新能源汽车概论

第1页，5章电动车的能源管理和回收系统，5.1电动车能源管理系统5.1.1电池管理系统的功能5.1.2纯电动车能源管理系统5.1.3混合电动车能源管理系统5.2电动车再生制动能源回收系统5.2.1制动能源回收系统和5.2.2型电动车的制动能源回收系统，第2页，5.1电动车能源管理系统， 能源管理系统在电动车中非常重要，由硬件系统和软件系统组成，如图所示，能源管理系统从电动车的各个子系统收集操作数据，为电池充电，显示电池的充电状态(SOC)，预测电池剩余里程，监控电池的状态，调整室温，调整灯的亮度，回收再生制动能量，为电池充电等功能。 能源管理系统中最重要的是电池管理系统。第3页，5.1.1电池管理系统的功能、监控、控制和管理相结合的复杂电气测量和控制系统电池管理系统是电动汽车商业化、实用化的关键。电池管理的核心问题是SOC的预计问题，电动汽车电池操作窗口SOC的合理范围为30%到70%，这对于确保电池寿命和整体能效至关重要。典型的电池管理系统必须具有以下功能：(1)实时收集电池系统运行状态参数。实时收集电动汽车电池组中每个电池的结束电压和温度、充电和放电电流、电池组的总电压等。电池组中的每个电池使用的性能和状态不同，因此必须监控每个电池的电压、电流和温度数据。(2)确定电池的SOC。准确估计电源电池组的SOC，随时预测电动汽车储能电池中剩馀的能源或储能电池的SOC，确保电池的SOC值控制在30%到70%之间的运行范围。第4页，5.1.1电池管理系统的功能，(3)故障诊断和警报。为了防止电池过度放电损坏电池寿命，如果电池电量或能量太低，立即发出警报。电池组温度太高，不能正常工作时，及时发出警报，确认电池工作正常。(4)电池组的热平衡管理。电池温度管理系统是电池管理系统的核心部分，包括风扇等冷却系统和热阻加热装置，使电池温度在正常工作温度范围内的功能。(5)一致性补偿。如果电池之间存在差异，可以补偿电池组以获得更强的性能，并标记性能不良的电池位置以进行更换维修。通常使用充电补偿功能。设计了旁路分流电路，使每个单体都能充电，减缓电池老化进度，延长电池寿命。(6)每个检测模块和中央处理单元的通信通过总线进行。电动汽车电池管理的难点和关键在于如何根据收集到的每个电池的电压、温度和充电放电电流的历史数据准确估计电动汽车电池的SOC状态，这是一个更准确的数学模型，用于确定每个电池剩余能量。第5页，5.1.2纯电动汽车能源管理系统，1 .纯电动汽车能源管理系统的组成纯电动汽车能源管理系统主要由电池输入控制器、车辆运行状态参数、车辆操作状态、能源管理系统ECU、电池输出控制器、电动机发电机系统控制等组成。第6页，5.1.2纯电动汽车能源管理系统，2。电池负载(充电)电状态指示器电池负载(充电)电状态指示器是能源管理系统的重要组成部分。电动车电池里储存了多少电，还能开多少里程，是电动汽车运行中必须知道的重要参数。类似于燃油车辆油表的仪表是能源管理系统的重要设备，电池负载(充电)电气状态指示器。因此，电动汽车配备了电池负载(充电)电气状态指示器，这是满足这些要求的契机。第7页，5.1.2能源管理系统的子系统电池管理系统纯电动汽车能源管理系统。电池管理系统的主要任务是保持电动汽车电池的性能，优化每个电池的电气性能，存储和显示测试数据。目前主要是根据实际情况决定特定纯电动汽车的电池管理系统的功能和形式。电池管理系统包括硬件系统的设计和软件系统的设计。硬件的设计取决于管理系统实现的功能。必须基本实现电源电池组的合理管理，即数据收集的准确性、稳定可靠的系统通信、抗干扰能力。在特定实施过程中，根据设计要求确定需要收集电源电池组的数据类型。根据收集量和精度要求，确定前向通道的设计。根据通信数据量和车辆要求选择合理的总线。第8页，5.1.2纯电动汽车能源管理系统，图是电池管理系统的框图。第9页，基于5.1.2 ATMEGA8L微控制器的专用电动汽车能源管理系统。(1)电压采样的实现。电压采样是对电动汽车电池组的电压进行采样，每个电池组由10个单电池组成。该系统共有14个电池组构成了电动汽车的电源电池。原理如图所示，每个电池都是电池组。10页，5.1.2纯电动汽车能量管理系统，(2)电流采样实施。电流采样是估计电池SOC的主要基础。