新能源汽车概论-第5章 电动汽车能力管理与回收系统

1、第五章电动汽车的能力管理和回收系统课题： 5.1电动汽车能源管理系统教育目的：什么是电动汽车的能源管理控制系统掌握电池管理系统的功能了解纯电动汽车能源管理系统的构成，混合动力电动汽车能源管理策略工作良好的模式教育重点：电池管理系统的功能教育难点：电池管理系统的功能类型：新课教育方法：练习的结合上课时间： 6部署：案例分析p77。 能量管理系统在电动车中非常重要，如图178-5.2所示，它由硬件系统和软件系统组成。 能源管理系统具有从电动汽车各子系统收集运行数据，控制完成电池的充电，显示蓄电池的充电状态(SOC )，预测剩馀行驶距离，监视电池的状态，调节车内温度，调节灯的亮度，回收再生制动能量，

2、给蓄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。一、电池管理系统的功能21 .概要电池管理系统是监视控制管理一体化的复杂电气测量系统，也是电动汽车商品化实用化的关键。 电池管理系统(bms )是能源管理系统的核心。(一)主要任务保证电池组在安全区间工作，提供车辆控制所需的信息，在发生异常时迅速应对，根据环境温度、电池状态及车辆需求等决定电池的充放电电力等。(2)电池管理的核心问题是SOC的估计问题电动汽车电池操作窗SOC的合理范围为3070%，对保证电池寿命和整体能效至关重要。(三)第一任务获得准确可靠的电池soc是电池管理系统中最基本最重要的任务。2 .功能典型的电池管理系统需要以下

3、功能：(1)实时收集电池系统的运行状态参数。 实时收集电动汽车电池组各电池的端子电压和温度、充放电电流、电池组的总电压等。 电池组内各电池在使用中的性能和状态不一致，所以必须监视各电池的电压、电流、温度数据。(2)决定电池的SOC。 通过正确地估计电力电池的SOC，预报电动汽车的储藏电池还有多少能量，或储藏电池的SOC，把电池的SOC值控制在30%70%的范围内。(3)故障诊断和警报。 在电池电量或能量过低需要充电时，为了防止电池过放电，立即发出警报，防止损害电池寿命的电池组温度过高，不能正常动作的情况下，为了保证电池正常动作，请立即发出警报。(4)电池组的热平衡管理。 电池热管理系统是电池管

4、理系统的有机组成部分，具有通过风扇等冷却系统和热电阻加热装置将电池温度控制在正常工作温度范围内的功能。(5)一致性补偿。 电池间有差异时，有一定的措施得到补偿，保证电池组表现能力更强，显示性能差的电池位置，修理更换的手段。 一般采用充电补偿功能。 设计旁路旁路电路，保证单个单元充满电，延迟电池劣化的进展，延长电池的寿命。(6)通过总线实现各检测模块和中央处理装置的通信。 在电动汽车上实现电池管理的难点和关键是根据收集到的各电池的电压、温度和充放电电流历史数据，建立确定各电池剩馀能量的比较精确的数学模型，即正确地估计电动汽车蓄电池的SOC状态。读了资料5-1，P179，学生自主完成了应用例5-1

5、特斯拉电动汽车电池管理系统(1)电荷平衡系统(2)电池温度管理系统二、纯电动汽车能源管理系统31 .纯电动汽车能源管理系统的结构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。2 .电池负载(充电)电气状态显示器电池负载(充电)电气状态指示器是能量管理系统的重要组成部分。 电动汽车的电池储存了多少电能，能行驶多远，是电动汽车行驶中应该知道的重要参数。 类似于燃料汽车油量计的仪表是电池负载(充电)电气状态指示器，是能源管理系统的重要装置。 因此，电动汽车配备了满足该需求的仪表电池负载(充电)电状态指示器。

6、3 .电池管理系统(1)概要1 )电池管理系统是能源管理系统的子系统。2 )电池管理系统的主要任务是保持电动汽车电池的性能良好，优化各电池的电气性能和保存，显示测试数据等。3 )目前主要根据实际情况，决定了具体的纯电动汽车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。的。硬件的设计取决于管理系统实现的功能。 基本上要实现电力电池的合理管理，保证数据采集的正确性、可靠性、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，确定需要收集功率电池的数据种类，根据采集量和精度要求，确定前方通道的设计，根据通信数据量和整车的要求，选择合理的总线。分析(说明主要部分，

