb分别表示电池组表面和传热介质。
首先，流场设计决定了传热介质流经电池组不同位置的先后顺序，将影响（Tbat-Tamb）项的取值，从而影响不同位置的局部散热速率；第二，流场设计决定了传热介质在不同位置的流速，而流速将影响局部对流换热系数h项；第三，流场设计决定了流道的局部形状，该形状也将影响到局部对流换热系数h的取值。因此流场设计的合理性对电池组热管理效果的影响十分显著。
1）流场的路径设计——串行流道与并行流道。
按照传热介质在电池组内部的通过路径，可将流场分为串行流道式与并行流道式。在串行流道设计中，传热介质按照严格的先后顺序依次经过每个单体电池或电池模块，而并行流道设计中，传热介质进入电池组箱体后，通过并联的流道进行分流，并联式地经过不同的电池子模块。对于串行流道设计，由于介质将在串行流道中逐渐被加温，因此，处于流道后部的电池模块将无法有效散热，与串行流道相比，并行流道设计使得电池组不同位置的温度均一性更好。
2）流场的速度设计——并行流道的调速法与调压法。
对于并行流道式设计，不同流道的流速需尽量均一，以减少电池组内部不同位置温度的不均匀性。保证流速均一的两种方法：调速法与调压法，并给出了两种方法联用时的最佳取值组合。调速法是指，沿并行通道编号增加的方向，依次减小每个通道的宽度，以调整其流动阻力，使得传热介质按照各通道阻力重新分配其流量，从而达到调整流速分布的目的；而调压法通过改变进口与出口集流板的倾斜角度，改变不同通道两侧的压差，从而间接调整不同通道的流速。
3）其他流场设计方案。
美国Nevada大学的Rajib Mahamud 等学者设计了一种周期性对换电池内部传热介质流动方向的热管理方法，该研究指出，当以120 s 为周期进行流动方向对换时，电池组内部的温度差异性减小了72%，同时电池组内部的最高温度下降了1.5℃左右。
通过在电池组的进风道中加装数级楔形障碍物，控制流入不同子风道的空气流速，并通过调整各级楔形的高度，实现不同子风道空气流量的均一化。同时，还通过模拟考察了导热系数的各向异性与散热面选择对电池内最高温度及分布的影响。
2.2.3电池组热管理系统的控制策略
热管理系统通过测温元件测得电池组不同位置的温度，据此热管理系统控制电路进行散热执行器如风扇、水/油泵的动作决策。因此测温方法中的测点数量、测点位置、测量精度等对电池热管理系统的控制精度都具有重要影响。目前，常见电动汽车电池组的温度传感器多贴附在电池箱体的内面或电池单体的外表面。在2010年第三代Prius电池组中，部分温度传感器布置在电池组内部的流道中，另一部分直接贴附在某些典型位置单体的上表面正中，这些单体分别位于电池组的前部、中部与后部。
电动汽车热管理系统通常根据电池所处的温度区域进行分级管理。Volt 插电式混合动力电池热管理分为主动（active）、被动（passive）和不冷却（bypass）3种模式，当动力电池温度超过某预先设定的被动冷却目标温度后，被动散热模式启动；而当温度继续升高至主动冷却目标温度以上时，主动散热模式启动。
2.3电能管理技术
电池组的电能管理主要包括以下几个方面：单体电池高共模电压精确测量、电池的状态估计、电池充放电管理、电池一致性评价与均衡管理等。
2.3.1单体电池高共模电压精确测量
单体电压测量（cell voltage measurement, CVM）的主要难度在于：
1）电动汽车电池组有上百节的单体电池串联，测量电压通道多，由于测量单体电池电压时存在着累积电势，而且每片电池的累积电势各不相同，无法统一补偿或者消除，因此在测量电路的设计上存在着一定的困难；
2）电压测量精度要求高（特别是LiFePO4/C电池）。SOC等电池状态的估计对单片电压精度有很高的要求，因此如果单体电压采集精度在10mV，采用OCV估计方法，获得的SOC误差<4%，因此对于LMO/LTO电池，单体电压采集精度需要小于<10 mV。但LiFePO4/C电池的OCV曲线斜率较小，大部分区域（除了SOC<40%及75%～80%）内每mV电压对应最大的SOC变化率达4%，因此，对单体电压采集精度的要求很高，需要达到1 mV左右，而目前单体电池的电压采集精度多数只达到5 mV。
分别对电池/燃料电池的单体电压测量方法进行了总结，包括电阻分压、光耦隔离运放、分立三极管、集散式测量、光耦继电器等方法。目前单体电池电压、温度的采样国外已经形成芯片产业化，列出了目前大多数BMS中使用的芯片性能比较。
2.3.2电池状态估计
电池状态包括荷电状态SOC、健康状态SOH及功能状态SOF。SOH由寿命预测与故障诊断共同确定，SOF需要综合考虑SOH、SOC、直流内阻、温度范围、不一致性等多方面因素的影响。
1）电池荷电状态SOC。
电池SOC估算的相关研究较为深入，目前，SOC算法主要分为：
a）安时积分（荷电积分）方法。
安时积分计算方法为：
其中：“0”表示起始时刻的值；CN为额定容量（为电池当时标准状态下的容量，随寿命变化）；η为Coulomb效率，放电时，η=1，充电时，η＜1；充电I为负，放电I为正。
在初始SOC0比较准确的情况下，安时积分法在一段时间内还是具有相当好的精度（主要与电流传感器采样精度、采样频率有关）。但是它的缺点为：① 初始SOC0影响SOC的精度；② 库仑效率受电池的工作状态影响大（如SOC、温度、电流大小等等），难于准确测量，会对SOC 误差有累积效应；③ 电流传感器精度，特别是偏差对会导致累计效应，影响SOC的精度。因此单纯采用安时积分法很难满足SOC精度的要求。
b）开路电压法。
SOC与锂离子在活性材料中的嵌入量有关，与静态热力学有关，充分静置后的开路电压OCV可以认为达到平衡电动势，OCV与SOC具有一一对应的关系，并且与电池寿命关系较小，因此，OCV是估计锂离子电池SOC的有效方法。但是有些种类电池的OCV与充放电过程（历史）有关，如LiFePO4/C电池，充电开路电压与放电开路电压具有滞回现象（镍氢电池类似），需要认真考虑滞回现象的影响。
开路电压法最大的优点是SOC估计精度高，但是它的显著缺点是需要将电池长时间静置以达到平衡，电池从工作状态恢复到平衡状态一般需要一定时间，该时间长短与SOC、温度等状态有关，低温下LiFePO4/C电池往往需要3 h以上，所以该方法单独使用只适于电动汽车驻车状态，不适合动态估计。
c）基于电池模型的SOC估算方法。常用的电池模型有：等效电路模型、电化学模型、神经网络模型和模糊逻辑模型等。
目前文献中常用的12种等效电路模型，包括组合模型、Rint模型（简单模型）、考虑零状态滞回的Rint 模型、考虑一状态滞回的Rint模型、考虑二状态低通滤波滞回的Rint模型、考虑四状态低通滤波滞回的Rint模型、一阶RC模型、考虑一状态滞回的一阶RC模型、二阶RC模型、考虑一状态滞回的二阶RC模型、三阶RC模型、考虑一状态滞回的三阶RC模型。这些方法可以适用于动态估计，但是估计精度与模型精度、信号采集精度有关。采用实验数据，拟合了上述12种等效电路模型的参数，并比较了模型的精度和复杂度，研究结果认为，一状态滞回的一阶RC模型更适合于LiFePO4电池的电压估计。
电化学模型建立在传质理论、化学热力学、动力学基础上，涉及电池内部材料的参数较多，且很难准确获得，同时模型运算量大，一般仅用于电池性能分析与设计中。
神经网络模型法估计SOC是利用神经网络的非线性映射特性来估计SOC。神经网络法在建立模型时不用具体考虑电池的内部细节，方法具有普适性，适用于各种电池的SOC估算，但是，该方法需要大量训练样本数据对网络进行训练，且估算误差受训练数据和训练方法的影响很大。同时，神经网络法的运算量较大，需要强大的运算芯片，如DSP（digital signal processor）等。
模糊逻辑法的基本思路为，根据大量试验曲线、经验数据及模糊逻辑理论，用模糊逻辑模拟人的模糊思维，最终实现SOC预测，该算法的运算量也较大。
d）基于上述两种或多种方法的融合算法。
目前融合方法有简单的修正、加权、Kalman滤波（或扩展Kalman 滤波）、滑模变结构等等。简单的修正融合算法主要包括：开路电压修正、满电修正的安时积分法等；采用加权融合算法就是将不同方法估计的SOC按一定权值进行加和得到SOC；采用Kalman滤波的融合算法通常融合安时积分方法与其它模型成为一个动力系统，其中SOC被当成系统的一个内部状态来估计。Kalman滤波方法将安时法和开路电压法有机地结合起来，用开路电压法克服了安时积分法累积误差的缺点，实现了SOC的闭环估计。同时，由于在计算过程中考虑了噪声的影响，所以算法对噪声有很强的抑制作用。
2）电池健康状态SOH。
目前多数SOH 的定义只限于电池老化的范畴，表征电池老化的主要参数是容量、内阻。一般能量型电池性能衰减用容量的衰减来表征，功率型电池的性能衰减用电阻的增加来表征。从机理上分析，磷酸铁锂性能衰减主要机理为：正极金属离子与电解质产生副反应而溶解于电解质中，在循环或搁置过程中与负极产生还原反应形成固体电解质界面膜（solid electrolyte interface, SEI），减少了活性锂离子数量。从使用条件分析，影响电池寿命和安全性的主要因素为：高温（副反应加剧）；过低温（材料晶格易损、金属离子容易还原）；高电位或过充（电解质容易分解并与正极产生副反应、负极锂离子易还原）；过放（负极铜箔易腐蚀、正极活性材料晶格易塌陷）；高倍率充放电（温升高引起副反应加剧、活性材料晶格易疲劳塌陷）。
电池的衰减模型可以分为机理模型和外特性模型，其主要区别在于，前者侧重于对电池内部副反应机理的研究，并以SEI膜阻、离子浓度等微观量为观测对象，而后者从实验规律出发，重点关注电池循环过程中表现出来的容量衰减与内阻增加，对两类模型进行了对比。
根据正负极衰老机理，以循环锂离子损失机理、电池内部的材料腐蚀机理等为基础，建立了电池SEI膜阻增加模型、循环衰减后的端电压模型。由于锂离子详细的衰减机理复杂，很难准确确定模型参数，同时运算量较大，一般不用于车用电池管理中。
基于电池外特性的模型，已经有较多文献涉及。最常见的是基于Arrhenius模型，如下文所述。
Toshiba的手册中给出了钴酸锂电池贮存寿命模型，容量损失率为：
