版新能源汽车概论

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页第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。第11页5.1.2纯电动汽汽车能量量管理系系统（3）温度采采样的实实现。温温度传感感器采用用美国DALLAS公司继DS1820之后推出出的增强强型单总总线数字字温度传传感器DS18B20。温度采采集电路路如图所所示。第12页5.1.2纯电动汽汽车能量量管理系系统（4）抗干扰扰措施的的设计。。由于电电池管理理系统用用在情况况比较复复杂的电电动汽车车上，所所以干扰扰可以沿沿各种线线路侵入入单片机机系统。。其主要要的渠道道有三条条：即空空间干扰扰、供电电系统干干扰、过过程通道道干扰。。干扰对对单片机机系统的的作用可可以分为为三个部部位：第第一个部部位是输输入系统统，干扰扰叠加在在信号上上，使数数据采集集误差增增大，特特别在前前向通道道的传感感器接口口是小电电压信号号输入时时，此现现象会更更加严重重；第二二个部位位是输出出系统，，使各输输出信号号混乱，，不能正正常反映映单片机机系统的的真实输输出量，，导致一一系列严严重后果果；第三三个部位位是单片片机系统统的内核核，使总总线上的的数字信信号错乱乱，程序序运行失失常，内内部程序序指针错错乱，控控制状态态失灵，，单片机机中数据据被修改改，更严严重的会会导致死死机，使使系统完完全崩溃溃。第13页5.1.2纯电动汽汽车能量量管理系系统（5）车载CAN通讯设计计实现。。在电池池管理系系统中，，CAN通讯的实实现是由由外围设设置CAN的控制器器和接收收器组成成的通讯讯模块，，它的设设计如图图所示。。第14页5.1.3混合动力力电动汽汽车能量量管理系系统1.串联式混混合动力力电动汽汽车的能能量管理理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种基本的的能量管管理策略略。(1)恒温器策策略。当当动力电电池SOC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上升到所所设定的的高门限限值时，，发动机机关闭，，由电动动机驱动动车辆。。其优点点是发动动机效率率高、排排放低，，缺点是是动力电电池充放放电频繁繁，加上上发动机机开关时时的动态态损耗，，使得系系统总体体的损失失功率变变大，能能量转换换效率较较低。第15页5.1.3混合动动力电电动汽汽车能能量管管理系系统(2)功率跟跟踪式式策略略。由由发动动机全全程跟跟踪车车辆功功率需需求，，只有有在动动力电电池的的SOC大于SOC设定上上限时时，且且仅由由动力力电池池提供供的功功率能能满足足车辆辆需求求时，，发动动机才才停机机或怠怠速运运行。。由于于动力力电池池容量量小，，动力力电池池充放放电次次数减减少而而使得得系统统内部部损失失减少少。但但是发发动机机必须须在从从低到到高的的较大大负荷荷区内内运行行，使使得发发动机机效率率和排排放不不如恒恒温器器策略略。(3)基本规规则型型策略略。该该策略略综合合了恒恒温器器策略略与功功率跟跟踪式式策略略两者者的优优点，，根据据发动动机负负荷特特性图图设定定了高高效率率工作作区，，根据据动力力电池池的充充放电电特性性设定定了动动力电电池高高效率率的荷荷电状状态范范围。。并设设定一一组控控制规规则，，根据据需求求功率率和SOC进行控控制，，以充充分利利用发发动机机和动动力电电池的的高效效率区区，使使其达达到整整体效效率最最高。。第16页5.1.3混合动动力电电动汽汽车能能量管管理系系统2.并联式式混合合动力力电动动汽车车的能能量管管理策策略并联式式混合合动力力电动动汽车车的能能量管管理策策略基基本属属于基基于转转矩的的控制制。目目前主主要有有以下下4类：(1)静态逻逻辑门门限策策略。。该策策略通通过设设置车车速、、动力力电池池SOC上下限限、发发动机机工作作转矩矩等一一组门门限参参数，，限定定动力力系统统各部部件的的工作作区域域，并并根据据车辆辆实时时参数数及预预先设设定的的规则则调整整动力力系统统各部部件的的工作作状态态，以以提高高车辆辆整体体性能能。(2)瞬时优优化能能量管管理策策略。。瞬时时优化化策略略一般般是采采用““等效效燃油油消耗耗最少少”法法或““功率率损失失最小小”法法，二二者原原理类类似。。其中中“等等效燃燃油消消耗最最少””法将将电机机的等等效油油耗与与发动动机的的实际际油耗耗之和和定义义为名名义油油耗，，将电电机的的能量量消耗耗转换换为等等效的的发动动机油油耗，，得到到一张张类似似于发发动机机万有有特性性图的的电机机等效效油耗耗图。。