7、如P182图5.5所示)a .电流转换分离放大单元b .电池温度传感器(数字化)c、电压采样d .抗干扰案例分析：如P184图5.6、5.7和5.8所示本硬件系统是基于ATMEGA8L单片机设计的。(1)电压采样的实现。 电压采样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。 本系统中有14个电池组构成电动汽车的动力电池。 如原理图所示，各电池是电池组。(2)电流采样的实现。 电流采样是估计电池SOC的主要依据。 这里采用了电流传感器LT308(LEM )的测量电路(3)温度采样的实现。 温度传感器采用了美国DALLAS公司随DS1820推出的扩展单总线数字温度传感器DS18B

8、20。 温度收集电路。(4)抗干扰对策的设计。 由于电池管理系统被用于情况复杂的电动车中，干扰可以沿各种线路侵入单片机系统。 其主要路径是空间干扰、供电系统干扰、过程信道干扰三种。 干扰对单片机系统的作用分为三个部分：第一部分是输入系统，干扰叠加在信号上，增加数据采集误差，特别是在前向信道的传感器接口是小电压信号输入的情况下，这种现象更严重的第二部分是输出系统由于不能正常反映单片机系统的实际输出量，导致一系列重大结果的第三部位是单片机系统的内核，会扰乱总线上的数字信号，打乱程序的运行，扰乱内部程序的指针，使控制状态失效(5)实现了车载CAN通信设计。 在电池管理系统中，实现CAN通信的通信模块

9、，该通信模块包括控制器和接收机，该控制器和接收机周围安装有CAN，其设计如图185至5.9所示。电池管理系统的软件部分主要由三部分、中央处理单元的管理、各ECU的测量和控制部分、系统整体的控制部分组成。a .系统内存配置b .参数检测和过滤c .剩馀容量的估计D. CAN通信e .数据诊断警报三、混合动力电动汽车能源管理系统0.51 .能源管理战略(1)串联式混合动力电动汽车的串联式混合动力电动车的发动机与汽车行驶情况无直接关系，因此能源管理战略的主要目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作。 为了优化能量分配整体的效率，还必须考虑传动系统的动力电池、发动机、电动机、发电机等部件。 串联式混合动

10、力电动汽车有三种基本的能源管理策略。恒温器战略。 当功率电池SOC低于设定的低阈值时，启动发动机，以最低油耗或排出点在定电力模式下输出，有一部分电力用于满足车轮的驱动电力要求，另一部分电力对功率电池进行充电。 另一方面，动力电池的SOC上升到设定的高阈值时，发动机关闭，由电动机驱动车辆。 优点是发动机效率高、排放量低，缺点是动力电池充放电频繁，加上发动机开关时的动态损失，系统整体损失功率大，能量转换效率低。动力跟踪方式的战略。 通过发动机跟踪车辆的电力需求，只有在动力电池的SOC超过SOC设定上限，并且只有动力电池供给的电力满足车辆的需求时，发动机才停止或怠速运转。 由于动力电池容量小，动力电

11、池的充放电次数减少，系统内部的损失减少。 但是，发动机必须在从低到高的大负荷区域运行，因此发动机效率和排放量比恒温器战略差。基本规则型战略。 该战略综合了恒温器战略和动力传动战略两方面的优点，根据发动机负荷特性图设定了高效工作区域，根据动力电池的充放电特性设定了动力电池的高效充电状态范围。 然后，为了最大限度地利用发动机和动力电池的高效区域，使整体效率达到最高，设定了一系列的控制规则。(2)并联混合动力电动汽车的能源管理策略并联混合动力电动汽车的能量管理战略基本上是基于扭矩的控制。 目前主要有四个类别：静态逻辑阈值策略。 该战略通过设定车速、动力电池SOC的上下限、发动机的工作扭矩等一系列的阈

12、值参数，限定动力系统的各部件的工作区域，根据车辆的实时参数和预先设定的规则调整动力系统的各部件的工作状态，来调整车瞬间优化能源管理战略。 瞬时优化策略一般采用“等效燃料消耗最小”法或“功率损失最小”法，两者的原理相似。 其中“等效耗油量最少”法把电动机的等效耗油量和电动机的实际耗油量之和定义为名义耗油量，把电动机的能源消耗转换为等效的电动机耗油量，得到了与电动机的万有特性图相似的电动机的等效耗油量图。全球最佳能源管理战略。 全球最优能源管理策略是应用优化方法和优化控制理论开发的混合系统的能源分配策略，目前主要有基于多目标数学规划方法的能源管理策略、基于经典方差法的能源管理策略和基于Bellma