Ira Bloom等进行了不同环境温度下电池衰减率的实验与分析，验证了以温度为加速应力的电池容量衰减模型，讨论了电池容量保持率与环境温度和循环时间的关系，采用式（4）来拟合实验数据，阻抗率为：
其中：A为拟合参数；Ea为活性能量；R是气体常量；t是时间；z是时间的指数，简单情况下，可取1/2。其中：A、Ea/R、z都可以通过实验数据拟合得到。
John.Wang等基于Ira Bloom等人的工作，提出了以Ah-throughput为变量的双因素模型，将放电倍率乘入原有的时间项，得到以温度和放电倍率为加速应力的电池寿命模型，实现了双应力加速下20% 以内的预测误差，容量损失率为：
其中：Ah为放电电流与放电时间的乘积项；A为常数。
Toshio Matsushima研究了大型锂离子电池的性能衰减，同样发现容量的衰减与时间呈1/2次方关系，即Qloss=Kf(t/h)1/2，其中Kf为系数。并发现容量衰减在30%以内的系数Kf与容量衰减大于30%的系数Kf不相同。前者较大，说明前30% 容量衰减的速度快。Kf服从Arrhenius定律。
基于Arrhenius模型的扩展模型，黎火林等根据钴酸锂电池循环寿命实验，提出了如下的Arrhenius扩展模型，容量衰减率为：
其中：nc为充放电循环次数；a、b、c、l、m、f、α、β、λ、η均为常数，可通过实验拟合确定。
Zhe Li等全面考虑了电池寿命的多个影响因素，如环境温度、放电倍率、放电截止电压、充电倍率和充电截止电压等，提出了基于耦合强度判断和多因素输入的寿命建模方法（模型中温度的影响也参考了Arrhenius建模方法、电物理量的影响参考逆幂规律），并基于模型的因素敏感性分析了各因素对电池寿命影响的权重，耐久性模型对电池寿命的预测误差达到15%以内。
其他外特性建模方法还有神经网络模型，如Rudolph G. Jungst等对以LiNi0.8Co0.15Al0.05O2为正极材料的电池贮存寿命进行了研究。
上述模型均在恒定条件下试验获得的经验模型，未考虑实际车辆运行的多变工况，不能准确表征车用电池的性能衰减状况。借鉴机械疲劳研究成果，M.Safari等采用机械疲劳研究中常用的Palmgren–Miner（PM）法则来预测电池容量在简单和复杂工况下的衰减情况，并与损害时间累计法（capacity-loss accumulation over time, LAT）进行比较，结果PM法好于LAT法。
2.3.3电池充放电管理
电池功能状态的估计是进行充放电管理的基础。确定电池的充放电功率通常包含以下几个步骤：
1）事先，根据不同温度、不同SOC下不同衰减时期电池的内阻及输入、输出功率的实验数据，制成或建立电池允许输入、输出的最大或连续功率的MAP图或模型；
2）根据当前的电池状态，从MAP 图或模型确定电池最大或连续输入、输出功率；
3）根据电池故障级别对输出能力进行修正，如某些一级轻微故障（对安全不构成影响），可以只报警，不需要限制。某些一级、二级、三级故障，除了报警，还需要根据情况降低功率。对极其危险的三级故障（如反极、极高压、短路、温度极高、温升极快、冒烟、着火等等），则立即切断输出；
4）确认电池在可靠范围内运行以减少安全隐患，并尽可能在推荐范围内运行以减缓电池衰减。
2.3.4电池一致性评价与均衡管理
组成电池组的同一规格型号的单体电池在电压、容量、内阻、自放电率等参数存在一定的差别。随着使用时间的增加，这些差别会变得越来越大，并导致电池荷电量（电压）的较大差别，不仅减少电池的可用容量范围，也会降低电池组的寿命，甚至带来安全隐患，因此必须对电池的荷电量（电压）进行均衡。
一般采用数理统计的方法来评价电池在电压、容量、内阻上的一致性。以电压参数作为一致性表征指标，对于SOC-OCV曲线斜率较大且线性度较好的电池体系（如锰酸锂等）精度较高，但对于SOC-OCV曲线斜率较小的电池体系（如磷酸铁锂）精度较低。采用容量作为电池成组指标比较合适，但作为成组后电池运行一致性的评价，则采用单体电池荷电量来表征比较合理，因为单体电池间荷电量的差异是电池组寿命低于单体电池平均寿命的主要原因。
均衡方法分为化学均衡和物理均衡。化学均衡利用电池在充放电过程中自身存在的一些副反应来实现均衡。铅酸电池和镍氢电池通过“过充电”的均衡充电方法来实现各电池性能参数趋于一致。锂离子电池一般需要通过添加氧化还原对添加剂来进行限压保护。物理均衡是通过外接电路来对电池实现均衡，分为耗散式与非耗散式两大类。耗散式方案是将电池组中需要均衡的单体电池电量用电阻或其它方式消耗。非耗散式是利用一个活动的分流元件或电压/电流转换器件将能量从一节单体转移到另一节单体。这些器件可以是模拟的，也可以是数字的。非耗散式拓扑结构有：电容与开关阵列、分散式DC/DC变换模块、同轴多绕组变压器均衡、电流转向器均衡方法、独立充电式。耗散式均衡方法结构简单、不会消耗太多的能量，且能够满足均衡需求，因此目前应用较多。非耗散式均衡方法虽然效率高一些，但是由于结构复杂、可靠性低、不易实现等问题，目前应用不是很多。
2.4安全保障技术
2.4.1电池系统安全隐患
车用动力电池系统存在强电安全与电池热失控两方面的安全隐患。强电安全是使用高压电源系统电动汽车的共同问题，通常通过强电部位绝缘，电池箱体与车体等电位，检测到绝缘老化、发生事故、或更换、维修时切断电路等方式进行防护，已经是比较成熟的技术。而电池的热失控所引发的冒烟、着火、爆炸等安全事故一直是困扰锂离子电池发展的一大问题，也是影响电动汽车走向普及的一大障碍。
目前技术水平的锂离子电池是一个准稳定系统，有以下3个特征：
1）锂离子电池是一个动力学稳定系统，而非热力学稳定系统。锂离子电池正负极电位窗很宽（石墨负极嵌锂后接近金属锂的电位，正极电位多高于金属锂电位3～4 V，正在研发中的高电位正极电位在4～5 V），即便是有机电解液，能在这么宽的电位窗下保持稳定的也不多见。通常是通过加入添加剂，在正负极表面形成一层能够导通锂离子而电子导电性很弱的SEI 膜，将电解液和正负极分开，大大降低电解液成分在正负极上的分解反应速度（动力学稳定），但不能完全阻止这些反应的进行（热力学不稳定）。这也是为什么电池即使在存放中也会发生容量降低及不可逆劣化的原因。
2）锂离子电池内部组成物质之间隐含着一系列在不同温度下相互反应放出可观热量的副反应。在正常的温度、电压范围内，锂离子电池内部只进行锂离子的嵌入和脱出反应。如果超出了安全使用范围，或是制造中存在缺陷，导致内部短路，这些副反应有可能被引发并连锁进行，最终导致有机物电解液剧烈分解/燃烧反应，引发爆炸等热失控事故。
3）锂离子电池属于能量储存兼转换装置，在热力学上是一个封闭系统，电池的氧化剂、还原剂同处于一个封闭的空间，仅有一层很薄（约10～40 μm）的微孔隔膜隔开，系统具有固有的脆弱性，一旦某种原因引起内部短路，使处于较高能量状态的正负极活性物质相接触，便可能引发爆炸、着火等热失控现象。与此相对照，内燃机和燃料电池都是能量转换装置，在热力学意义上属于开放系统。在储存中燃料主体存放在油箱或氢气罐中，氧气在大气中。在运行中只有少量燃料和空气进入发动机气缸内燃烧、或进入燃料电池内隔膜两侧进行电化学反应。
内部短路最终是否演化成为热失控，与电池荷电状态、温度、及短路部位等多种因素相关。由于电池材料平均传热系数较低，短路中产生的熵热、过电压热（欧姆热、电化学活性化热）首先在发生短路的局部产生热点，温度的升高可能触发新的放热分解反应。产热速率与散热速率的平衡决定电池局部温度是否持续上升。只有当局部产热率、产热总量高于某个临界值时，才会诱发下一步连锁反应，甚至演化到热失控。因此，基于电池局部产热、传热、散热机理的单体电池的热设计对提高热安全性非常重要。
车用动力电池系统由于单体电池的大型化和成组化使用，给安全问题带来了新的挑战。容量的增加使得热失控的后果更加严重。尺寸增大使得电池的表面积与体积的比值变小，电池的散热能力相对产热能力变小，电池的热可控性降低，更容易出现温度不均和局部热点。大型化也使得电压、温度的测量值对内部状态的代表性降低，电池状态的可知性减小。多个单体电池的成组使用对单体电池的安全系数提出了更高的要求，也增加了电池间连锁失控这一新的隐患。
2.4.2安全性标准与测试
电池系统的安全性要求在实际使用条件下电池不能发生剧烈冒烟、着火、爆炸等事故，万一发生事故时不能对人造成伤害，对机器、物品的损害要降到最小。目前尚不存在判定电池安全性的理论公式或非破坏试验方法，主要通过滥用试验来判断电池的安全性。如何用一系列试验尽可能多的涵盖实际使用中的各种异常情况（包括小概率事件）是滥用实验设计所要解决的问题。试验对象与试验项目的设定、试验方法的确立及标准化对判定结果至关重要。
很多机构都已公布或正在制订电池的安全标准。对申请运输的电池（组），UN Manual of Tests and Criteria要求对循环使用后的电池也做短路测试。对笔记本电脑用锂离子电池， IEEE 1625要求进行浮充试验。针对电动车用动力电池（组），SAE J2464增加了不少考虑了车辆用途的新的试验项目，试验条件也变得更加苛刻，比如要求监测、分析喷出的有害气体、颗粒物，部分短路试验，高倍率放电，滚翻，水淹等。
现有标准、测试方法存在以下一些问题。
1）完备性：现有滥用试验并不能有效反映内部短路这一现场热失控的主要模式。目前有两种模拟内部短路的试验方法，一种是外部钝物缓慢挤压，另一种是在电池内部植入L形Ni质金属异物，均不能良好再现枝晶在内部生长、引发短路的过程。
2）合理性：热箱试验时放置时间为10 min或1 h，此时，电池内部（甚至表面）尚未稳定至热箱设定温度。
3）复合因素的检验：现场失效往往是在使用过程中各种因素复合作用的结果。现有滥用试验多是对新品电池进行单个因素的试验，例如，应该增加循环使用后（及不同时期）过充电状态下电池对热、机、电复合滥用应力耐受性的考察。
4）判定性试验与表征性试验：对于成熟的产品，适于采用合格与不合格的判定性试验；对于尚处于技术开发初期的车用动力电池，需要开发能够提供更多技术信息的表征性试验。
2.4.3提高安全性的主要手段
车用动力电池系统安全性问题是一个系统性问题，决非单靠改进材料的热稳定性所能彻底解决的。要提高车用动力电池系统的安全性，需要从材料、电池（设计、制造）、系统（使用）、车辆等各个层次采取措施。
