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哈德斯菲尔德大学培训小结
发布日期:2018-09-28 10:00:22   来源:国际交流处
 

       应英国哈德斯菲尔德(University of Huddersfield)Nigel Schofield教授的邀请,自动化系胡志华、王振华及陶莉莉三位老师于2018年9月8日-9月14日赴英进行了控制理论与控制工程相关技术的应用研究学习。通过的本次探讨与学习,团队成员在新能源汽车电动机的电力电子技术及新能源汽车电池的故障诊断与在线监测技术方向有了更深入的认识。并期望未来能够将哈德斯菲尔德大学的先进成果与教学方法应用到自己的学科研究方向上,为以后作进一步的学科研究指明方向。并提升自己的理论水平。另外我们与Nigel教授及其团队成员进行了合作探讨,可以为学校和我们学科引入高水平的海外名师,提升自动化系及学校的国际影响力和学科的国际影响力。

  哈德斯菲尔德大学(University of Huddersfield)的历史可追溯到1824年,原校正式建校于1841年。自1992年起正式确立为大学。具有长期开设优质课程、面向职业或求职目标的传统。哈德斯菲尔德学院紧邻哈德斯菲尔德市中心。哈德斯菲尔德大学引在2005年,2006年以及2007年中的全英大学生对学校满意度的调查中都获得高分。哈德斯菲尔德大学在众多领域上的研究都享有国际声誉,其精密技术中心是全英公认最好的精密技术研究中心,同时也是全欧乃至全世界排名前三的精密技术研究中心之一,该中心在精度理论和精密技术方面的研究在全世界都享有极高的声誉。学校面向音乐学生开设的新声波研究实验室更为英格兰大学首创。大学正通过一些重要的新投入,包括任命20名新教授等,来进一步发展其科研及相关企业。

  哈德斯菲尔德大学的社会工作科目和媒体学习科目是全英最好的学科。哈德斯菲尔德大学在提供高质量的教学同时突出行业特色的强调。该大学是全英前五个最好的为学生提供“三明治课程的大学”,学生可以在带薪的工业或者商业行业中进行实习并从中受益,导致了毕业生的高就业率。哈德斯菲尔德大学还通过实用性和强调行业特色的方法以及结合具有高学术标准的实际工作经验增强学生在毕业劳动市场上的竞争力。

  学习期间,哈德斯菲尔德大学教授先对专业研究方向及研究内容的介绍,哈德斯菲尔德大学Nigel教授在新能源汽车电动机与暂态能源存储方面有深入研究,并且有一定的理论深度。哈德斯菲尔德大学以在广泛的学科领域内提供高质量的教学而享有盛誉,并在电子工程学、社会工作、音乐与信息技术具有很强的影响力。

  随后,Nigel教授对三位老师进行了控制理论与控制工程学科研究方向新能源汽车相关技术培训,总体上讲,新能源汽车可分为三级模块体系,一级模块主要是指执行系统,包括充电设备,电动附件,储能系统,发动机,发电机,离合器,驱动电机和齿轮箱,二级模块包括执行系统和控制系统两部分,二级模块的控制系统包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU,分别表示电池管理系统、发动机电子控制单元、发电机控制器、离合器控制单元、电机控制器、变速器控制系统和整车控制器。三级模块体系中,包括电池单体的功率型和能量型,控制系统的三级模块主要包括硬件、底层和应用层软件。在三级模块体系和平台架构中,整车控制器(VCU)、电机控制器(MCU)和电池管理系统(BMS)是最重要的核心技术,对整车的动力性、经济性、可靠性和安全性等有着重要影响。围绕Nigel的研究方向。他重点向我们介绍了电池管理系统(BMS)及其与我们学科研究方向有关系的远程数据监测技术。

  在新能源汽车中,当传统机械部件变成了电子部件,且搭载大量的电池,就对功能安全提出了更高的要求。除了可靠性,功能安全方面提出的挑战,电池管理系统的各项测量精度也是未来提出的挑战,包括电池系统电压,电流,系统绝缘,SOC,SOH,SOP等系统参数的检测精度。BMS系统需要准确估测动力电池组的荷电状态,动态监测动力电池组的工作状态,单体电池间的均衡。电动车将以锂电池为主要动力驱动来源,然而锂电池大量生产时品质不易掌握,电池芯出厂时电量即存在些微差异,且随着操作环境、老化,不同工况等因素,电池间不一致性将愈趋明显,电池效率、寿命也都将变差,再加上过充或过放等情况,严重时可能导致起火燃烧等安全隐患。因此,通过电池管理系统(BMS)能准确量测电池组使用状况,保护电池不至于过度充放电,平衡电池组中每一颗电池的电量,以及分析计算电池组的剩余电量并转换为驾驶可理解的续航力信息,动态监控电池组的健康参数,确保动力电池可靠安全运行。

  BMU硬件部分完成电池单体电压和温度测量,并通过高可靠性的数据传输通道与BCU模块进行指令及数据的双向传输。BCU可选用基于汽车功能安全架构的32位微处理器完成总电压采集、绝缘检测、继电器驱动及状态监测等功能。底层软件架构需要符合AUTOSAR标准,应用层软件是BMS的控制核心,包括电池保护、电气伤害保护、故障诊断管理、热管理、继电器控制、从板控制、均衡控制、SOC估计和通讯管理等模块。

