新能源汽车概论2

第5章电动汽车的能量管理与回收系统5.1电动汽车能量管理系统5.1.1电池管理系统的功能5.1.2纯电动汽车能量管理系统5.1.3混合动力电动汽车能量管理系统5.2电动汽车再生制动能量回收系统5.2.1制动能量回收的方法和类型5.2.2电动汽车的制动能量回收系统

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页5.1电动汽车能量管理系统能量管理系统在电动汽车中非常重要，它由硬件系统和软件系统组成，如图所示。能量管理系统具有从电动汽车各子系统采集运行数据，控制完成电池的充电、显示蓄电池的荷电状态(SOC)、预测剩余行驶里程、监控电池的状态、调节车内温度、调节车灯亮度以及回收再生制动能量为蓄电池充电等功能。能量管理系统中最主要的是电池管理系统。

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页5.1.1电池管理系统的功能电池管理系统是集监测、控制与管理为一体的复杂的电气测控系统，也是电动汽车商品化、实用化的关键。电池管理的核心问题就是SOC的预估问题，电动汽车电池操作窗SOC的合理范围是30~70%，这对保证电池寿命和整体的能量效率至关重要。典型的电池管理系统应具备如下功能：（1）实时采集电池系统运行状态参数。实时采集电动汽车蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流以及电池组总电压等。由于电池组中的每块电池在使用中的性能和状态不一致，因而对每块电池的电压、电流和温度数据都要进行监测。（2）确定电池的SOC。准确估测动力电池组的SOC，从而随时预报电动汽车储能电池还剩余多少能量或储能电池的SOC，使电池的SOC值控制在30%~70%的工作范围。

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页5.1.1电池管理系统的功能（3）故障诊断与报警。当蓄电池电量或能量过低需要充电时，及时报警，以防止电池过放电而损害电池的使用寿命；当电池组的温度过高，非正常工作时，及时报警，以保证蓄电池正常工作。（4）电池组的热平衡管理。电池热管理系统是电池管理系统的有机组成部分，其功能是通过风扇等冷却系统和热电阻加热装置使电池温度处于正常工作温度范围内。（5）一致性补偿。当电池之间有差异时，有一定措施进行补偿，保证电池组表现能力更强，并有一定的手段来显示性能不良的电池位置，以便修理替换。一般采用充电补偿功能。设计有旁路分流电路，以保证每个单体都可以充满电，这样可以减缓电池老化的进度，延长电池的使用寿命。（6）通过总线实现各检测模块和中央处理单元的通讯。在电动汽车上实现电池管理的难点和关键在于如何根据采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，建立确定每块电池剩余能量的较精确的数学模型，即准确估计电动汽车蓄电池的SOC状态。

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页5.1.2纯电动汽车能量管理系统1.纯电动汽车能量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、车辆操纵状态、能源管理系统ECU、电池输出控制器、电机发电机系统控制等组成。

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页5.1.2纯电动汽车能量管理系统2.电池荷(充)电状态指示器电池荷(充)电状态指示器是能源管理系统的一个重要组成。电动汽车蓄电池中储存有多少电能，还能行驶多少里程，是电动汽车行驶中必须知道的重要参数。与燃油汽车的油量表类似的仪表就是电池荷(充)电状态指示器，它是能源管理系统的一个重要装置。因此，在电动汽车中装备满足这一需求的仪表即电池荷(充)电状态指示器。

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页5.1.2纯电动汽车能量管理系统电池管理系统是能源管理系统的一个子系统。蓄电池管理系统主要任务是保持电动汽车蓄电池性能良好，并优化各蓄电池的电性能和保存、显示测试数据等。目前，主要是根据实际情况，确定具体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。基本要实现对动力电池组的合理管理，即保证采集数据的准确性、可靠稳定的系统通信、抗干扰性。在具体实现过程中，根据设计要求确定需要采集动力电池组的数据类型；根据采集量以及精度要求确定前向通道的设计；根据通信数据量以及整车的要求选用合理的总线。

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页5.1.2纯电动汽车能量管理系统图是某电池管理系统的结构框图。

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页5.1.2纯电动汽车能量管理系统本硬件系统是在基于ATMEGA8L单片机进行设计的。（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个单体电池构成。本系统中一共有14个电池组组成电动汽车的动力电池。原理如图所示，每个电池为一个电池组。

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页5.1.2纯电动汽车能量管理系统（2）电流采样的实现。电流的采样是估计电池SOC的主要依据。这里采用电流传感器LT308(LEM)其测量电路如图所示。