1）抑制内部短路的形成几率。
内部短路是引发现场热失控的主要原因，其形成机理与相应的对策包括以下几种情形。第一，异物混入，刺破隔膜，引起正负极短路。应对这种情况，一方面要提高制造环境的清洁度，减少异物混入几率；另一方面，可以通过测试，剔除掉混入异物的电池。一种办法是在注液前给电池施加阶跃电压，测量电流，剔除电流较高的电池。另一种办法是在注液充电之后，长时间高温化成，剔除掉端电压下降较大的电池。第二，过充或低温急充时，石墨负极上锂金属枝晶的形成。抑制锂离子枝晶生长的主要手段是限制过充，尤其在低温下限制充电功率。在隔膜表面涂布陶瓷，可以提高其机械强度和抗穿透能力。第三，制造过程中混入的水分与锂盐反应生成腐蚀性很强的氢氟酸，将正极活性物质、或杂质溶解，溶解出的金属离子在低电位的负极析出，逐渐生长成枝晶，形成内短路。应对这种情况，需要保证原料的纯度并严格控制电池制造过程中的环境湿度，防止水分混入。
2）保证电池工作在安全区间内。
锂离子电池在存储和使用过程中，在温度、电流、电压上存在安全的工作区间。磷酸铁锂电池的工作电压区间在2.0～3.7 V，放电工作温度为-20～55℃，充电温度为0～45℃，如果超出此范围工作，电池寿命会大大降低，甚至会导致安全问题。因此，需要对锂离子电池进行有效的控制与管理，保证锂离子电池的温度、电流、电压处于安全区间内。
3）将事故控制在危害尚小的初期阶段。
市场销售的电子产品用锂离子电池已经采取了多种多样的安全机构与安全措施。电池本体里面装有温度保险器件（positive temperature coefficient, PTC）、压力安全阀、电流切断器（current interruption device, CID）、低熔点隔膜等。锂离子电池要求使用专用的充电器。电池包与充电器具备温度检测机能及过充、过放、过大电流的保护回路或熔断丝等保护对策。
在小型锂离子电池上行之有效的一些安全措施在动力电池上很难使用，或者效果并不明显。动力电池一般容量大，充放电电流大，CID 将会增大内阻，引起较大损失。大型电池温度不均匀性较强，隔膜高温闭孔机能如果不能在整层隔膜上均匀实现，很可能在局部出现融化，致使正负极大面积接触，反而引发更严重的事故，因此增加隔膜整体的热稳定性成为现在研究的热点。大型动力电池需要开发新的单体电池安全防护措施。
4）加强故障诊断，防范事故于未然。
加强对单体电池的监测与故障诊断功能，在判定某个电池有故障症候时，及时将其隔离、更换。开发智能电池，在电池内部植入小型芯片，测量每个电池的电压、电流，从中计算电池的阻抗，通过与事先制成的图表以及电池组中其它电池的比较，及时发现出现异常症候的电池。开发先进的非解体、无损健康诊断技术，定期在维修店对电池系统进行详细体检，及时发现细微的故障症候。建立数据中心，对电池运行数据进行统计处理，区分正常劣化与异常劣化，及时发现、处理出现异常劣化的电池。
故障诊断是保证动力电池系统安全的必需技术之一。国际电工学会（IEC）在1995年制定的电池管理系统标准要求：电动车用电池管理系统必须具备一定的电池诊断功能，包括不健康电池早期报警和提供电池老化信息。我国标准《电动汽车用电池管理系统技术条件》也有电池故障诊断的要求，规定了故障诊断基本要求项目和可扩展的故障诊断项目（项目总计多达26项），将故障等级分为3级。
故障诊断技术目前已发展成为一门新型交叉学科。它在诊断对象工作原理的基础上，综合利用了计算机网络、数据库、控制理论、人工智能等技术，在其它领域中的应用已经较为成熟。电池故障诊断尚属于发展阶段，研究主要基于过程参数估计、状态估计及基于经验等方法。Oliver Bohlen等人通过电池内阻模型的在线辨识实现了电池在线诊断。Yu-Hua Sun通过观察铅酸电池恒流充放电电压曲线光滑程度的变化来辨识电池组可能存在的故障。
3 车用动力电池系统的两大基础科学问题
车用动力电池系统在技术上涉及材料、化学、电化学、机械、热力学、传热学、流体力学、电学、系统与控制等多个学科，横跨从纳微米级的活性材料、毫米级的电芯、到米级的电池组等宽广的空间尺度。这就决定了要开发一个具有竞争力的动力电池系统，很难仅靠一个机构、一个学科来完成，而需要电池厂与汽车厂间的密切合作，需要综合性大学或研究机构的多学科支撑。
进一步整理、分析车用动力电池系统四大关键技术可以凝练出以下两个共通的、关于热的和关于电的基础科学问题。对这两个基础科学问题进行深入细致的研究，可望实现对动力电池系统关键技术的突破：
1）多约束、多尺度产热积层体复合系统的产热、传热、散热规律。
◆复杂工况下的产热模型
◆热模型参数的原位测量
◆电池及电池组的材料体系、结构、尺度、布局对产热、传热、散热等热过程的影响规律
◆热应力下的电池性能演变规律
◆表面细微结构、积层体复合系统结构对大型电池表面、多电池间热流密度的影响规律
◆复合相变材料的相变潜热、相变温度、导热系数随材料组成、结构的变化规律
◆电池热失控过程中电能、热能、化学能的耦合、触发机理及演化
◆副反应的种类、焓变及反应速率
2）非线性、时变、非均一多个体混联电池系统的建模、辨识及控制理论。
◆电池与电池组寿命的多应力快速评价与预测方法
◆单体电池一致性的度量指标体系，一致性的演化规律与抑制一致性恶化的策略
◆时变、非均一、多个体混联电池系统的建模理论与状态估计方法
◆电池故障诊断的理论算法体系及故障应对策略
4 总结与展望
作为电动汽车的核心技术，动力电池系统尚处于技术发展的初期阶段，需要在多方面取得突破。一个好的电池系统应该在对材料、电池（组）、以及使用特征充分理解的基础上针对用途量身定做，应该具备可知性（智能化，可以自检内部状态并与外部通讯），可控性（均衡，隔离具有问题症候的电池或模块），可扩性（模块化设计，可以灵活组配满足多方面的需求），和可换性（具有问题症候的单体电池易于更换，电池组支持换电式商业模式）。开发一个好的电池系统需要电池设计人员、电动汽车设计人员密切配合，需要充分利用示范、实证、实际使用中得到的宝贵反馈信息，多次进行为汽车设计电池、为电池设计汽车的迭代优化。
【作者单位：清华大学汽车安全与节能国家重点实验室】
（摘自《汽车安全与节能学报》2012年第2期）
·高被引论文摘要·
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电动汽车技术进展和发展趋势
曹秉刚，张传伟，白志峰，等
摘要：通过对国内外电动汽车关键技术的发展现状和技术水平的比较分析，以及H∞二鲁棒控制方法在电动汽车驱动控制、再生制动控制和运动控制系统上应用的研究，展望了电动汽车的发展趋势。首先发展铅酸蓄电池电动汽车（CBEV）是明智的选择，由于开发混合电动汽车（HEV）的难度较大，所以燃料电池电动汽车（HEV）将成为今后的主流技术，是未来汽车的发展方向。关键词：电动汽车；技术进展；发展趋势 SOC估计是电动汽车电池管理系统的重要功能。研究人员为了提高电动汽车电池SOC估计的准确性做了大量研究工作，采用的主要方法有：放电实验法、Ah计量法、开路电压法、负载电压法、内阻法、线性模型法、神经网络法和卡尔曼滤波法。讨论了电池SOC定义；介绍了各种SOC估计方法的原理及应用中存在的优缺点；分析了充放电倍率、温度、自放电、老化等因素对SOC的影响；评价了各种SOC估计方法。 总结了国内外电动汽车的发展现状及趋势，重点探讨了我国纯电动汽车的发展方向及能源供给模式，将我国纯电动汽车发展阶段划分为示范应用期和推广成熟期，分析了现阶段纯电动汽车发展的重点和存在的问题，同时针对纯电动汽车能源供给模式，指出了需要开展研究的技术重点和方向。 在政府对电动汽车产业的大力推动下，我国电动汽车产业将步入快速发展期，这也极大地推动了电动汽车充电站和充电桩的建设，大量电动汽车的充电行为将会给电网带来较大影响。电动汽车的普及程度、类型、充电时间、充电方式以及充电特性的不同会使电动汽车对电网的影响发生变化。从输电网、配电网角度对国内外关于电动汽车接入电网的研究现状及电动汽车充电对电网的影响进行了详细分析。针对充电站对电网的谐波污染问题，介绍了各种谐波污染的治理方法，并指出电动汽车的充电行为及其储能特性在未来电网运行中的影响和作用将越来越大，研究充电设施建设的布点规划及电动汽车充放电控制策略将成为该领域的重点。 为建立电动汽车电池管理系统的需要，探求铅酸电池荷电状态（SOC）的实时测量和估计方法，分析了当前SOC定义在变电流放电情况下出现不适应的原因，现有各种荷电状态检测方法的特点和存在的问题。在此基础上，对SOC定义进行了修正，提出了“标定荷电状态”和“动态荷电状态”的概念，使之能很好地适应电动汽车用电池在变电流状态下的实时荷电状态估计。基于修正SOC定义的电池荷电状态检测方法和计算模型具有简便、实用和可靠性。 电动汽车电池既是发展电动汽车的核心，更是电book=33,ebook=37力工业与汽车行业的关键结合点。结合电动汽车的发展历史概述了车用动力电池的发展情况，重点介绍了3种主要电动汽车电池：铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池的研究现状及当前的应用情况，并从电池化学性能和商业化的电动汽车电池组性能2个角度在技术和经济层面进行了详细的比较分析，最后对当前电动汽车电池的应用前景、未来发展趋势和研发中的新电池技术进行了展望，指出中国电力行业应关注电动汽车电池技术的发展，分析电动汽车充电负荷对电网的影响并及时采取应对措施。 电动汽车和可再生能源发电的快速发展为电力系统的安全和经济运行带来了新的挑战。在此背景下，构建了能够计及可入网电动汽车（plug-inelectric vehicle, PEV)）和风电机组的不确定性的随机经济调度模型。首先采用随机仿真方法研究PEV的充电与放电功率的概率分布。之后，在假设风速服从Rayleigh分布的前提下，导出了风电机组出力概率分布的表达式。通过理论分析得到了风电机组和电动汽车接入网络（vehicle to grid, V2G）的电源出力的数学期望的解析表达式，并在此基础上，构建了电力系统随机经济调度模型。最后，以IEEE118节点系统为例说明了所提出的随机经济调度模型的基本特征。 汽车工业所带来的能源短缺与环境污染等问题越来越受到世界各国政府的重视。