以下是电流传感器LT308(LEM)的测量电路。11页，5.1.2纯电动汽车能源管理系统，(3)温度采样实施。温度传感器使用DS1820和美国DALLAS公司发布的增强型单总线数字温度传感器DS18B20。温度采集电路如图所示。12页，5.1.2纯电动汽车能源管理系统，(4)抗干扰措施设计。电池管理系统用于复杂的电动汽车，因此干扰可以沿着各种线侵入单片机系统。主要通道有三种：空间干扰、电源系统干扰和流程通道干扰。干扰对单片机系统的作用可分为三部分。第一部分是输入系统，干扰可以嵌套在信号中，使数据收集错误增大。尤其是当前通道的传感器接口是低电压信号输入时，这一现象更加严重。第二部分将每个输出信号与输出系统混淆，造成一系列严重后果，不能正确反映单片机系统的实际输出量；第三部分是单片机系统的内核，使总线上的数字信号混乱，程序运行错误，内部程序指针混乱，控制状态失败，单片机上的数据被修改，更严重的是，系统可能会因停机而完全崩溃。13页，5.1.2纯电动汽车能源管理系统，(5)车辆可以进行通信设计和实施。在电池管理系统中，CAN通信是由具有环境设置CAN的控制器和接收器组成的通信模块，如图所示。第14页，5.1.3混合动力电动汽车能源管理系统，1。系列混合动力电动汽车的能源管理策略是系列混合动力电动汽车的引擎和汽车运行条件没有直接连接，因此能源管理策略的主要目标是使引擎在最佳效率区域和排放区域运行。为了优化整个能源分配的效率，还必须考虑驱动系统的动力电池、发动机、马达和发电机等部件。系列混合动力电动汽车有三种基本能源管理战略。(1)恒温器策略。当电源电池SOC低于设定的低门限制时，启动引擎，在最小燃料消耗或弹出点以一定功率模式输出，部分功率满足车轮驱动功率要求，另一部分用于为电源电池充电。电源电池组SOC上升到设定的高浇口限制时，引擎关闭，马达驱动车辆。发动机效率高，排放少，电源电池充电和放电频繁，发动机开关时发生动态损耗，造成系统整体损失功率大，能源转换效率低的缺点。第15页，5.1.3混合动力汽车能源管理系统，(2)电力跟踪策略。引擎仅在SOC大于SOC设置上限且电源电池仅提供满足车辆要求的电源时停止运行或闲置运行，从而跟踪整个引擎的车辆功率要求。由于电源电池容量小，电源电池充电和放电次数减少，系统内部损失减少。但是，只有从低负荷到高负荷运转，引擎效率和排放才能像温控器战略一样下降。(3)基本基于规则的策略。该策略结合了温控器策略和功率跟踪策略的优点，根据发动机负载特性图建立了高效工作区，根据电源电池的充放电特性建立了电源电池效率的充电状态范围。充分利用引擎和电源电池的高效区域，建立根据要求的电源和SOC控制的一组控制规则。第16页，5.1.3混合动力电动汽车能源管理系统，2 .并行混合动力汽车的能源管理策略并行混合动力汽车的能源管理策略基本上属于基于转矩的控制。目前主要有四个类别：(1)静态逻辑阈值策略。此策略通过设置一组阈值参数(例如速度、动力电池SOC上限和下限、发动机工作扭矩等)，限制电源系统中每个部件的工作区域，根据车辆的实时参数和预设规则调整动力系统中每个部件的工作状态，提高整体车辆性能。(2)瞬时优化能源管理策略。瞬时优化策略通常使用类似的原理：“等效燃料消耗最小值”或“功率损失最小值”方法。其中，“等效燃料消耗最小值”方法将电动机的等效燃料消耗与发动机的实际燃料消耗之和转换为名义燃料消耗，将电动机的能源消耗转换为等效发动机燃料消耗，得到与发动机的海湾特性图类似的电动机等效燃料消耗图。第17页，5.1.3混合动力汽车能源管理系统，(3)全球最优能源管理战略。全球最优能源管理战略是应用优化方法和最优控制理论开发的混合系统能源分配战略，目前是基于多目标数学编程方法的能源管理战略、基于经典变异方法的能源管理战略、基于贝尔曼动态编程理论的能源管理战略三大战略。(4)模糊能源管理策略。该策略基于模糊控制方法确定混合系统的运行模式和功率分配，以规则形式在模糊控制器中输入“专家”的知识，模糊控制器模糊速度、电池SOC、需求功率/力矩等输入量，通过基于设置控制规则完成决策，实现混合系统的合理控制，提高了车辆的整体性能。基于模糊逻辑策略，可以表达出准确的定量表达困难的规则。轻松权衡电源要求、SOC等各种影响因素。