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页5.1.2纯纯电动汽汽车能量量管理系系统（3）温温度采样样的实现现。温度度传感器器采用美美国DALLAS公司司继DS1820之后后推出的的增强型型单总线线数字温温度传感感器DS18B20。。温度采采集电路路如图所所示。第11页5.1.2纯纯电动汽汽车能量量管理系系统（4）抗抗干扰措措施的设设计。由由于电池池管理系系统用在在情况比比较复杂杂的电动动汽车上上，所以以干扰可可以沿各各种线路路侵入单单片机系系统。其其主要的的渠道有有三条：：即空间间干扰、、供电系系统干扰扰、过程程通道干干扰。干干扰对单单片机系系统的作作用可以以分为三三个部位位：第一一个部位位是输入入系统，，干扰叠叠加在信信号上，，使数据据采集误误差增大大，特别别在前向向通道的的传感器器接口是是小电压压信号输输入时，，此现象象会更加加严重；；第二个个部位是是输出系系统，使使各输出出信号混混乱，不不能正常常反映单单片机系系统的真真实输出出量，导导致一系系列严重重后果；；第三个个部位是是单片机机系统的的内核，，使总线线上的数数字信号号错乱，，程序运运行失常常，内部部程序指指针错乱乱，控制制状态失失灵，单单片机中中数据被被修改，，更严重重的会导导致死机机，使系系统完全全崩溃。。第12页5.1.2纯纯电动汽汽车能量量管理系系统（5）车车载CAN通讯讯设计实实现。在在电池管管理系统统中，CAN通通讯的实实现是由由外围设设置CAN的控控制器和和接收器器组成的的通讯模模块，它它的设计计如图所所示。第13页5.1.3混混合动力力电动汽汽车能量量管理系系统1.串联联式混合合动力电电动汽车车的能量量管理策策略由于串联联式混合合动力电电动汽车车的发动动机与汽汽车行驶驶工况没没有直接接联系，，因此能能量管理理策略的的主要目目标是使使发动机机在最佳佳效率区区和排放放区工作作。为了了优化能能量分配配整体效效率，还还应考虑虑传动系系统的动动力电池池、发动动机、电电动机和和发电机机等部件件。串联联式混合合动力电电动汽车车有3种种基本的的能量管管理策略略。(1)恒恒温器器策略。。当动力力电池SOC低低于设定定的低门门限值时时，启动动发动机机，在最最低油耗耗或排放放点按恒恒功率模模式输出出，一部部分功率率用于满满足车轮轮驱动功功率要求求，另一一部分功功率给动动力电池池充电。。而当动动力电池池组SOC上升升到所设设定的高高门限值值时，发发动机关关闭，由由电动机机驱动车车辆。其其优点是是发动机机效率高高、排放放低，缺缺点是动动力电池池充放电电频繁，，加上发发动机开开关时的的动态损损耗，使使得系统统总体的的损失功功率变大大，能量量转换效效率较低低。第14页5.1.3混混合动力力电动汽汽车能量量管理系系统(2)功功率跟跟踪式策策略。由由发动机机全程跟跟踪车辆辆功率需需求，只只有在动动力电池池的SOC大于于SOC设定上上限时，，且仅由由动力电电池提供供的功率率能满足足车辆需需求时，，发动机机才停机机或怠速速运行。。由于动动力电池池容量小小，动力力电池充充放电次次数减少少而使得得系统内内部损失失减少。。但是发发动机必必须在从从低到高高的较大大负荷区区内运行行，使得得发动机机效率和和排放不不如恒温温器策略略。(3)基基本规规则型策策略。该该策略综综合了恒恒温器策策略与功功率跟踪踪式策略略两者的的优点，，根据发发动机负负荷特性性图设定定了高效效率工作作区，根根据动力力电池的的充放电电特性设设定了动动力电池池高效率率的荷电电状态范范围。并并设定一一组控制制规则，，根据需需求功率率和SOC进行行控制，，以充分分利用发发动机和和动力电电池的高高效率区区，使其其达到整整体效率率最高。。第15页5.1.3混混合动力力电动汽汽车能量量管理系系统2.并联联式混合合动力电电动汽车车的能量量管理策策略并联式混混合动力力电动汽汽车的能能量管理理策略基基本属于于基于转转矩的控控制。目目前主要要有以下下4类：：(1)静静态逻逻辑门限限策略。。