当前，许多国家政府、世界知名的汽车企业和科研机构纷纷研制开发低能耗、低排放，且能满足现代使用性能要求的新型汽车。混合动力电动汽车应运而生，成为当代国际电动汽车开发的热点和潮流之一。本文试就当前国外混合动力电动汽车的开发状况及其发展趋势作一介绍和探讨。 介绍了中国政府在发展电动汽车方面实施的政策、重大研究计划和取得的重要进展。通过对中国燃料电池电动汽车、纯电动汽车和混合动力电动汽车技术现状的研究，以及对电池、电机、控制器等电动汽车关键技术的进展，以及企业高校在电动汽车研发方面取得的成果的分析，指出在未来10年中混合动力电动汽车将会迅速发展，但远景并不乐观。其中，充电式混合动力电动汽车更具有发展前途；虽然燃料电池电动汽车有很好的应用前景，但受到价格的约束，因此近20年内不太可能大规模进入市场；纯电动汽车有着广阔的发展前景，而其中的微型电动汽车更适合中国的国情。 首先概述了电动汽车发展的技术、经济、环境和政策背景，简要综述了大量电动汽车广泛应用对电力系统的影响，评述了现有文献中提出的电动汽车调度与控制方法。然后就电动汽车广泛接入对电力系统所带来的经济价值评估、电动汽车调度及其优化算法、电动汽车充放电控制等问题提出了研究建议。 电动汽车的普及已成为一种趋势，将会对电力系统运行产生深刻影响。电动汽车充电控制将成为系统运行控制的重要手段，不仅能够限制充电负荷的不利影响，而且能够实现负荷削峰填谷，促进可再生能源吸纳，发挥负荷调度的作用。该文介绍了近年来充电负荷、充电控制领域内的研究成果，涉及充电负荷仿真分析模型、充电控制效益、充电控制策略研究等方面；同时指出了尚未解决的问题和可能的研究方向。 汽车控制技术是推动汽车工业可持续发展的重要保障。在全球汽车行业竞争日益激烈的背景下，如何通过理论与方法的创新，提高我国汽车控制系统的自主研发能力，完成从消费大国向制造强国的过渡是我们目前面临的重大挑战。本文主要围绕汽车动力总成系统、主动安全系统及新能源汽车中的关键控制问题展开论述，总结国内外的研究状况，提炼共性问题，对汽车控制的发展趋势给出了一些观点。 介绍了电动汽车关键技术发展状况，分别从电动汽车用驱动电机、动力电池及电池管理系统、电机控制及能量回收系统等方面进行了概述，并对电动汽车技术发展趋势进行了展望。在政府的支持下，随着电机、电池及电控等电动汽车关键技术逐步完善，电动汽车必将成为“零污染”的清洁交通工具。 永磁同步电机具有高效率、高转矩密度等优点，被广泛地用作电动汽车牵引电机。永磁同步电机通常采用磁场定向（field oriented control, FOC）控制算法实现最大效率控制。该文研究永磁同步电机在磁场定向控制下的制动原理，结合电动汽车驱动系统（包括永磁同步电机、逆变器和电池）模型，进而分析电动汽车最优制动能量回馈控制策略。根据现有的电动汽车电气和机械耦合制动方案，对比分析常用的并联制动控制策略和串联制动控制策略，得出串联制动控制策略可实现最优的能量回馈制动，并联制动控制策略通过改变机械制动的自由行程可实现较好的能量回馈制动。 提出了一种基于电动汽车驾驶、停放特性的考虑时空分布的电动汽车充电负荷预测方法。采用停车生成率模型预测停车需求，结合不同类型汽车、不同停放目的地的停车特性，建立电动汽车停车需求时空分布模型。从电动汽车日行驶里程、日停放需求时空分布特性入手，分析充电需求。采用蒙特卡洛模拟方法，仿真大规模电动汽车不同时间、不同空间的停放、驾驶以及充电行为，预测电动汽车充电负荷的时空分布特性。以深圳市为例，预测结果表明：电动汽车用户充电行为选择以及公共停车场充电设施配建比例不同，充电负荷也将有不同的分布；居民区、工作单位配建充电设施可满足大部分电动汽车的充电需求；同一城市不同区域建设用地类型不同，充电负荷具有明显差异。 在德国新能源汽车产业政策中可以找到欧盟框架折射下来的影子，欧盟严格的排放法规和低碳能源战略对德国汽车产业政策的形成产生重大影响。以实现电动化交通和确保汽车领域的技术优势为目的，德国政府制定了新能源汽车发展的战略目标，出台系列政策和计划，涉及从技术研发、配套设施建设、示范运行到应用推广的整个产业链，还包括在就业培训、材料可获得性等边缘性领域进行全方位、协调性和整体性布局，有效地推动了德国新能源汽车的研发和产业化进程。本文对德国新能源汽车产业政策的形成背景、演进路径和主要内容进行分析总结，以期为我国新能源汽车发展找到一些有益启示。 增程式电动汽车又称里程延长式电动汽车，作为纯电动汽车的平稳过渡车型，以其效率高，电池容量小，不会因缺电抛锚等优点受到了广泛的关注。该文针对燃油增程式电动汽车的动力部件选型、动力系统配置、系统协调控制与效率优化等关键技术问题进行了分析研究。对比分析国内外相关技术方案的同时，结合自主研发的一款增程式电动汽车进行了动力系统关键技术的探讨。最后，展望了增程式电动汽车的技术发展，提出了几个值得关注的相关重要研究课题与研究方向。 由集中充电站、充换电站、配送站、充电桩等有机组成的电动汽车智能充换电网络建设是应对人口密集地区电动汽车规模化发展的一种较为合理的商业模式。针对集中充电统一配送这种换电模式，考虑到电力市场环境下电力价格不确定性对电动汽车集中充电站有序充电及提供调频容量服务决策的影响，基于对调频容量调用比例和电池损耗成本的分析，构建了单向和双向两种能量传输模式下，电动汽车集中充电站在日前能量市场和日前调频市场协同调度的鲁棒优化模型，以合理制定次日各交易时段的充电计划与所提供的调频服务容量。之后，采用IBM公司开发的高效商业求解器CPLEX 12.2对所发展的鲁棒优化模型进行求解。最后，以一个为8个电池配送站提供充电服务的集中充电站为例，说明了所发展的模型与方法的基本特征。 文章简要介绍了混合动力汽车、插电式混合动力汽车、纯电动汽车和锂离子动力电池及其关键材料。发展电动汽车可以大幅度降低人们对石油的依赖和改善城市空气质量。锂离子电池性能优越，为电动汽车的发展提供了支撑。近期，新一代锂离子动力电池正极材料即将走向应用，可使电动汽车里程增加一倍，材料选择和电池设计及制造工艺与电池储存能量、寿命、安全等密切相关，尊道而重德，可做出“好”电池。 以宁波市东外环甬江大桥凸形钢箱拱肋截面为对象，应用预应力钢绞线的自平衡加载方式进行了1∶4的拱肋节段缩尺模型荷载试验，采用板壳单元和实体单元建立了有限元模型，进行了非线性分析，研究了考虑初始缺陷和局部屈曲的凸形钢箱拱肋截面的受力特性、实际承载能力和局部失稳机理。研究结果表明：各测点实测应力与截面平均应力较接近，根据测点实测应力与截面平均应力之间的关系可将凸形截面分成4类测点；有限元所得应力与实测应力趋势相同，数值相近；凸形钢箱拱肋截面的强度折减系数为0.94～0.98；纵向加劲肋和横隔板结构能有效防止凸形截面加劲板件的局部屈曲；在极限荷载作用下节段出现了凹凸的波节，由于各加劲板出平面位移过大而导致无法继续承载。 多点技术是一种机电一体化的柔性制造技术，其核心是高度由计算机控制的基本体单元。多个基本体单元紧密排列在一起，构成型面可变的多点模具，用于板类零件成形。由于多点模具型面可由计算机任意调整，可代替传统模具用于不同形状的飞机板类部件的对压成形、蒙皮拉形等。基本体单元按照一定距离排列在一起，构成多点柔性工装，不仅可用于飞机大型板类零件成形后的测量、切割等操作的支撑与定位，还可用于飞机部件的柔性装配过程。应用多点技术，可以实现飞机板类部件生产过程的数字化。 采用高效能超音速等离子喷涂系统，选用纯Al2O3粉末，研究了电功率、电流、电压、气体流量、送粉量对飞行粒子速度和温度的影响。研究结果表明：Al2O3粒子的温度、速度随功率的增大分别呈持续上升与先增大后下降的趋势；在相同功率时，电流对粒子速度、温度的影响大于电压的影响；加大主气流量，粒子速度和温度均先增大后减小；增大送粉量，粒子速度先增大后减小，而粒子温度则一直减小。最后结合涂层的形貌、孔隙率、显微硬度，优化出最佳的喷涂参数。 目前钛及钛合金在国民经济和国防工业上的应用越来越广泛，为了提高和改善其使用特性，需要对其进行表面处理。金属表面电沉积是最常用且比较有效的方法，通过金属表面电沉积就可以提高和改善其功能性、装饰性、耐蚀性以及与涂覆层的结合强度。金属电沉积的关键是预处理问题，而预处理的关键是在其表面形成适宜的“活性膜”。电沉积层的性质取决于电解液的组成以及温度、PH值、电流密度、电沉积时间等因素。 采用阴极电弧结合离子源辅助磁控溅射复合技术，充分利用薄膜组成多元化、晶体纳米化、组成和结构多层化、梯度化的优势，分别制备了多元素复合过渡层缓冲的钨元素梯度掺杂的和Cr元素纳米多层调制的类金刚石（DLC）薄膜，研究掺杂元素含量和调制层厚book=44,ebook=48度对薄膜组成与结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响。梯度掺杂、多元、多层结构降低了DLC膜和钢基体之间因组成和结构不同产生的应力，改善了膜基结合力，材料综合耐磨损性能大幅度提高。 采用端面摩擦磨损试验机考察了层状硅酸盐自修复材料的摩擦学性能，利用SEM、EDS和纳米压痕仪对摩擦表面进行了形貌、元素和微观力学性能分析。结果表明，层状硅酸盐自修复材料能够显著降低摩擦副表面粗糙度，改善摩擦副的润滑状态而减少摩擦阻力，可使摩擦因数均值由0.09降低至0.03，并能够在摩擦表面形成一层富含C、O、Si、Al、Mg等元素的高硬度表面改性修复层，有望应用于延长摩擦零部件的使用寿命。 利用15 kW横流连续输出CO2激光器在CCS-B钢板上熔覆WC颗粒增强Ni基合金涂层，研究了不同WC颗粒含量下熔覆层组织形态和显微硬度的变化规律。结果表明，在激光熔覆Ni基合金与WC颗粒混合粉末的过程中，WC颗粒发生溶解并与周围元素相互作用形成低熔点共晶，析出后分别以树枝状、块状与粒状等形态存在；随着WC含量增加，熔覆层上部区域γ-Ni枝晶先粗化后变细，熔覆层下部区域枝晶组织持续增多且粗化。随WC含量增加，熔覆层平均硬度增加，WC质量分数为0%时，熔覆层平均硬度约为基体的3倍，当WC质量分数增加到30%时，熔覆层平均硬度可达到基体硬度的4倍。 超音速等离子喷涂技术是热喷涂技术的关键技术之一。从基础及应用的角度，研究了高效能超音速等离子（HEPJet）喷涂粒子的特性，探讨了高效能超音速等离子在制备Ni/Al等金属及其合金涂层、WC-Co金属陶瓷涂层、ZrO2等氧化物陶瓷涂层上的特点。