13、n动态规划理论的能源管理策略三种模糊能源管理战略。 该策略基于模糊控制方法来决定混合系统的工作模式和电力分配，将“专家”的知识以规则的形式输入到模糊控制器中，模糊控制器对车速、电池SOC、需求电力/扭矩等的输入量进行模糊化，根据设定的控制规则来决定能够容易地实现能够基于模糊逻辑策略表现难以准确定量表示的规则的不同影响因素(电力需求、SOC等)的折中的稳健性好。 但是，模糊控制器的构筑主要依靠经验，得不到全局最佳的。(3)混合动力电动汽车的能源管理战略混合动力电动汽车采用行星齿轮传动等，根据其特有的传动系统结构，除了采用瞬时最佳能源管理战略、全球最佳能源管理战略和模糊能源管理战略(与并联混合动力

14、汽车的能源管理战略类似)之外，还采用特有的能源管理战略发动机的稳态工作点战略。 由于采用了行星齿轮机构，发动机转速可以独立于车速而变化，使发动机在最佳工作点工作，提供一定的扭矩输出，剩馀的扭矩由电动机提供。 这种马达负责动态部分，避免了马达动态调节造成的损失，马达的控制也比马达敏感，容易实现。发动机最佳工作曲线策略。 发动机在万有特性图中的最佳燃料消耗线上工作，仅在发电机的电流需求超过了电池的允许能力，或者电动机的驱动电流需求超过了电动机或电池的允许限度时，才调整发动机的工作点。2 .混合动力电动汽车的工作模式(1)串联式混合动力电动汽车的动作模式纯电动模式。 发动机关闭，车辆仅从电池组供给电

15、力，被驱动。清洁发动机模式。 车辆牵引电力仅来自发动机发电单元，电池单元既不被电力也不被驱动系统吸收。 电气设备单元用作从发动机到驱动轮的电气传递系统。混合模式。 牵引电力由发动机发电单元和电池单元共同供给。发动机牵引和电池充电模式。 发动机发电单元供给对电池组充电和车辆驱动所需的电力。再生制动模式。 发动机发电机组关闭，牵引电动机产生的电力被用于向电池组充电。电池组充电模式。 牵引电动机不接受电力，发动机发电机组给电池组充电。混合电池充电模式。 发动机发电机组和在发电机状态下运行的牵引电动机一起给电池组充电。(2)并联混合动力电动汽车的动作模式并联混合动力电动汽车主要包括以下工作模式：纯电动

16、模式。 混合动力电动汽车起步、低速等轻负载工作，动力电池电量充足时，以发动机为动力源的话，发动机的耗油量低，排出性能差。 因此，关闭发动机，从动力电池供给能量，用电动机驱动车辆。 但是，当功率电池的电量较低时，为了保护电池，必须切换到行驶充电模式。清洁发动机模式。 在车辆高速行驶等中负荷时，车辆克服路面阻力驾驶所需的动力很小，一般来说主要由发动机供给动力。 在这种情况下，发动机工作在高效率区域，耗油量高。混合驱动模式。 在加速和上坡等大负荷的情况下，如果车辆行驶所需的动力超过发动机的工作范围和高效率区域，就从电动机供给辅助动力，与发动机一起驱动车辆。 此时，如果动力电池的剩馀电量低，则转移到单

17、纯的发动机模式。行驶充电模式。 在车辆正常行驶等低负荷时，如果动力电池的馀量低，发动机不仅提供驱动车辆所需的动力，还用电动机发电转换为电力对动力电池进行充电。再生制动模式。 混合动力电动汽车减速/制动时，发动机不工作，电动机尽可能多地回收再生制动能，其馀的部分用机械制动器消耗。偶像/停车模式。 怠速/停车模式下，通常关闭发动机和电动机，但如果动力电池馀量低，则需要打开发动机和电动机，控制发动机在高区域工作，并拖动电动机对动力电池充电。四、能源管理系统的发展方向为0.5(1)如何降低成本，正确估计电动汽车电池模块的SOC状态是后期研究的重点(2)电池模块安全预警技术是能源管理系统的重要研究方向(3)发展更先进的辅助跟踪系统成为目前研究的重点(4)研究新的动力传递配置和控制器和更具通用性的能源管理系统成为目前的发展方向。总结：本节概述作业：放学后的练习题课题： 5.2电动汽车再生制动能量回收系统教育目的：了解电动汽车再生制动能量回收系统是什么掌握再生制动能量回收的方法和类型了解电动汽车再生制动能量回收系统的构成和作用等教育重点：再生制动能量回收