电动车 -新能源汽车能量管理系统

般仅新能源汽车配备、传统燃油车无需该装置。不同种类的电动汽车其能源转换系统构成不同，因而其能源管理的软、硬件系统装置构成就不同。以混合动力汽车为例，新能源汽车管理系统可分为三级模块体系，如图1所示。般仅新能源汽车配备、传统燃油车无需该装置。图1混合动力汽车三级模块构成示意图整车控制决策的核心电子控制单元（VCU）：图2所示为整车控制单元的结构组成，共包括外壳、硬件电路、底层软件和应用层软件，硬件电路、底层软件和应用层软件是VCU的关键核心技术。一VCU通过采集油门踏板、挡位、刹车踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图；通过检测车辆状态（车速、温度等）信息，由VCU判断处理后，向动力系统、动力电池系统发送车辆的运行状态控制指令，同时控制车载附件电力系统的工作模式；VCU具有整车系统故障诊断保护与存储功能。的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。同时具有电新能源汽车核心功率电子单元MCU：的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。同时具有电功率电子单元、控制电路、底层软件和控制算法软件组成，具体结构如图3所示。MCU是新能源汽车特有的核心功率电子单元，通过接受VCU的车辆行驶控制指令，控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶。实现把动力电池的直流电能转换为所需机系统故障诊断保护和存储功能。电池包：电池包如图4所示，包括电芯、模块、热管理系统、箱体和BMS。其中BMS能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。电池包是新能源汽车核心能量源，为整车提供驱动电能，它主要通过金属材质的壳体包络构成电池内主体。模块化的结构设计实现了电芯的集成，通过热管理设计与仿真优化电池包热管理性能，电器部件及线束实现了控制系统对电池的安全保护及连接路径；通过BMS实现对电芯的管理，以及与整车电动汽车的电力驱动系统混合动力汽车的电力驱动系统构成如图5所示， 内燃机 内燃机 图5混合动力汽车电力驱动系统构成电力电子器件的基本概念电能变换和控制过程中使用的电子元件被称为电力电子器件，其主要特点是处理电功率的能力远大于处理信息的电子器件。由于电力电子器件处理的电功率大，为了减小本身的损耗、提高按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的度分为不控制件（电力二极管）、半控制器件（晶闸管）全控制器件（门极可关断晶体管、绝缘栅双极晶体管、电力场效应晶体管）三类。直流变换器DC/DC的功用汽车附属设备提供电力和向辅助电源充电，其作用发电机相似。传统汽车依靠发动机带动交流发电机提此电动车无法使用交流发电机提供电源，必须依靠有升压变换器与降压变换器之分，根据电压调制方将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比以改变输电路电阻；开关管K断开时，输出电压等于0，开关管K导通时，输输出电压的高低与开关K的工作周期大小、以及每个通时，就会有电流流过电感L，使能量储存在电感上，管VD构成回路，使电输出压U0会大于输入电压Ud。输出电压的高低与开关K的工作周期大小、以及4）升降压型双向DC/DC变换器：图14所以为丰田汽车公THSⅡ混合动力系统使用的升降压变换器原理示意图，限双向断路器，两端分别与动力电池和其它设备连接5）DC/DC变换器的实际电路组成举例：DC/DC变换器由功率回路和控制回路组成，实际DC/DC电路构成的事宜如图17所示，功率变换电路以控制电路的驱动信号为基础，打开、关闭晶闸管的输入直流电，并将其变换为交流电压供给变压器。在变压器中变压后的交流电压经整流二极管整流，整流后的断续直流电压经平滑电流平滑后对辅助电池充电。控制回路除了完成以上功能外，还具有输出限流、输入过压保护、过热保护和报警等功能。DC/DC变换器1.DC1.DC/AC变换器的功用通常使用的普通电源是由22v交流电整流而成的直流电，而DC/AC功率变换器的作用与此相反，因此又被成为逆变器。他是一种将直流电转变为交流电的电力电子元件，其英文名称为powerinverter或inverter。