结果表明，高效能超音速等离子喷涂系统具有焰流温度高、射流速度快等特点；制备的涂层粒子变形充分，涂层均匀，孔隙率低，结合强度高，涂层质量好；可将适用于喷涂的所有粉末材料制备成高质量涂层。 为探讨压气机叶片损伤修复新工艺，采用CO2激光熔覆技术，在钛合金表面进行了激光熔覆Ti/Cr2O3复合涂层试验。通过分析各工艺参数对熔覆层质量的影响规律，优化参数组合。结果表明，激光功率为1.8 kW、扫描速度6 mm/s时，稀释率达到最小，为3.95%，得到连续、均匀、无裂纹和气孔的高质量熔覆层，实现了良好的冶金结合。显微硬度明显提高，最高可达1050 HV，平均约为基材的3倍。 利用激光重熔技术对Ti-6Al-4V（TC4）表面进行了处理。用XRD、SEM和TEM分析了合金化层的组成和组织结构。在SRV-IV微动摩擦磨损试验机上对TC4基材和激光重熔后TC4的摩擦磨损性能进行对比测试。结果表明：激光重熔可以细化TC4的晶粒，显著提高TC4的表面硬度和耐磨性能。 为提高镁合金表面的耐磨性，利用5 kW横流连续CO2激光器在AZ31B镁合金表面熔覆Ni60合金粉末，制备了无裂纹、气孔等缺陷的熔覆层。分析讨论了不同激光功率下熔覆层的显微组织和磨损性能。结果表明：熔覆层的显微组织为典型的枝晶状态，且随着激光功率的增加，枝晶尺寸增加；不同的激光功率下，熔覆层都由Mg、MgNi2、Mg2Ni3Si、Mg2Ni、Mg2Si和FeNi组成，但当激光功率增加时，Mg相含量逐渐减小，其它相含量逐渐增多。在枝晶细化和各种金属间化合物的共同作用下，熔覆层的显微硬度和耐磨性能都得到提高，且激光功率P=3000 W时，提高程度最大，即显微硬度提高了840%～1102%，磨损失量是原始AZ31B镁合金的8.57%。 热喷涂涂层与基体机械咬合的结合机理决定了基体表面前处理是热喷涂涂层中非常重要的处理工艺。文中概述了当前广泛应用的喷砂处理的工艺特点，指出砂粒易在基体表面镶嵌和对基体造成损伤是喷砂工艺的主要缺点，讨论了喷砂对高温合金单晶材料和超高强钢疲劳性能的影响，研究了软质基体表面超音速火焰喷涂WC涂层的免喷砂工艺。同时介绍了近年来其他热喷涂基体表面前处理方面的研究热点，包括高压水射流处理技术、机械粗化技术以及激光表面前处理，并重点阐述了其基本原理、特点及应用情况。 蠕变时效成形技术是利用金属的蠕变特性，将成形与时效热处理同步进行的一种成形方法。文章从蠕变时效成形基本原理以及成形特点出发，重点阐述了基于零件回弹补偿的工装外型面的优化技术、成形工装、蠕变时效成形过程对零件材料微观组织性能的影响和新型可时效成形铝合金的开发及应用等关键技术的研究进展及发展趋势，并针对我国大飞机的研制需求，结合国内现有研究基础和水平，提出了我国开展蠕变时效成形技术研究的建议。 研究开发了基于六自由度关节式机器人的自动化高速电弧喷涂系统。采用新研制的FeAlNbB喷涂粉芯丝材，设计优化了发动机曲轴轴颈的再制造自动化喷涂工艺，在实验室条件下测试了涂层的组织及性能，在工厂进行的批量应用效果表明，曲轴主轴颈和连杆轴颈均可实现一次性自动化喷涂，再制造的零件质量稳定，节能、节材及环保效果显著，应用前景广阔。 基于ABAQUS/Explicit和Standard建立的包含回弹与退火的大型复杂薄壁壳体多道次旋压全过程模拟模型，分析了该过程中壁厚的分布与变化及工艺参数对壁厚的影响规律。结果表明，壁厚减薄经历了剪切减薄和拉薄两个阶段，壁厚剧烈减薄部位位于旋轮后方的环带并向工件口部移动，而且其值逐渐减小；壁厚沿工件book=46,ebook=50母线方向分布不均匀，沿周向分布较均匀；回弹对壁厚的分布影响不大。摩擦系数在一定范围内的增大，可以有效地抑制第一道次旋压过程中壁厚过度减薄的发生，使壁厚分布更均匀；而旋轮进给比对工件壁厚的影响与摩擦系数的作用相反。在后续道次旋压过程中，工件壁厚差随着摩擦系数的增大先减小后增大，随着旋轮进给比的增大逐渐减小。这些结果可为大型复杂薄壁壳体多道次旋压成形参数的确定和优化设计提供理论依据。 剩余寿命预测是再制造工程的核心内容之一，金属磁记忆技术在再制造毛坯寿命预测领域极具潜力。文中概述了金属磁记忆信号的特征、微观物理检测机制的研究结果，探讨了利用金属磁记忆技术表征疲劳裂纹萌生及扩展寿命的途径和方法，并介绍了该技术在再制造毛坯寿命评估领域的初步应用。 采用等离子喷涂方法制备Al2O3-13%TiO2涂层，对涂层进行激光重熔处理。利用电子扫描显微镜（SEM）观察涂层断口组织，金相截面组织和金相表面组织形貌，分析激光重熔处理后涂层的凝固过程。结果表明：激光重熔处理，使涂层由块状结构转变为平行排列，垂直于基体方向生长的柱状晶和柱状枝晶结构。由于金属基体温度低、散热快，使得陶瓷涂层上下温差大，诱发了陶瓷晶粒的定向生长，这是使陶瓷晶粒垂直于基体生长的主要原因。 纳米复合电刷镀技术是一项先进的装备再制造工程技术。近年来，其技术基础研究不断深入、应用领域不断拓展。适应再制造产业化的发展，文中在前期研究成果的基础上，介绍了近几年在双纳米材料复合电刷镀、替代硬铬纳米复合合金电刷镀和自动化纳米电刷镀等方面的研究与应用。 采用等离子喷涂技术在20钢基体上制备不同ZrO2含量的ZrO2/Al2O3陶瓷涂层，在QG-700型高温气氛摩擦磨损试验机上测试了涂层的室温干滑动摩擦磨损性能，用JSM-51 60LV型电镜（SEM）对涂层磨损表面和磨屑进行微观形貌观察。结果表明：40ZAT涂层的摩擦学性能较10ZAT与20ZAT涂层的有所改善；ZrO2含量对等离子喷涂ZrO2/Al2O3陶瓷涂层的磨损性能具有一定的影响；涂层的磨损机理为微观断裂引起的剥落磨损。 为使AlSi-20% Al/Ni超音速等离子喷涂涂层获得优良的结合性能，采用正交实验法研究了喷涂距离、喷涂电压、喷涂电流等喷涂工艺参数对结合强度的影响。利用X射线衍射、扫描电镜等手段对涂层的相组成和断口形貌进行分析，利用WDW-E100D微机控制式万能拉伸试验机对涂层结合强度进行测试。结果表明：涂层由AlSi和AlNi两相组成，影响AlSi-20% Al/Ni涂层结合强度工艺参数的主次顺序为喷涂距离、喷涂电压、喷涂电流，优化后的工艺参数为主气流量3.2 m3/h，喷涂电流为380 A，喷涂电压为130 V，喷涂距离为book=47,ebook=5190 mm，在此参数下制备的涂层组织致密，其结合强度为65.5 MPa。 在总结表面工程特点、价值、功能和发展前景的基础上，着重从适应科学技术发展需求；支撑再制造产业发展；融合多学科成果；以及发展设计化、智能化、自动化、绿色化、多动能化等角度论述了表面工程的发展趋势。从分析我国表面工程发展现状入手，提出了通过加强行业宣传，完善系统理论，增强表面工程技术服务能力，增强行业凝聚力、影响力和自我约束能力，加紧编制行业相关标准、规范/规程，以及做好表面工程技术职业技术人才的培养等促推我国表面工程发展的6条措施。 采用CO2横流激光器制备添加WC颗粒的FeCoCrNiCu高熵合金涂层，研究WC含量对涂层的组织结构及硬度的影响。结果表明：不同WC含量的高熵合金涂层均由简单的面心立方结构（FCC）和体心立方结构（BCC）两相组成。随着WC含量的提高，涂层中FCC相含量不断减少，BCC相含量不断增加。WC颗粒在激光熔覆过程中发生溶解并完全溶入FCC相和BCC相中，并未引起复杂碳化物相的生成。不同WC含量的涂层均为树枝晶组织。激光熔覆过程中的快速凝固条件有利于抑制枝晶和枝晶间的成分偏聚。WC含量的提高使枝晶细化，硬度提高。 钢板热冲压是一种将先进高强度钢板加热到奥氏体温度后快速冲压，在保压阶段通过模具实现淬火并达到所需冷却速度，从而得到组织为马氏体，强度在1500 MPa左右的超高强度零件的新型成形技术。文章对钢板热冲压新技术的关键装备、核心技术和优缺点做了系统介绍，并指出了其使用现状和前景。 以马来酸酐（MA）和丙烯酸（AA）为原料，采用活泼单体滴加的方式，通过水溶液自由基共聚合反应制备了MA/AA二元共聚物（PMAAA）。采用FTIR对产物的结构进行了表征，通过正交实验和单因素实验对影响聚合反应的因素进行了考察和优化。在N（MA)︰N（AA）=1︰2，聚合温度85℃，AA滴加时间为1.5 h，聚合时间2 h，引发剂过硫酸铵用量为总单体质量的8%时，MA的转化率为72.78%。 利用溶液聚合法制备了黄原胶-g-聚丙烯酸/有机蒙脱土（XG-g-PAA/OMMT）有机-无机杂化复合高吸水性材料。当蒙脱土用量为丙烯酸质量的6%时，XG-g-PAA/OMMT的吸水倍率高达882 g/g，吸w（NaCl）= 0.9%的水溶液倍率达到106.5 g/g。借助红外光谱仪、X射线衍射仪、扫描电镜、差示扫描量热仪和热重分析仪对合成产物进行了研究。结果表明，黄原胶分子与丙烯酸发生接枝共聚，蒙脱土的加入改变了XG-g-PAA的晶态结构，使复合高吸水性材料形成的网络空间增大，吸水抗盐性能和热稳定性能提高。通过研究复合高吸水性材料的吸水溶book=48,ebook=52胀过程探讨其吸水动力学机理，表明XG-g-PAA/OMMT的吸水动力学扩散模型主要为non-Fickon扩散。 以烯丙基聚氧乙烯醚、环氧氯丙烷和氢氧化钠溶液为原料，采用两步法来合成烯丙基聚氧乙烯缩水甘油醚（APGE），然后在铂催化剂作用下，与1,1,1,3,5,5,5-七甲基三硅氧烷（MDHM）进行硅氢化加成反应制得聚氧乙烯基缩水甘油醚三硅氧烷（PGETS），最后将其与三甲胺盐酸盐进行开环反应合成出季铵盐聚氧乙烯醚三硅氧烷表面活性剂（QASPETSS）。用IR和1HNMR对目标产物的结构进行了表征，并通过测定该水溶液的平衡表面张力研究了其表面活性。结果表明，在临界胶束浓度为6.3×10-4mol/L时，可以将水的表面张力降至22.4 mN/m；饱和吸附量、饱和吸附层中每个QASPETSS分子所占的平均面积和形成胶束的标准自由能分别为3.6×10-6mol/m2、0.46 nm2和-28.2 kJ/mol。关键词：有机硅；三硅氧烷；界面性能；表面活性剂 该文对大孔吸附树脂纯化黄花蒿黄酮的工艺条件进行了研究与优化，并对纯化后的黄酮进行了抗氧化活性的研究。