该策略略通过设设置车速速、动力力电池SOC上上下限、、发动机机工作转转矩等一一组门限限参数，，限定动动力系统统各部件件的工作作区域，，并根据据车辆实实时参数数及预先先设定的的规则调调整动力力系统各各部件的的工作状状态，以以提高车车辆整体体性能。。(2)瞬瞬时优优化能量量管理策策略。瞬瞬时优化化策略一一般是采采用“等等效燃油油消耗最最少”法法或“功功率损失失最小””法，二二者原理理类似。。其中““等效燃燃油消耗耗最少””法将电电机的等等效油耗耗与发动动机的实实际油耗耗之和定定义为名名义油耗耗，将电电机的能能量消耗耗转换为为等效的的发动机机油耗，，得到一一张类似似于发动动机万有有特性图图的电机机等效油油耗图。。第16页5.1.3混混合动力力电动汽汽车能量量管理系系统(3)全全局最最优能量量管理策策略。全全局最优优能量管管理策略略是应用用最优化化方法和和最优控控制理论论开发出出来的混混合动力力系统能能量分配配策略，，目前主主要有基基于多目目标数学学规划方方法的能能量管理理策略、、基于古古典变分分法的能能量管理理策略和和基于Bellman动态规规划理论论的能量量管理策策略三种种。(4)模模糊能能量管理理策略。。该策略略基于模模糊控制制方法来来决策混混合动力力系统的的工作模模式和功功率分配配，将““专家””的知识识以规则则的形式式输入模模糊控制制器中，，模糊控控制器将将车速、、电池SOC、、需求功功率/转转矩等输输入量模模糊化，，基于设设定的控控制规则则来完成成决策，，以实现现对混合合动力系系统的合合理控制制，从而而提高车车辆整体体性能。。基于模模糊逻辑辑策略可可以表达达难以精精确定量量表达的的规则；；可以方方便地实实现不同同影响因因素(功功率需求求、SOC等)的折中中；鲁棒棒性好。。但是模模糊控制制器的建建立主要要依靠经经验，无无法获得得全局最最优。第17页5.1.3混混合动力力电动汽汽车能量量管理系系统3.混联联式混合合动力电电动汽车车的能量量管理策策略混联式混混合动力力电动汽汽车由于于其特有有的传动动系统结结构，如如采用行行星齿轮轮传动，，除了采采用瞬时时优化能能量管理理策略、、全局优优化能量量管理策策略和模模糊能量量管理策策略(与与并联式式混合动动力汽车车能量管管理策略略原理类类似)以以外，还还有一些些特有的的能量管管理策略略：(1)发发动机机恒定工工作点策策略。由由于采用用了行星星齿轮机机构，发发动机转转速可以以独立于于车速变变化，这这样使发发动机工工作在最最优工作作点，提提供恒定定的转矩矩输出，，而剩余余的转矩矩则由电电动机提提供。这这样电动动机来负负责动态态部分，，避免了了发动机机动态调调节带来来的损失失，而且且与发动动机相比比，电动动机的控控制也更更为灵敏敏，易于于实现。。(2)发发动机机最优优工作作曲线线策略略。发发动机机工作作在万万有特特性图图中最最佳油油耗线线上，，只有有当发发电机机电流流需求求超出出电池池的接接受能能力或或者当当电动动机驱驱动电电流需需求超超出电电动机机或电电池的的允许许限制制时，，才调调整发发动机机的工工作点点。第18页5.1.3混混合动动力电电动汽汽车能能量管管理系系统1.串串联式式混合合动力力电动动汽车车的工工作模模式(1)纯纯电动动模式式。发发动机机关闭闭，车车辆仅仅由蓄蓄电池池组供供电、、驱动动。(2)纯纯发动动机模模式。。车辆辆牵引引功率率仅来来源发发动机机-发发电机机组，，而蓄蓄电池池组既既不供供电也也不从从驱动动系统统中吸吸收任任何功功率，，电设设备组组用作作从发发动机机到驱驱动轮轮的电电传动动系。。(3)混混合模模式。。牵引引功率率由发发动机机-发发电机机组和和蓄电电池组组共同同提供供。(4)发发动机机牵引引和蓄蓄电池池充电电模式式。发发动机机-发发电机机组供供给向向蓄电电池组组充电电和驱驱动车车辆所所需的的功率率。(5)再再生制制动模模式。。发动动机-发电电机组组关闭闭，牵牵引电电机产产生的的电功功率用用于向向蓄电电池组组充电电。(6)蓄蓄电池池组充充电模模式。。