电动汽车上使用的主要是将HV的直流电转变为电动机/发电机用交流电的DC/AC。近年来出现车载的AC电源也是一种逆变器，其特点能够将直流电（12或24V）转换为交流电（220V）供一般电器使用，是一种方便的电源转换器。电动车的DC/AC功用是将蓄电池的直流电变换为交流电，提供给驱动电机和单相交流用电器使用。2.DC/AC的基本原理（1）半桥逆变电路：半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二级管组成。如图18所示。（2）全桥逆变电路：全桥逆变电路如图19所示，是单向逆变电路中应用最多的。电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，工4个桥臂，桥臂1和4为一对，桥臂2电荷3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180°；VD1、V1、VD2、V2相互导通的区间，分别对应VD1和DV4、V1和V4、VD2和VD3、V2和V3相继导通的区间。（3）三相电压型逆变器：三个单个逆变电路可组成一个三相逆变电路。如图20为采用IGBT作为开关器件的电压三相桥式逆变电路，它可以看成有三个半桥逆变电路组合而成。电压型三相桥式逆变电路也是180°导电方式，每桥臂导电角度180°,同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°,在任一瞬间将有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下臂之间AC/DC电源变换装置1）AC/DC功率变换器的功用与种类器或电能储能设备储存。按照电路中变流器件开关频率有半导体变流电路可分低频（相控式）和高频（PWM斩控式）两大类。按照组成的部件可分为不可控、半可控2）三相桥式全控整流器的组成与工作原理三相桥式是应用最广泛的整流电路，全控式整流电路原理图如图23所以。三相交流电u、v、w分别连接到晶闸管连线的a、b、c中，三相电压晶闸管后进入负载，由于晶闸管的导通时间与顺序得到控制，因而可以得到接近不变的直流电压。晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图23所示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。编号如表2.11所示，晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-T5-VT6。3.AC/DC功率变换器电路的主要组成AC/DC功率变换模块电路的一般原理如图25所示，图中Uref为参考电压，U0为AC/DC的输出电压；PWM为脉冲宽度调制式开关变换器。图26所示为AC/DC功率模块电路中整流部分的结构示意图。此电路图可以跟前面介绍的逆变器电路（图20）比较，会发现有很多相似之处。其实这个电路是逆变电路的逆向工作模式，被称为脉宽式（PWM）整流电路。能够采集数据、进行数据分析并发送驱动指令的装置被称为控制器。系统包括执行设备电动机、功率装置电子换向器、电馈装置和控制器。对于新能源汽车控制器不仅对单一控制，还要根据汽车其它系统实时信息或参数，不断修改控制策调整指令，以获得最优的驱动效果。由如图27所以混合器按照运行程序，根基输入的信号进行快速运算、分器按照运行程序，根基输入的信号进行快速运算、分法器、比较元件、逻辑单元控制元件、数据存器，对电动执行元件的运转状况进行监测，对电动机量和电参量的变化及时反馈到中央处理器，中央处理对比运算后，对输出指令进行调整和修改，是被控对驱动电机控制类型驱动电机控制类型频器整流电路中对输出电压（电流）的幅值进行控制，以及在变频器逆变电路中对输出的频率进行控制的方式。PAM控制时在逆变器换流器件的开关频率为变频器的输出频率，是一种同步调速方式。PAM控制载波频率比较低，在用PAM控制进行调速驱动时，电动机的运转效率高，噪声较低。器的逆变电路中，同时输出电压（电流）的幅值和3）高载频PWM控制：高载频PWM称为高载脉冲宽度调制，是PWM的改进控制方式。在高载频PWM控制方式中，将载频的频率提高到人耳可以分辨的频率（10-20KHz），从而降低电动机运转噪声。高载频PWM控制时的频率不等于逆变器电路换流器的开关频率，是属于异步调速方式，高载频PWM控制器适电机驱动控制器将直流电转换为频率和幅值都可以调节的交流电，在通过控制法、转差频率控制法和矢量控制法等。