比较了AB-8，DM-101，DA-201，D-101及SD-401对黄花蒿中黄酮类物质的吸附及解吸附性能，结果显示，D-101的综合效果最佳。通过D-101大孔吸附树脂动态吸附解吸实验，获得较佳的纯化工艺：上样液黄酮质量浓度为1.55 g/L，流速为2 mL/min，上样100 mL后，用蒸馏水洗脱至溶液无色，再用250 mL体积分数70%乙醇以1 mL/min洗脱。在该条件下，黄酮质量分数从20.10%提高到80.32%，洗脱率达91.08%，黄酮回收率为68.25%。黄花蒿黄酮对油脂有明显的抗氧化性作用；黄花蒿黄酮对植物油的抗氧化能力强于柠檬酸和抗坏血酸，对动物油脂的抗氧化能力稍弱于抗坏血酸而略强于柠檬酸。 该文介绍了水性聚氨酯的性能特点以及改性新技术的研究进展。论述了合成革用水性聚氨酯树脂在生产和应用中存在的主要问题，由于分子中引入了亲水基团，水性聚氨酯树脂在耐水性、耐溶剂性、透气透湿性、配伍性和干燥速度等方面表现较差，需要对其进行改性研究，如采用丙烯酸酯改性、有机硅改性、有机氟改性、植物油改性、环氧树脂改性、纳米材料改性和超支化聚合物改性等，并讨论了辐射聚合、交联及固化等辐射技术在共聚物乳液制备上的研究及应用。最后对合成革用水性聚氨酯树脂改性设计的发展前景作了展望。 采用盐酸H2O2/HCOOH法，在微通道反应器内对不饱和脂肪酸甲酯进行环氧化反应。考察了双氧水用量、甲酸用量、反应温度及催化剂用量对反应的影响，得到最优的反应条件为：m（脂肪酸甲酯）︰m（甲酸）︰m（双氧水）=1︰1.5︰2，反应温度40℃，催化剂浓盐酸质量分数为3%（即浓盐酸质量占原料脂肪酸甲酯质量的百分数，下同），反应时间为110 s。在该条件下，产品环氧值为4.32%。
电动汽车SOC估计方法原理与应用
林成涛，王军平，陈全世
关键词：电动汽车；SOC估计；应用 纯电动汽车（BEV）；能源供给；发展趋势；技术方向 电动汽车；电网；谐波污染；充电站；充电行为 铅酸电池；荷电状态（SOC）；定义方法；计算模型 电池；电动汽车；铅酸电池；镍氢电池；锂离子电池 风电机组；可入网电动汽车；随机经济调度 混合动力电动汽车；混合动力系统；可持续发展 电动汽车；燃料电池；混合动力；电池 电动汽车；电力系统；安全性；经济性；优化调度；充放电控制 北极海域；渔业资源；捕捞量；发展对策 汽车控制；发动机；传动系；主动安全；新能源汽车 电动汽车；电机；电池；能源管理系统；能量回收系统 永磁同步电机；磁场定向控制；效率模型；电动汽车；制动能量回馈；串联制动 电动汽车；停车生成率模型；蒙特卡洛模拟；充电负荷；时空分布 德国；产业政策；新能源汽车；欧盟 混合动力；增程式电动汽车；动力配置；协调控制；效率优化 电动汽车；集中充电站；单向能量传输模式；双向能量传输模式；协同调度；鲁棒优化 电动汽车；锂离子电池；阴极材料；设计 桥梁工程；凸形钢箱拱肋截面；缩尺模型试验；非线性有限元；强度折减系数；局部屈曲 多点成形；多点拉形；多点柔性工具；板类部件 超音速等离子喷涂；喷涂参数；粒子速度、温度 钛及钛合金；金属电沉积；应用；发展 复合镀膜技术；DLC薄膜；掺杂；摩擦学性能 硅酸盐；摩擦学性能；纳米硬度；自修复 激光熔覆；Ni基合金；WC颗粒；微观组织；硬度 超音速等离子喷涂；喷涂粒子特性；涂层特点 钛合金；激光熔覆；工艺优化；显微硬度 AZ31B镁合金；激光熔覆；Ni60合金；显微组织；磨损性能 热喷涂；表面前处理；喷砂；高压水射流处理；机械粗化；激光表面前处理；研究现状 蠕变时效成形；整体壁板；铝合金 自动化；电弧喷涂；再制造；曲轴；金属间化合物涂层 薄壁壳体；多道次旋压；全过程模拟；壁厚变化；工艺参数 再制造毛坯；金属磁记忆技术；磁畴结构；疲劳裂纹；寿命预测 等离子喷涂；涂层；激光重熔 装备再制造；表面工程；纳米复合电刷镀；新进展 等离子喷涂；摩擦磨损；磨损机理；陶瓷涂层 超音速等离子喷涂；AlSi-20； Al/Ni涂层；工艺参数；结合强度；正交实验 表面工程；表面工程理论；表面工程技术；表面工程设计；纳米表面工程 高熵合金；涂层；激光熔覆；WC颗粒 热冲压；冷却；淬火 马来酸酐；丙烯酸；转化率；皮革化学品 黄原胶；有机蒙脱土；复合高吸水性材料；吸水动力学；功能材料 大孔吸附树脂；黄酮；黄花蒿；分离纯化；抗氧化；催化与分离提纯技术 水性聚氨酯；合成革；改性；应用；研究进展 环氧化反应；环氧脂肪酸甲酯；环氧值；微通道反应器；橡塑助剂
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德国新能源汽车产业政策及其启示
陈翌，孔德洋
来源出版物：德国研究, 2014, 29(1): 71-81
燃油增程式电动汽车动力系统关键技术综述
王耀南，孟步敏，申永鹏，等
来源出版物：中国电机工程学报, 2014, 34(27): 4629-4639
联系邮箱：王耀南，yaonan@hnu.edu.cn
集中充电模式下的电动汽车调频策略
姚伟锋，赵俊华，文福拴，等
来源出版物：电力系统自动化, 2014, 38(9): 69-76
联系邮箱：文福栓，fushuan.wen@gmail.com
电动汽车与锂离子电池
黄学杰
来源出版物：物理, 2015, 44(1): 1-7
联系邮箱：黄学杰, xjhuang@iphy.ac.cn
A systematic state-of-charge estimation framework for multi-cell battery pack in electric vehicles using bias correction technique
Sun, Fengchun; Xiong, Rui; He, Hongwen
来源出版物：Applied Energy, 2016, 162: 1399-1409
Robust cascaded automatic cruise control of electric vehicles
Reichhartinger, M; Horn, M
来源出版物：International Journal of Robust and Nonlinear Control, 2016, 26(4): 662-680
A novel dual-scale cell state-of-charge estimation approach for series-connected battery pack used in electric vehicles
Sun, Fengchun; Xiong, Rui
来源出版物：Journal of Power Sources, 2015, 274:
582-594
Critical review of the methods for monitoring of lithium-ion batteries in electric and hybrid vehicles
Waag, Wladislaw; Fleischer, Christian; Sauer, Dirk Uwe
来源出版物：Journal of Power Sources, 2014, 258:
321-339
Approximate Pontryagin’s minimum principle applied to the energy management of plug-in hybrid electric vehicles
Hou, Cong; Ouyang, Minggao; Xu, Liangfei; et al.
来源出版物：Applied Energy, 2014, 115: 174-189
Real CO2emissions benefits and end user’s operating costs of a plug-in Hybrid Electric Vehicle
Millo, Federico; Rolando, Luciano; Fuso, Rocco; et al.
来源出版物：Applied Energy, 2014, 114: 563-571
A real time fuzzy logic power management strategy for a fuel cell vehicle
Hemi, Hanane; Ghouili, Jamel; Cheriti, Ahmed; et al.
来源出版物：Energy Conversion and Management, 2014, 80: 63-70
A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles
Lu, Languang; Han, Xuebing; Li, Jianqiu; et al.
来源出版物：Journal of Power Sources, 2013, 226: 272-288
Review of battery charger topologies, charging power levels, and infrastructure for plug-in electric and hybrid vehicles
Yilmaz, Murat; Krein, Philip T
来源出版物：IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 28(5): 2151-2169
A review of energy sources and energy management system in electric vehicles
Tie, Siang Fui; Tan, Chee Wei
来源出版物：Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2013, 20: 82-102
A data-driven adaptive state of charge and power capability joint estimator of lithium-ion polymer battery used in electric vehicles
Xiong, Rui; Sun, Fengchun; He, Hongwen; et al.