第17页5.1.3混合动动力电电动汽汽车能能量管管理系系统(3)全局最最优能能量管管理策策略。。全局局最优优能量量管理理策略略是应应用最最优化化方法法和最最优控控制理理论开开发出出来的的混合合动力力系统统能量量分配配策略略，目目前主主要有有基于于多目目标数数学规规划方方法的的能量量管理理策略略、基基于古古典变变分法法的能能量管管理策策略和和基于于Bellman动态规规划理理论的的能量量管理理策略略三种种。(4)模糊能能量管管理策策略。。该策策略基基于模模糊控控制方方法来来决策策混合合动力力系统统的工工作模模式和和功率率分配配，将将“专专家””的知知识以以规则则的形形式输输入模模糊控控制器器中，，模糊糊控制制器将将车速速、电电池SOC、需求求功率率/转矩等等输入入量模模糊化化，基基于设设定的的控制制规则则来完完成决决策，，以实实现对对混合合动力力系统统的合合理控控制，，从而而提高高车辆辆整体体性能能。基基于模模糊逻逻辑策策略可可以表表达难难以精精确定定量表表达的的规则则；可可以方方便地地实现现不同同影响响因素素(功率需需求、、SOC等)的折中中；鲁鲁棒性性好。。但是是模糊糊控制制器的的建立立主要要依靠靠经验验，无无法获获得全全局最最优。。第18页5.1.3混合动动力电电动汽汽车能能量管管理系系统3.混联式式混合合动力力电动动汽车车的能能量管管理策策略混联式式混合合动力力电动动汽车车由于于其特特有的的传动动系统统结构构，如如采用用行星星齿轮轮传动动，除除了采采用瞬瞬时优优化能能量管管理策策略、、全局局优化化能量量管理理策略略和模模糊能能量管管理策策略(与并联联式混混合动动力汽汽车能能量管管理策策略原原理类类似)以外，，还有有一些些特有有的能能量管管理策策略：：(1)发动机机恒定定工作作点策策略。。由于于采用用了行行星齿齿轮机机构，，发动动机转转速可可以独独立于于车速速变化化，这这样使使发动动机工工作在在最优优工作作点，，提供供恒定定的转转矩输输出，，而剩剩余的的转矩矩则由由电动动机提提供。。这样样电动动机来来负责责动态态部分分，避避免了了发动动机动动态调调节带带来的的损失失，而而且与与发动动机相相比，，电动动机的的控制制也更更为灵灵敏，，易于于实现现。(2)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19页5.1.3混合动动力电电动汽汽车能能量管管理系系统1.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)混合模模式。。牵引引功率率由发发动机机-发电机机组和和蓄电电池组组共同同提供供。(4)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)再生制制动模模式。。发动动机-发电机机组关关闭，，牵引引电机机产生生的电电功率率用于于向蓄蓄电池池组充充电。。(6)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-发电机机组向向蓄电电池组组充电电。(7)混合式式蓄电电池充充电模模式。。发动动机-发电机组和和运行在发发电机状态态下的牵引引电动机共共同向蓄电电池组充电电。第20页5.1.3混合动力电电动汽车能能量管理系系统2.并联式混合合动力电动动汽车的工工作模式并联式混合合动力电动动汽车主要要蕴含以下下工作模式式：(1)纯电动模式式。当混合合动力电动动汽车处于于起步、低低速等轻载载工况且动动力电池的的电量充足足时，若以以发动机作作为动力源源，则发动动机燃油效效率较低，，并且排放放性能很差差。因此，，关闭发动动机，由动动力电池提提供能量并并以电机驱驱动车辆。。但当动力力电池的电电量较低时时，为保护护电池，应应当切换到到行车充电电模式。(2)纯发动机模模式。在车车辆高速行行驶等中等等负荷时，，车辆克服服路面阻力力运行所需需的动力较较小，一般般情况下主主要由发动动机提供动动力。此时时，发动机机可工作于于高效区域域，燃油效效率较高。。(3)混合驱动模模式。在加加速或爬坡坡等大负荷荷情况下，，当车辆行行驶所需的的动力超过过发动机工工作范围或或高效区时时，由电机机提供辅助助动力同发发动机一同同驱动车辆辆。若此时时动力电池池的剩余电电量较低，，则转换到到纯发动机机模式。第21页5.1.3混合动力电电动汽车能能量管理系系统(4)行车充电模模式。在车车辆正常行行驶等中低低负荷时，，若动力电电池的剩余余电量较低低，发动机机除了要提提供驱动车车辆所需的的动力外，，还要提供供额外的功功率通过电电机发电以以转换成电电能给动力力电池充电电。(5)再生制动模模式。