矢量控制具矢量控制法的原理框图如图30所示。进入系统的是稳定的三相正弦转矩控制的电路控制原理图。直接转矩控制是在定动机的数学模型，控制电动机磁链和转矩。不需要比较、等效、转化；所以不需要接耦而简化交了坐标变换。其控制方式是，通过转矩两点式调图31永磁同步电机转矩控制原理图四、新能源汽车电源管理系统动力蓄电池管理任务：①对动力电池的电压、电流、温度进行时刻检测；②进行漏电检测、热管理、电池均衡管理；③报警提醒、计算剩余容量和放电功率等任务、提交电池荷电状态；④根据动力电池电压、电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程；⑤算法控制充电机进行最佳电流的充电；⑥通过CAN总线接口与车载控制器、电动机控制器、能量控制系统、车载显常见动力电池管理系统如图33（a）所示，主要功能包括：数据采集、数据通信、数据显示、状态估计、热管理、安全管理、能量管理和故障诊断等。其中前6项为动力电池管理系统的基本功动力电池管理系统的组成与工作模式动力电池管理系统一般包括动力电池组、动力电池管理控制单元MCU、动力电池单体电压和温度信号采集模块、总电流和总电压信号采集、整车通讯模块、高压电安全系统及电流均衡模块、热管理系统和检测单元等组成。如图34所以为两种典型动力电池下电模式：下电模式是整个系统的低压与高压处于不工式。在下电模式下，动力电池管理系统控制的于断开状态；低压控制电源处于不供电状态。下准备模式：在准备模式下，系统所有接触器处于未吸合状态。充电插头开关的硬件信号或受CAN报文控制的低压信号来驱动各高压接触器，从而使动力电池管理系统进入所需的工作模式。系统首先闭合B接触器，由于电动机是感性负载，为防两端电压达到母线电压的90%时，立即闭合B+接触器并断开该模式供电，直流转换器接触器仍处于工作状态。预充接触器进入放充电模式：动力电池管理系统检测到充电唤力电池的使用关系到用户的人身安全，因而系统对于各种相应模式总是采取就“安全第一”的原则。动力电池管理系统应还需要根据故障等级而定，当其故障等级较低时，系统可采取报错或发出报警信号的方式告知驾驶人员。当故障等级较高亦或有可充电结束后实现单体电池间的自动均衡充电结束后实现单体电池间的自动均衡动力电池的均衡充电管理和热管理1）动力电池组的均衡充电管理：动力电池组均衡管理充电有以当一号电池的端电压高于2号电池的端电压值，且当一号电池的端电压高于2号电池的端电压值，且置，这时，电容器向2号电池充电，使2号电池的电容器的端电压，待电容器端电压与2号电池的端电压平衡后充电过程中实现单体电池间的自动均衡采用辅助管理装置图37充电器均衡充电控制图37充电器均衡充电控制案，如图37所示。充电器均衡充电控制实现了个电池的并联充电或独立充电，在完成统一的充电采用辅助管理装置，对单个电池的电流进行调整。如图池均衡充电过程可描述为：按照既定的充电模当所有电池的端电压均低于充电截止电压时，若有个别电池首先达到充电截止电压，此时该了对该电池的过电压充电当所有电池的端电压时，充电器转为恒电压充电，充电电流逐渐减2.动力电池组的热管理池，使其流过动力电池以达到散热目的。一般需有风扇、道等部件。其它冷却法主要包括自热对流冷却却法。根据进风来源的不同，一般有外界空气通 （2）液体冷却法：（2）液体冷却法：以液体为介质的传热，需要在动力电池组与液体介质之间建立传热通道，比如水套，以对流和导热两种形式进行间接式加热和冷却。传热介质可以采用水、乙二醇，甚至制冷剂。也有把动力电池组沉浸在电介质液体中直接传热，但必须采用绝缘措施以免发生短路。液体冷却法主要有被动式液体冷却），在寒冷环境中给动力电池加热比使动力电池散热更困司研究出的锂离子电池热管理即包括冷却和加热五、混合动力汽车机电能源管理系统应用凯美瑞混合动力机电控制系统构成与原理了比以前的THS.Ⅱ更高的工作电压，在电动机和发电AC650V高压电路传输，可以降低动力传输中电能损机工作效率低时，此系统可以讲发动机停机，车辆依混合动力电力电子控制装置于发动机的起动和作为汽车的交流电源向蓄电池供用于车轮的驱动和具有辅助制动时能量回收机都要求具有四象限运行能力，即正转电动止，与6个二级管构成全控型三相桥式整流电路，流电转换为高压直流送到降压直流斩波电路，经降压后送使电感线圈上的感生电动势抵消部分发电电压，把DC5平均值DC245V的直流电压，并向HV3.解析器的结构与工作原理的转速。解析器由