来源出版物：Energy, 2013, 63: 295-308
编辑：卫夏雯
交通运输工程
凸形钢箱拱肋截面荷载试验和有限元分析
吴庆雄，陈康明，陈宝春，等
来源出版物：交通运输工程学报, 2012, 12(3): 19-27
入选年份：2012
机械制造工艺与设备
多点技术在飞机板类部件制造中的应用
刘纯国，李明哲，隋振
来源出版物：塑性工程学报, 2008, 15(2): 109-114
入选年份：2012
超音速等离子喷涂参数对粒子速度温度的影响
陆欢，王海军，郭永明，等
来源出版物：中国表面工程, 2008, 21(1): 19-23
入选年份：2013
钛及钛合金表面金属电沉积的预处理问题
屠振密，朱永明，李宁，等
来源出版物：中国表面工程, 2010, 23(1): 24-29
入选年份：2013
梯度掺杂和纳米多层调制类金刚石薄膜的摩擦学性能
陈新春，彭志坚，付志强，等
来源出版物：中国表面工程, 2010, 23(2): 36-41
入选年份：2013
层状硅酸盐自修复材料的摩擦学性能研究
许一，于鹤龙，赵阳，等
来源出版物：中国表面工程, 2009, 22(3): 58-61
入选年份：2013
激光熔覆WC颗粒增强Ni基合金涂层的组织与性能
戎磊，黄坚，李铸国，等
来源出版物：中国表面工程, 2010, 23(6): 40-44，50
入选年份：2013
高效能超音速等离子喷涂粒子特性及涂层特点
王海军，谢兆钱，郭永明，等
来源出版物：中国表面工程, 2010, 23(3): 84-88
入选年份：2013
钛合金表面激光熔覆修复技术
崔爱永，胡芳友，张忠文，等
来源出版物：中国表面工程, 2011, 24(2): 61-64
入选年份：2013
Ti-6Al-4V激光重熔结构及摩擦学性能
郭纯，陈建敏，周健松，等
关键词：钛合金；激光重熔；组织结构；摩擦磨损性能
来源出版物：中国表面工程, 2011, 24(3): 11-16
入选年份：2013
不同激光功率下镁合金表面激光熔覆Ni60合金涂层的显微组织和磨损性能
葛亚琼，王文先
来源出版物：中国表面工程, 2012, 25(1): 45-50
入选年份：2013
热喷涂基体表面前处理技术的研究进展
杨震晓，刘敏，邓春明，等
来源出版物：中国表面工程, 2012, 25(2): 8-14
入选年份：2013
蠕变时效成形技术研究现状与发展趋势
曾元松，黄遐，黄硕
来源出版物：塑性工程学报, 2008, 15(3): 1-8
入选年份：2013
自动化高速电弧喷涂技术再制造发动机曲轴
梁秀兵，陈永雄，白金元，等
来源出版物：中国表面工程, 2010, 23(2): 112-116
入选年份：2014
大型复杂薄壁壳体多道次旋压过程中的壁厚变化
詹梅，李虎，杨合，等
来源出版物：塑性工程学报, 2008, 15(2): 115-121
入选年份：2013
金属磁记忆技术用于再制造毛坯寿命评估初探
董丽虹，徐滨士，董世运，等
来源出版物：中国表面工程, 2010, 23(2): 106-111
入选年份：2014
激光重熔等离子喷涂Al2O3-13%TiO2涂层的组织结构
龚志强，吴子健，刘焱飞，等
来源出版物：中国表面工程, 2011, 24(1): 12-15
入选年份：2014
面向装备再制造的纳米复合电刷镀技术的新发展
胡振峰，董世运，汪笑鹤，等
来源出版物：中国表面工程, 2010, 23(1): 87-91
入选年份：2014
等离子喷涂ZrO2/Al2O3陶瓷涂层的摩擦磨损性能
安家财，杜三明，肖宏滨，等
来源出版物：中国表面工程, 2011, 24(1): 20-24，88
入选年份：2014
超音速等离子喷涂工艺参数对AlSi-20%Al/Ni涂层结合强度的影响
范文超，谭俊，王海军，等
来源出版物：中国表面工程, 2012, 25(1): 71-75
入选年份：2014
表面工程的发展及思考
涂铭旌，欧忠文
来源出版物：中国表面工程, 2012, 25(5): 1-5
入选年份：2014
WC颗粒对激光熔覆FeCoCrNiCu高熵合金涂层组织与硬度的影响
黄祖凤，张冲，唐群华，等
来源出版物：中国表面工程, 2013, 26(1): 13-19
入选年份：2014
钢板热冲压新技术介绍
徐伟力，艾健，罗爱辉，等
来源出版物：塑性工程学报, 2009, 16(4): 39-43
入选年份：2014
精细化学工程
马来酸酐-丙烯酸二元共聚物的合成研究
崔凯，邹祥龙，兰云军
来源出版物：精细化工, 2010, 27(2): 179-181
入选年份：2013
XG-g-PAA/OMMT有机-无机杂化复合高吸水性材料
苗宗成，王蕾，李铭杰，等
来源出版物：精细化工, 2012, 29(2): 113-117，191
入选年份：2013
季铵盐聚氧乙烯醚三硅氧烷表面活性剂的合成与界面性能
罗儒显，陈耀彬
来源出版物：精细化工, 2011, 28(2): 125-129
入选年份：2014
大孔吸附树脂纯化黄花蒿黄酮及其抗氧化活性
熊利芝，欧阳文，李春，等
来源出版物：精细化工, 2013, 30(4): 451-455
入选年份：2014
合成革用水性聚氨酯树脂的改性研究进展
杨建军，张建安，吴庆云，等
来源出版物：精细化工, 2013, 30(3): 241-247
入选年份：2014
微通道反应器中合成环氧脂肪酸甲酯
张跃，俞佳娜，严生虎，等
来源出版物：精细化工, 2013, 30(1): 85-88
入选年份：2014
编辑：张宁宁
来源出版物：西安交通大学学报, 2004, 38(1): 1-5
被引频次：425
来源出版物：IEEE Transactions on Power Systems, 2010, 25(1): 371-380
被引频次：417
The impact of charging plug-in hybrid electric vehicles on a residential distribution grid
Clement-Nyns, Kristien; Haesen, Edwin; Driesen, Johan
Abstract:Alternative vehicles, such as plug-in hybrid electric vehicles, are becoming more popular. The batteries of these plug-in hybrid electric vehicles are to be charged atbook=34,ebook=38home from a standard outlet or on a corporate car park. These extra electrical loads have an impact on the distribution grid which is analyzed in terms of power losses and voltage deviations. Without coordination of the charging, the vehicles are charged instantaneously when they are plugged in or after a fixed start delay. This uncoordinated power consumption on a local scale can lead to grid problems. Therefore, coordinated charging is proposed to minimize the power losses and to maximize the main grid load factor. The optimal charging profile of the plug-in hybrid electric vehicles is computed by minimizing the power losses. As the exact forecasting of household loads is not possible, stochastic programming is introduced. Two main techniques are analyzed: Quadratic and dynamic programming. Increasingly stringent legislation controls emissions from internal combustion engines to the point where alternative power sources for vehicles are necessary. The hydrogen fuel cell is one promising option, but the nature of the gas is such that the conversion of other fuels to hydrogen on board the vehicle is necessary. The conversion of methanol, methane, propane, and octane to hydrogen is reviewed. A combination of oxidation and steam reforming (indirect partial oxidation) or direct partial oxidation are the most promising processes. Indirect partial oxidation involves combustion of part of the fuel to produce sufficient heat to drive the endothermic steam reforming reaction. Direct partial oxidation is favored only at high temperatures and short residence times but is highly selective. However, indirect partial oxidation is shown to be the preferred process for all, fuels. The product gases can be taken through a water-gas shift reactor, but still retain similar to 2% carbon monoxide, which poisons fuel-cell catalysts. Selective oxidation is the preferred route to removal of residual carbon monoxide. Low-temperature oxidation in the absence and presence of an excess of hydrogen is reviewed. An-based catalysts show much promise, but precious metal catalysts such as Pt/zeolite have some advantages. Widespread use of electric vehicles can have significant impact on urban air quality, national energy independence, and international balance of trade. An efficient battery is the key technological element to the development of practical electric vehicles. The science and technology of a nickel metal hydride battery, which stores hydrogen in the solid hydride phase and has high energy density, high power, long life, tolerance to abuse, a wide range of operating temperature, quick-charge capability, and totally sealed maintenance-free operation, is described. A broad range of multi-element metal hydride materials that use structural and compositional disorder on several scales of length has been engineered for use as the negative electrode in this battery. The battery operates at ambient temperature, is made of nontoxic materials, and is recyclable. Demonstration of the manufacturing technology has been achieved. With the more stringent regulations on emissions and fuel economy, global warming, and constraints on energy resources, the electric, hybrid, and fuel cell vehicles have attracted more and more attention by automakers, governments, and customers. Research and development efforts have been focused on developing novel concepts, low-cost systems, and reliable hybrid electric powertrain. This paper reviews the state of the art of electric, hybrid, and fuel cell vehicles. The topologies for each category and the enabling technologies are discussed Converting all U.S. onroad vehicles to hydrogen fuel-cell vehicles (HFCVs) may improve air quality, health, and climate significantly, whether the hydrogen is produced by steam reforming of natural gas, wind electrolysis, or coal gasification. Most benefits would result from eliminating current vehicle exhaust. Wind and natural gas HFCVs offer the greatest potential health benefits and could save 3700 to 6400 U.S. lives annually. Wind HFCVs should benefit climate most. An all-HFCV fleet would hardly affect tropospheric water vapor concentrations. Conversion to coal HFCVs may improve health but would damage climate more than fossil/electric hybrids. The real cost of hydrogen from wind electrolysis may be below that of U.S. gasoline. In a world where environment protection and energy conservation are growing concerns, the development of electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV) has taken on an accelerated pace. The dream of having commercially viable EVs and HEVS is becoming a reality, EVs, and HEVs are gradually available in the market. This paper will provide an overview of the present status of electric and hybrid vehicles worldwide and their state of the art, with emphasis on the engineering philosophy and key technologies. The importance of the integration of technologies of automobile, electric motor drive, electronics, energy storage, and controls and also the importance of the, integration of society strength from government, industry, research institutions, electric power utilities, and transportation authorities are addressed. The challenge of EV commercialization is discussed. With the requirements for reducing emissions and improving fuel economy, automotive companies are developing electric, hybrid electric, and plug-in hybrid electric vehicles. Power electronics is an enabling technology for the development of these environmentally friendlier vehicles and implementing the advanced electrical architectures to meet the demands for increased electric loads. In this paper, a brief review of the current trends and future vehicle strategies and the function of power electronic subsystems are described. The requirements of power electronic components and electric motor drives for the successful development of these vehicles are also presented. Electric-drive vehicles can provide power to the electric grid when they are parked (vehicle-to-grid power). We evaluated the economic potential of two utility-owned fleets of battery-electric vehicles to provide power for a specific electricity market, regulation, in four US regional regulation services markets. The two battery-electric fleet cases are: (a) 100 Think City vehicle and (b) 252 Toyota RAV4. Important variables are: (a) the market value of regulation services, (b) the power capacity (kW) of the electrical connections and wiring, and (c) the energy capacity (kWh) of the vehicle’s battery. With a few exceptions when the annual market value of regulation was low, we find that vehicle-to-grid power for regulation services is profitable across all four markets analyzed. Assuming now more than current Level 2 charging infrastructure (6.6 kW) the annual net profit for the Think City fleet is from US$ 7000 to 70000 providing regulation down only. For the RAV4 fleet the annual net profit ranges from US$ 24000 to 260000 providing regulation down and up. Vehicle-to-grid power could provide a significant revenue stream that would improve the economics of grid-connected electric-drive vehicles and further encourage their adoption. It would also improve the stability of the electrical grid. This paper overviews theoretical and practical design issues related to inductive power transfer systems and verifies the developed theory using a practical electric vehicle battery charger. The design focuses on the necessary approaches to ensure power transfer over the complete operating range of the system. As such, a new approach to the design of the primary resonant circuit is proposed, whereby deviations from design expectations due to phase or frequency shift are minimized. Of particular interest are systems that are neither loosely nor tightly coupled. The developed solution depends on the selected primary and secondary. resonant topologies, the magnetic coupling coefficient, and the secondary quality factor. This paper reviews the relative merits of induction, switched reluctance, and permanent-magnet (PM) brushless machines and drives for application in electric, hybrid, and fuel cell vehicles, with particular emphasis on PM brushless machines. The basic operational characteristics and design requirements, viz. a high torque/power density, high efficiency over a wide operating range, and a high maximum speed capability, as well as the latest developments, are described. Permanent-magnet brushless dc and ac machines and drives are compared in terms of their constant torque and constant power capabilities, and various PM machine topologies and their performance are reviewed. Finally, methods for enhancing the PM excitation torque and reluctance torque components and, thereby, improving the torque and power capability, are described. In order to maximize the capacity/energy utilization and guarantee safe and reliable operation of battery packs used in electric vehicles, an accurate cell state-of-charge (SoC) estimator is an essential part. This paper tries to add three contributions to the existing literature. (1) An integrated battery system identification method for model order determination and parameter identification is proposed. In addition to being able tobook=39,ebook=43identify the model parameters, it can also locate an optimal balance between model complexity and prediction precision. (2) A radial basis function (RBF) neural network based uncertainty quantification algorithm has been proposed for constructing response surface approximate model (RSAM) of model bias function. Based on the RSAM, the average pack model can be applied to every single cell in battery pack and realize accurate terminal voltage prediction. (3) A systematic SoC estimation framework for multi-cell series-connected battery pack of electric vehicles using bias correction technique has been proposed. Finally, three cases with twelve lithium-ion polymer battery (LiPB) cells series-connected battery pack are used to verify and evaluate the proposed framework. The result indicates that with the proposed systematic estimation framework the maximum absolute SoC estimation error of all cells in the battery pack are less than 2%. This article focuses on automatic cruise control for electrically driven vehicles. The objective is to track a given vehicle-velocity profile. For this type of application, the so-called wheel slip plays a key role, as it is a measure for the force transmitted from the wheel to the road. Conventional wheel-slip controllers are usually activated if the absolute value of the slip exceeds pre-assumed thresholds. Furthermore, it is distinguished between a braking and acceleration maneuver using separately designed and implemented controllers. In contrast, the proposed concept requires neither an activation strategy for the slip controller nor a distinction between braking and acceleration. The cascaded control structure is based upon adaptive-gains super twisting sliding-mode algorithm, and the friction force estimator is realized as a second-order sliding-mode