坚固性好。但是，模糊控制器的建立主要依靠经验，不能获得全局优化。第18页，5.1.3混合动力电动汽车能源管理系统，3 .混合动力汽车的能源管理战略混合动力汽车除了具有独特的驱动系统结构(例如使用行星齿轮传动)、瞬时优化能源管理战略、全局优化能源管理战略和模糊能源管理战略(类似于并行混合动力汽车能源管理战略)外，还具有一些独特的能源管理战略。(1)发动机固定工作点策略。使用行星齿轮机构，引擎速度可以不同(与速度无关)，因此引擎在最佳工作点运行，提供恒定转矩输出，其馀转矩由电动机提供。这台马达负责动态部分，防止发动机动态调整造成的损失，比马达敏感得多，易于实施。(2)发动机最佳工作曲线策略。引擎在万特性图的最佳油耗线上运行，仅在发电机电流需求超过电池接受能力，或电机驱动电流需求超过电动机或电池的容限时，才调整发动机工作点。，第19页，5.1.3混合动力电动汽车能源管理系统，1 .串联混合动力电动汽车的工作模式(1)纯电动模式。引擎关闭，车辆只用电池组供电和驱动。(2)纯引擎模式。车辆牵引功率专用于发动机-发电机组，电池组不从驱动系统供电或吸收电力，电气装置集用作从引擎到驱动轮的传动装置。(3)混合模式。牵引力由发动机-发电机组和电池组提供。(4)发动机牵引和电池充电模式。发动机-发电机组用电池组充电和驱动车辆所需的电力。(5)再生制动模式。发动机-发电机关闭，牵引马达产生的电力用于用电池组充电。(6)电池组充电模式。牵引电机不接受动力，发动机-发电机用电池组充电。(7)混合电池充电模式。发动机-在发电机组和发电机状态下工作的牵引电动机一起为电池组充电。第20页，5.1.3混合动力电动汽车能源管理系统，2 .并联混合动力汽车的工作模式并联混合动力汽车主要包括以下工作模式：(1)纯电模式。如果混合动力汽车在启动、低速和其他轻负载下，并且电源电池充足，则使用发动机作为动力源，引擎燃料效率低，排放性能低。所以关闭引擎，用动力电池提供能量，用马达移动车辆。但是，电源电量低时，为了保护电池，应切换到行车充电模式。(2)纯引擎模式。车辆通过高速行驶等中间负荷时，克服路面阻力操作所需的动力少，一般从发动机获得动力。此时，引擎在高效区域工作，燃油效率高。(3)混合驱动器模式。在加速度或攀登等大负荷下，当车辆运行所需的动力超过发动机运行范围或效率时，由发动机辅助动力与发动机一起驱动车辆。此时，如果电源电池的剩余电量低，请切换到纯引擎模式。第21页，5.1.3混合动力电动汽车能源管理系统，(4)驾驶充电模式。车辆正常行驶等中部下低状态下电力电池的剩余电量低的情况下，引擎除了驱动车辆所需的动力外，还通过电动机生产电力，为电力电池充电所需的额外电力。(5)再生制动模式。混合动力电动汽车减速/制动后，引擎无法工作，马达尽可能多地回收再生制动能量，剩下的被机器刹车消耗掉。(6)闲置/停车模式。在空闲/停车模式下，通常关闭引擎和马达，但在电源电池的剩余电量低时，必须打开引擎和马达，控制引擎在高效区域工作，拖动马达为电源电池充电。第22页，5.2页，电动汽车再生制动能量回收系统，再生制动是指电动汽车减速制动(制动或下坡)时，将汽车动能的一部分转换为电能，将转换后的电能存储在存储装置(如各种蓄电池、超级电容、超高速飞轮)上，最终增加电动汽车的行驶距离。如果能源储存装置已经完全装满，则不会进行再生制动，所需的制动力只由现有的制动力系统供给。电动汽车的制动系统结构。第23页，5.2.1页制动能量回收方法和类型，制动能量回收的基本原理是，先通过再生系统将汽车制动或减速时的部分机械能(动能)转换(或转移)为其他形式的能量(旋转动能、液压能量、化学能等)，储存在能量储存装置中，产生一定的负载阻力，使汽车减速制动汽车重新启动或加速后，再生系统将存储在能量存储设备中的能量转换回汽车驾驶所需的动能(驱动力)。1.制动能量回收方法因储能机制的不同，电动汽车的制动能量回收方法不同，主要有飞轮储能、液压储能和电化学储能三种。，第24页，5.2.1制动能量回收方法和类型，飞轮能量存储使用高速旋转飞轮存储和释放能量，如图所示。汽车制动或减速时，首先在制动或减速过程中将汽车的动能转换为飞轮高速旋转的动能。当汽车重新启动或加速时，高速旋转的飞轮将存储的动能转换成汽车通过