当混混合动力电电动汽车减减速/制动时，发发动机不工工作，电机机尽可能多多地回收再再生制动能能量，剩余余部分由机机械制动器器消耗。(6)怠速/停车模式。。在怠速/停车模式中中，通常关关闭发动机机和电动机机，但当动动力电池剩剩余电量较较低时，需需要开启发发动机和电电机，控制制发动机工工作于高效效区并拖动动电机为动动力电池充充电。第22页5.2电动汽车再生生制动能量回回收系统再生制动是指指电动汽车在在减速制动(刹车或者下坡坡)时将汽车的部部分动能转化化为电能，转转化的电能储储存在储存装装置中，如各各种蓄电池、、超级电容和和超高速飞轮轮，最终增加加电动汽车的的续驶里程。。如果储能器器已经被完全全充满，再生生制动就不能能实现，所需需的制动力就就只能由常规规的制动系统统提供。图为为电动汽车的的制动系统结结构。第23页5.2.1制动能量回收收的方法和类类型制动能量回收收的基本原理理是先将汽车车制动或减速速时的一部分分机械能（动动能）经再生生系统转换（（或转移）为为其它形式的的能量（旋转转动能、液压压能、化学能能等），并储储存在储能器器中，同时产产生一定的负负荷阻力使汽汽车减速制动动；当汽车再再次启动或加加速时，再生生系统又将储储存在储能器器中的能量再再转换为汽车车行驶所需要要的动能（驱驱动力）。1.制动能量回收收方法根据储能机理理不同，电动动汽车制动能能量回收的方方法也不同，，主要有3种，即飞轮储储能、液压储储能和电化学学储能。第24页5.2.1制动能量回收收的方法和类类型飞轮储能是利利用高速旋转转的飞轮来储储存和释放能能量，能量转转换过程如图图所示。当汽汽车制动或减减速时，先将将汽车在制动动或减速过程程中的动能转转换成飞轮高高速旋转的动动能；当汽车车再次启动或或加速时，高高速旋转的飞飞轮又将存储储的动能通过过传动装置转转化为汽车行行驶的驱动力力。第25页5.2.1制动能量回收收的方法和类类型图是一种飞轮轮储能式制动动能量回收系系统示意图。。系统主要由由发动机、高高速储能飞轮轮、增速齿轮轮、离合器和和驱动桥组成成。发动机用用来提供驱动动汽车的主要要动力，高速速储能飞轮用用来回收制动动能量以及作作为负荷平衡衡装置，为发发动机提供辅辅助的功率以以满足峰值功功率的要求。。第26页5.2.1制动能量回收收的方法和类类型液压储能工作作过程如图所所示。它是先先将汽车在制制动或减速过过程中的动能能转换成液压压能，并将液液压能储存在在液压蓄能器器中；当汽车车再次启动或或加速时，储储能系统又将将蓄能器中的的液压能以机机械能的形式式反作用于汽汽车，以增加加汽车的驱动动力。第27页5.2.1制动能量回收收的方法和类类型图是液压储能能式制动能量量回收系统示示意图。系统统由发动机、、液压泵/马达、液压蓄蓄能器、变速速器、驱动桥桥、离合器和和液压控制系系统组成。第28页5.2.1制动能量回收收的方法和类类型电化学储能工工作原理如图图所示。它是是先将汽车在在制动或减速速过程中的动动能，通过发发电机转化为为电能并以化化学能的形式式储存在储能能器中；当汽汽车再次启动动或加速时，，再将储能器器中的化学能能通过电动机机转化为汽车车行驶的动能能。储能器可可采用蓄电池池或超级电容容，由发电机机/电动机实现机机械能和电能能之间的转换换。系统还包包括一个控制制单元，用来来控制蓄电池池或超级电容容的充放电状状态，并保证证蓄电池的剩剩余电量在规规定的范围内内。第29页5.2.1制动能量回收收的方法和类类型图是一种用于于前轮驱动汽汽车的电化学学储能式制动动能量回收示示意图。当汽汽车以恒定速速度或加速度度行驶时，电电磁离合器脱脱开。当汽车车制动时，行行车制动系统统开始工作，，汽车减速制制动，电磁离离合器接合，，从而接通驱驱动轴和变速速器的输出轴轴。这样，汽汽车的动能由由输出轴、离离合器、驱动动轴、驱动轮轮和从动轮传传到发动机和和飞轮上。制制动时的机械械能由电动机机转换为电能能，存入蓄电电池。第30页5.2.1制动能量回收收的方法和类类型2.制动能量回收收系统的类型型制动能量回收收系统的类型型因储能方法法不同而不同同，主要有电电能式、动能能式和液压式式。电能式主要由由发电机、电电动机和蓄电电池或超级电电容组成，一一般在电动汽汽车上使用；；动能式主要要由飞轮、无无级变速器构构成，一般在在公交汽车上上使用；液压压式主要由液液压泵/液压马达、蓄蓄能器组成，，一般在工程程机械或大型型车辆上使用用。第31页5.2.2电动汽车的制制动能量回收收系统在电动汽车上上采取制动能能量回收方法法，有如下作作用：(1)在目前电动汽汽车的储能元元件没有大的的突破与发展展的实际情况况下，制动能能量回收装置置可以提高电电动汽车的能能量利用率，，延长电动汽汽车的行驶里里程；(2)