牵引引电动动机不不接受受功率率，发发动机机-发发电机机组向向蓄电电池组组充电电。(7)混混合式式蓄电电池充充电模模式。。发动动机-发电电机组组和运运行在在发电电机状状态下下的牵牵引电电动机机共同同向蓄蓄电池池组充充电。。第19页5.1.3混混合动动力电电动汽汽车能能量管管理系系统2.并并联式式混合合动力力电动动汽车车的工工作模模式并联式式混合合动力力电动动汽车车主要要蕴含含以下下工作作模式式：(1)纯纯电动动模式式。当当混合合动力力电动动汽车车处于于起步步、低低速等等轻载载工况况且动动力电电池的的电量量充足足时，，若以以发动动机作作为动动力源源，则则发动动机燃燃油效效率较较低，，并且且排放放性能能很差差。因因此，，关闭闭发动动机，，由动动力电电池提提供能能量并并以电电机驱驱动车车辆。。但当当动力力电池池的电电量较较低时时，为为保护护电池池，应应当切切换到到行车车充电电模式式。(2)纯纯发动动机模模式。。在车车辆高高速行行驶等等中等等负荷荷时，，车辆辆克服服路面面阻力力运行行所需需的动动力较较小，，一般般情况况下主主要由由发动动机提提供动动力。。此时时，发发动机机可工工作于于高效效区域域，燃燃油效效率较较高。。(3)混混合驱驱动模模式。。在加加速或或爬坡坡等大大负荷荷情况况下，，当车车辆行行驶所所需的的动力力超过过发动动机工工作范范围或或高效效区时时，由由电机机提供供辅助助动力力同发发动机机一同同驱动动车辆辆。若若此时时动力力电池池的剩剩余电电量较较低，，则转转换到到纯发发动机机模式式。第20页5.1.3混混合动动力电电动汽汽车能能量管管理系系统(4)行行车充充电模模式。。在车车辆正正常行行驶等等中低低负荷荷时，，若动动力电电池的的剩余余电量量较低低，发发动机机除了了要提提供驱驱动车车辆所所需的的动力力外，，还要要提供供额外外的功功率通通过电电机发发电以以转换换成电电能给给动力力电池池充电电。(5)再再生制制动模模式。。当混混合动动力电电动汽汽车减减速/制动动时，，发动动机不不工作作，电电机尽尽可能能多地地回收收再生生制动动能量量，剩剩余部部分由由机械械制动动器消消耗。。(6)怠怠速/停车车模式式。在在怠速速/停停车模模式中中，通通常关关闭发发动机机和电电动机机，但但当动动力电电池剩剩余电电量较较低时时，需需要开开启发发动机机和电电机，，控制制发动动机工工作于于高效效区并并拖动动电机机为动动力电电池充充电。。第21页5.2电电动汽汽车再再生制制动能能量回回收系系统再生制制动是是指电电动汽汽车在在减速速制动动(刹刹车或或者下下坡)时将将汽车车的部部分动动能转转化为为电能能，转转化的的电能能储存存在储储存装装置中中，如如各种种蓄电电池、、超级级电容容和超超高速速飞轮轮，最最终增增加电电动汽汽车的的续驶驶里程程。如如果储储能器器已经经被完完全充充满，，再生生制动动就不不能实实现，，所需需的制制动力力就只只能由由常规规的制制动系系统提提供。。图为为电动动汽车车的制制动系系统结结构。。第22页5.2.1制动动能量量回收收的方方法和和类型型制动能能量回回收的的基本本原理理是先先将汽汽车制制动或或减速速时的的一部部分机机械能能（动动能））经再再生系系统转转换（（或转转移））为其其它形形式的的能量量（旋旋转动动能、、液压压能、、化学学能等等），，并储储存在在储能能器中中，同同时产产生一一定的的负荷荷阻力力使汽汽车减减速制制动；；当汽汽车再再次启启动或或加速速时，，再生生系统统又将将储存存在储储能器器中的的能量量再转转换为为汽车车行驶驶所需需要的的动能能（驱驱动力力）。。1.制制动能能量回回收方方法根据储储能机机理不不同，，电动动汽车车制动动能量量回收收的方方法也也不同同，主主要有有3种种，即即飞轮轮储能能、液液压储储能和和电化化学储储能。。第23页5.2.1制动动能量量回收收的方方法和和类型型飞轮储储能是是利用用高速速旋转转的飞飞轮来来储存存和释释放能能量，，能量量转换换过程程如图图所示示。