observer with constant gains. The effectiveness and robustness of the proposed concept are demonstrated in numerical simulations using a complex multibody vehicle model. Accurate estimations of cell state-of-charge for series-connected battery pack are remaining challenge due to the inhabited inconsistency characteristic. This paper tries to make three contributions. (1) A parametric modeling method is proposed for developing model-based SoC estimation approach. Based on the analysis for the mapping relationship between battery parameters and its SoC, a three-dimensional response surface open circuit voltage model is proposed for correcting erroneous SoC estimation. (2) An improved battery model considering model and parameter uncertainties is developed for modeling multiple cells in battery pack. A filtering process for selecting cell having “average capacity” and “average resistance” of battery pack has been developed to build the nominal battery model. Then a bias correction for single cells based on an average cell model is proposed for improving the expansibility of the nominal battery model. (3) A novel model-based dual-scale cell SoC estimator has been proposed. It uses micro and macro time scale to estimate the SoC of the selected cell and unselected cells respectively. Lastly, the proposed approach has been verified by two lithium-ion battery packs. The results show that the maximum estimation errors for cell voltage and SoC are less than 30 mV and 1% respectively against uncertain diving cycles and battery packs. Lithium-ion battery packs in hybrid and pure electric vehicles are always equipped with a batterybook=40,ebook=44management system (BMS). The BMS consists of hardware and software for battery management including, among others, algorithms determining battery states. The continuous determination of battery states during operation is called battery monitoring. In this paper, the methods for monitoring of the battery state of charge, capacity, impedance parameters, available power, state of health, and remaining useful life are reviewed with the focus on elaboration of their strengths and weaknesses for the use in on-line BMS applications. To this end, more than 350 sources including scientific and technical literature are studied and the respective approaches are classified in various groups. This paper proposes an optimal energy management strategy based on the approximate Pontryagin’s Minimum Principle (A-PMP) algorithm for parallel plug-in hybrid electric vehicles (HEVs). When the driving cycles are known in advance, the Pontryagin’s Minimum Principle (PMP) can help to achieve the best fuel economy, but real-time control has been unavailable due to the massive computational load required by instantaneous Hamiltonian optimization. After observing some regular patterns in numeric PMP results, we were inspired to apply a novel piecewise linear approximation strategy by specifying the turning point of the engine fuel rate for the Hamiltonian optimization. As a result, the instantaneous Hamiltonian optimization becomes convex. Considering the engine state, there are only five candidate solutions for the optimization. For the engine off state, only one of the available torque split ratios (TSR) is one of these five candidates. The other four TSR candidates are for the engine on state, including the TSR when the engine operates at the best efficiency point for the current speed, the TSR when the engine delivers all the required torque and two terminal TSRs. The optimal TSR is the one with the smallest Hamiltonian of the current engine state. The engine state with the smallest Hamiltonian will be requested for the next time step. The results show that the A-PMP strategy reduced fuel consumption by 6.96% compared with the conventional “All-Electric, Charge-Sustaining” (AE-CS) strategy. In addition, the A-PMP shortened the simulation time from 6 h to only 4 min, when compared with the numeric PMP method. Unlike other approximation methods, the proposed novel piecewise linear approximation caused no severe distortion to the engine map model. The engine state switching frequency is also reduced by 43.40% via both the filter and the corresponding engine on/off optimal control strategy. Although plug-in Hybrid Electric Vehicles (pHEVs) can be considered a powerful technology to promote the change from conventional mobility to e-mobility, their real benefits, in terms of CO2emissions, depend to a great extent on the average efficiency of their Internal Combustion Engine and on the energy source mix which is used to supply the electrical demand of pHEV. Furthermore the operating cost of the vehicle should also be taken into account in the design process, since it represents the main driver in the customer’s choice. This article has the purpose of assessing, through numerical simulations, the effects of different technology mixes used to produce electrical energy for the battery recharging, of different Internal Combustion Engines on the pHEV performance, and highlighting the main differences with respect to the regulatory test procedure.In this paper, the design and implementation of a wireless power transfer system for moving electric vehicles along with an example of an online electric vehicle system are presented. Electric vehicles are charged on roadway by wireless power transfer technology. Electrical and practical designs of the inverter, power lines, pickup, rectifier, and regulator as well as an optimized core structure design for a large air gap are described. Also, electromotive force shielding for the electric vehicle is suggested. The overall system wasbook=41,ebook=45implemented and tested. The experimental results showed that 100 kW power with 80% power transfer efficiency under 26 cm air gap was acquired. This paper presents real time fuzzy logic controller (FLC) approach used to design a power management strategy for a hybrid electric vehicle and to protect the battery from overcharging during the repetitive braking energy accumulation. The fuel cell (FC) and battery (B)/supercapacitor (SC) are the primary and secondary power sources, respectively. This paper analyzes and evaluates the performance of the three configurations, FC/B, FC/SC and FC/B/SC during real time driving conditions and unknown driving cycle. The MATLAB/Simulink and SimPowerSystems software packages are used to model the electrical and mechanical elements of hybrid vehicles and implement a fuzzy logic strategy. Compared with other commonly used batteries, lithium-ion batteries are featured by high energy density, high power density, long service life and environmental friendliness and thus have found wide application in the area of consumer electronics. However, lithium-ion batteries for vehicles have high capacity and large serial-parallel numbers, which, coupled with such problems as safety, durability, uniformity and cost, imposes limitations on the wide application of lithium-ion batteries in the vehicle. The narrow area in which lithium-ion batteries operate with safety and reliability necessitates the effective control and management of battery management system. This present paper, through the analysis of literature and in combination with our practical experience, gives a brief introduction to the composition of the battery management system (BMS) and its key issues such as battery cell voltage measurement, battery states estimation, battery uniformity and equalization, battery fault diagnosis and so on, in the hope of providing some inspirations to the design and research of the battery management system. This paper reviews the current status and implementation of battery chargers, charging power levels, and infrastructure for plug-in electric vehicles and hybrids. Charger systems are categorized into off-board and on-board types with unidirectional or bidirectional power flow. Unidirectional charging limits hardware requirements and simplifies interconnection issues. Bidirectional charging supports battery energy injection back to the grid. Typical on-board chargers restrict power because of weight, space, and cost constraints. They can be integrated with the electric drive to avoid these problems. The availability of charging infrastructure reduces on-board energy storage requirements and costs. On-board charger systems can be conductive or inductive. An off-board charger can be designed for high charging rates and is less constrained by size and weight. Level 1 (convenience), Level 2 (primary), and Level 3 (fast) power levels are discussed. Future aspects such as roadbed charging are presented. Various power level chargers and infrastructure configurations are presented, compared, and evaluated based on amount of power, charging time and location, cost, equipment, and other factors. The issues of global warming and depletion of fossil fuels have paved opportunities to electric vehicle (EV). Moreover, the rapid development of power electronics technologies has even realized high energy-efficient vehicles. EV could be the alternative to decrease the global green house gases emission as the energy consumption in the world transportation is high. However, EV faces huge challenges in battery cost since one-third of the EV cost lies on battery. This paper reviews state-of-the-art of the energy sources, storage devices, power converters, low-level control energy management strategies and high supervisor control algorithms used in EV. The comparison on advantages and disadvantages of vehicle technology is highlighted. In addition, the standards and patterns of drive cycles for EV are also outlined. The advancement of power electronics and power processors has enabled sophisticated controls (low-level and high supervisory algorithms) to be implemented in EV to achieve optimum performance as well as the realization of fast-charging stations. The rapid growth of EV has led to the integration of alternative resources to the utility grid and hence smart grid control plays an important role in managing the demand. The awareness of environmental issue and fuel crisis has brought up the sales of EV worldwide. An accurate SoC (state of charge) and SoP (state of power capability) joint estimator is the most significant techniques for electric vehicles. This paper makes two contributions to the existing literature. (1) A data-driven parameter identification method has been proposed for accurately capturing the real-time characteristic of the battery through the recursive least square algorithm, where the parameter of the battery model is updated with the real-time measurements of battery current and voltage at each sampling interval. (2) An adaptive extended Kalman filter algorithm based multi-state joint estimator has been developed in accordance with the relationship of the battery SoC and its power capability. Note that the SoC and SoP can be predicted accurately against the degradation and various operating environments of the battery through the data-driven parameter identification method. The robustness of the proposed data-driven joint estimator has been verified by different degradation states of lithium-ion polymer battery cells. The result indicates that the estimation errors of voltage and SoC are less than 1% even if given a large erroneous initial state of joint estimator, which makes the SoP estimate more accurate and reliable for the electric vehicles application.
Keywords:coordinated charging; distribution grid; dynamic programming; plug-in hybrid electric vehicles; quadratic programming hydrogen; fuel cell; onboard hydrogen generation; hydrocarbon partial oxidation electric drives; electric machines; electric vehicle; fuel cell vehicles; hybrid electric vehicle (HEV); modeling; power electronics electric and hybrid vehicles; electric drives; electric propulsion electric machines; electric vehicles; fuel-cell vehicles; hybrid vehicles; motor drive; plug-in hybrid vehicles; power electronics; propulsion systems; vehicle strategy electric-drive vehicles; energy storage;book=36,ebook=40vehicle-to-grid power; ancillary services; V2G battery charging; electric vehicle; electromagnetic coupling; inductive power transfer; resonance brushless drives; electric vehicles; electrical machines; hybrid vehicles; induction machines; permanentmagnet machines; switched reluctance machines electric vehicles; lithium-ion polymer battery; uncertainty; bias correction; response surface approximate model; state-of-charge automatic cruise control; wheel-slip control; second-order sliding-mode control; adaptive-gains super twisting algorithm lithium-ion battery; inconsistency; uncertainty; model-based; dual-scale; state-of-charge battery monitoring; on-line estimation algorithm; power prediction; state of charge; state of health plug-in hybrid electric vehicle; Energy management; Pontryagin's minimum principle; Piecewise approximation core structure; online electric vehicles (OLEVs); pickup; roadway-powered electric vehicles; wireless power transfer fuel cell hybrid vehicle; power management; fuzzy logic; battery; supercapacitor; fuel cell vehicle lithium-ion battery in electric vehicles; battery management system; cell voltage measurement; battery states estimate; battery uniformity and equalization; battery fault diagnosis charging infrastructure; integrated chargers; levels 1, 2, and 3 chargers; conductive and inductive charging; plug-in electric vehicles (PEVs); plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); unidirectional/bidirectional chargers energy management; electric vehicle; hybrid electric vehicle; supervisory control; optimization; drive cycle electric vehicles; Lithium-ion polymer battery; data-driven; adaptive extended Kalman filter; state of charge (SoC); state of power capability (SoP)