  通过这次相关学习,三位老师对未来学科的研究方向有了更新的认识。

  此后,Nigel教授及其助理对三位老师进行了电子电力相关的实验室实验项目设计的培训,Nigel教授向我们介绍了哈德斯菲尔德大学的实验室实验项目考查与评估方法,并介绍了如何对本科生实验课程进行实验项目设计。在此基础上,三位老师就本学科未来新实验室建设与规划与Nigel教授进行了交流与探讨。

  基于新能源汽车电源管理实验室的建设方案,Nigel提出基于BMS系统,可以分别建立充电系统模块,能量存储模块,放电系统模块,电源管理模块,电池故障诊断,总线技术模块,远程监测模块等。由此确定的实验项目可以包括:控制功能全面测试,故障诊断全面测试,总线网络测试,回归测试,极限工况测试,数据初始标定,耐久测试,重复性测试等。

  为了评估电池在存储、运输,误用等情况下,是否会引发过热,明火,爆炸,有害气体,人员安全等问题,由此而产生的电池检测标准有:国际标准(IEC)、欧盟标准(EN)、中国标准(GBQC)、美国标准(SAE UL)、日本标准(JIS),针对新能源汽车应用较为广泛的标准是UN 38.3、QC 743、SAND2005-3123、UL 2580、ISO 12405。电池标准针对的检测项目,包括电池工况容量、各种倍率的充放电性能、过充性能、过放性能、短路性能、绝缘性能、自放电特性、电性能寿命等。其中过充、过放、短路的实验过程风险较大,存在明火爆炸等剧烈现场。  

  此外,三位老师还对该校的嵌入式系统实验室、电力系统实验室及传感器测试实验室的相关设备的使用与相关实验设备的设计制作进行了学习。在哈德斯菲尔德大学的传感器测试实验室,Nigel教授向我们介绍了电机的状态监测实验平台,包括振动监测,电流监测。可通过RS485通信方式将监测数据传送给监测服务器,学生可在监测服务器上进行数据分析,建立实验模型和频谱分析和进行故障预诊断仿真算法研究。这同本学科的研究内容非常相似,对我们的学科研究有参考和借鉴意义。

   关于Nigel的研究方向暂态储能,暂态储能装置包括超级电容和飞轮电池,除此之外,Nigel向我们介绍了一种新型的储能电池——Zebra电池。

   Zebra电池实际上就是在NaS电池研制基础上发展起来的。所谓Zebra即Zero emission battery research activity的缩写,表示其为一种零排放无污染的绿色电源。

   Zebra电池持有与NaS电池相类似的优点。

   开路电压高(300oC时为2.58V)、比能量高(理论比能量为790WhKg-1,实际已达100WhKg-1)、比功率高(在80%DOD达到150WhKg-1)、能量转换效率高(具有100%的库仑效率,无自放电)、容量与放电率无关(电池内阻基本上是以欧姆内阻为主)、可快速充电(电池经30分钟充电可达50%的放电容量)、长的循环寿命(储存寿命大于5年,充放电循环寿命大于1000周次)、免维护(全密封结构,无外界环境温度影响)。

    Zebra电池还有其独到之处的特性

  (1)电池制备过程无液态钠操作麻烦,比较简单、安全。因其制备通常都在放电状态,即用镍和氯化钠作为正极材料,通过首次充电在负极产生钠金属;

  (2)电池连接可以任意方式进行串并联排列组合,即使当电池组内部发生少量电池损坏时(一般<电池总数的5%)无需更换,仍可继续工作。因其发生损坏时由于正负极直接接触反应生成铝而形成电池内部短路呈导通状态所致;

  (3)电池能承受反复多次冷热循环。据早期报导,电池在进行了100次冷热循环后,无容量和寿命衰退的迹象发现。因其正极的镍基混合物具有比b²-Al2O3陶瓷管高的热膨胀系数,所以在冷却固化时会收缩脱离b²-Al2O3管,无应力产生的问题;

  (4)电池抗腐蚀能力相应增强。因其电池结构中将腐蚀性相对较强的正极活性物质置于b²-Al2O3陶瓷管内,从而降低了对电池金属壳体材料的防腐苛求,并扩大了选材范围,同时也降低了电池制备成本;

  (5)电池有相对宽广的工作温度范围。从相图中可查,NaAlCl4的熔点是157oC,固态NaCl和NiCl2发生低共熔点的温度是570oC。从理论上讲Zebra电池的工作温度区域可以在157oC至570oC范围,因考虑到电池实际有效功率输出,一般认为在270oC至350oC温度范围对Zebra电池比较合适。

  通过这些学习,三位老师对未来学科相关研究的实验设备设计以及如何与学生实验课程设计有了新的思路与认识。

  通过本次探讨与学习,希望未来将哈德斯菲尔德大学的先进成果与教学方法应用到控制理论与控制工程的学科研究方向上,并提升本学科的理论水平。另外我们希望能与Nigel教授及其团队成员进行进一步合作,提升学校的国际影响力和学科的国际影响力。

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