当当汽车车制动动或减减速时时，先先将汽汽车在在制动动或减减速过过程中中的动动能转转换成成飞轮轮高速速旋转转的动动能；；当汽汽车再再次启启动或或加速速时，，高速速旋转转的飞飞轮又又将存存储的的动能能通过过传动动装置置转化化为汽汽车行行驶的的驱动动力。。第24页5.2.1制动动能量量回收收的方方法和和类型型图是一一种飞飞轮储储能式式制动动能量量回收收系统统示意意图。。系统统主要要由发发动机机、高高速储储能飞飞轮、、增速速齿轮轮、离离合器器和驱驱动桥桥组成成。发发动机机用来来提供供驱动动汽车车的主主要动动力，，高速速储能能飞轮轮用来来回收收制动动能量量以及及作为为负荷荷平衡衡装置置，为为发动动机提提供辅辅助的的功率率以满满足峰峰值功功率的的要求求。第25页5.2.1制动动能量量回收收的方方法和和类型型液压储储能工工作过过程如如图所所示。。它是是先将将汽车车在制制动或或减速速过程程中的的动能能转换换成液液压能能，并并将液液压能能储存存在液液压蓄蓄能器器中；；当汽汽车再再次启启动或或加速速时，，储能能系统统又将将蓄能能器中中的液液压能能以机机械能能的形形式反反作用用于汽汽车，，以增增加汽汽车的的驱动动力。。第26页5.2.1制动动能量量回收收的方方法和和类型型图是液液压储储能式式制动动能量量回收收系统统示意意图。。系统统由发发动机机、液液压泵泵/马马达、、液压压蓄能能器、、变速速器、、驱动动桥、、离合合器和和液压压控制制系统统组成成。第27页5.2.1制动动能量量回收收的方方法和和类型型电化学学储能能工作作原理理如图图所示示。它它是先先将汽汽车在在制动动或减减速过过程中中的动动能，，通过过发电电机转转化为为电能能并以以化学学能的的形式式储存存在储储能器器中；；当汽汽车再再次启启动或或加速速时，，再将将储能能器中中的化化学能能通过过电动动机转转化为为汽车车行驶驶的动动能。。储能能器可可采用用蓄电电池或或超级级电容容，由由发电电机/电动动机实实现机机械能能和电电能之之间的的转换换。系系统还还包括括一个个控制制单元元，用用来控控制蓄蓄电池池或超超级电电容的的充放放电状状态，，并保保证蓄蓄电池池的剩剩余电电量在在规定定的范范围内内。第28页5.2.1制动动能量量回收收的方方法和和类型型图是一一种用用于前前轮驱驱动汽汽车的的电化化学储储能式式制动动能量量回收收示意意图。。当汽汽车以以恒定定速度度或加加速度度行驶驶时，，电磁磁离合合器脱脱开。。当汽汽车制制动时时，行行车制制动系系统开开始工工作，，汽车车减速速制动动，电电磁离离合器器接合合，从从而接接通驱驱动轴轴和变变速器器的输输出轴轴。这这样，，汽车车的动动能由由输出出轴、、离合合器、、驱动动轴、、驱动动轮和和从动动轮传传到发发动机机和飞飞轮上上。制制动时时的机机械能能由电电动机机转换换为电电能，，存入入蓄电电池。。第29页5.2.1制动动能量量回收收的方方法和和类型型2.制制动能能量回回收系系统的的类型型制动能能量回回收系系统的的类型型因储储能方方法不不同而而不同同，主主要有有电能能式、、动能能式和和液压压式。。电能式式主要要由发发电机机、电电动机机和蓄蓄电池池或超超级电电容组组成，，一般般在电电动汽汽车上上使用用；动动能式式主要要由飞飞轮、、无级级变速速器构构成，，一般般在公公交汽汽车上上使用用；液液压式式主要要由液液压泵泵/液液压马马达、、蓄能能器组组成，，一般般在工工程机机械或或大型型车辆辆上使使用。。第30页5.2.2电动动汽车车的制制动能能量回回收系系统在电动动汽车车上采采取制制动能能量回回收方方法，，有如如下作作用：：(1)在目目前电电动汽汽车的的储能能元件件没有有大的的突破破与发发展的的实际际情况况下，，制动动能量量回收收装置置可以以提高高电动动汽车车的能能量利利用率率，延延长电电动汽汽车的的行驶驶里程程；(2)电制制动与与传统统主动动相结结合，，可以以减轻轻传统统制动动器的的磨损损，增增长其其使用用周期期，达达到降降低成成本的的目的的；(3)可以以减少少汽车车制动动器在在制动动，尤尤其是是缓速速下长长坡以以及滑滑行过过程中中产