新能源汽车能源管理系统

电动汽车的能源管理系统与辅助装置•第一节电动汽车的能源管理系统•第二节充电器•第三节电源变换装置•第四节电动汽车制动能量回收系统•第五节燃料电池汽车氢安全系统•第六节电动汽车的基础设施•教学目的和要求：•了解电动汽车能源管理系统与辅助装置分类，掌握组成、构造和工作原理、特点、应用。•本章重点：•电动汽车的能源管理系统、充电器、电源变换装置和电动汽车制动能量回收系统•本章难点：电动汽车的能源管理系统•教学内容要点：第一节电动汽车的能源管理系统•定义：•电动汽车能源管理系统是对动力系统能源转换装置的工作能量进行协调、分配和控制的软、硬件系统。一、概述•组成：•硬件：传感器、ECU控制单元和执行元件。•软件系统主要是对传感器输送来的信号进行计算处理，对能源转换装置的工作能量进行优化分析，并向执行元件发出指令，控制其动作。•电动汽车能源管理系统的功用：•是在满足汽车基本技术性能和成本等要求的前提下，根据各部件的特性及汽车的运行工况，使能量在各个能源转换装置之间按最佳路线流动，从而达到最高的整车能源利用效率。••各能源转换装置为:•发动机、储能装置、电动机动力传递装置、功率变换模块、发电机和燃料电池等。•纯电动汽车，能源转换装置组成:•由蓄电池、电动机/发电机、功率变换器及动力传递装置等。能源传递路线:由蓄电池到车轮（行驶）由车轮到蓄电池（能量回收）两条。•混合动力燃料电池汽车和混合动力电动汽车，能量转换装置通常有发电装置（发动机/发电机或燃料电池）、功率变换器、动力传递装置、能量储存装置、充放电装置等。•能量传递路线：•一是由发电装置到车轮，•二是由蓄电池到车轮，•三是由发电装置到能量储存装置，•四是由车轮到能量储存装置（能量回收）。二、纯电动汽车的能源管理系统•输入能源管理系统电控单元ECU的参数有车辆运行状态参数：行驶速度、电动机功率等；各电池组的状态参数：工作电压、放电电流和电池温度等；以及车辆操纵状态：制动、启动、加速和减速等•功能：•能量管理系统采集从纯电动汽车各子系统通过传感器收集到的运行数据，完成下列功能：选择电池的充电方案、显示蓄电池的荷电状态（SOC）、监控蓄电池的动作、预测剩余行驶里程、调节车灯亮度、调节车内温度以及回收再生制动能量为蓄电池充电等。其中，电池管理系统（BMS）是能量管理系统（EMS）中的一个主要子系统，它处理蓄电池的显示、测量、预测和全面管理等问题。•1．电池管理系统•主要包括：•动力电池组管理系统•热（温度）管理系统•高压电线线路管理系统•（1）动力电池组组成:•需要多节单体电池或多个蓄电池串联起来，•总电压:200~400V。•动力电池组管理系统一般采用微处理器通过标准通信接口、CAN总线和控制模块等对动力电池组进行管理。（2）功能•1）动力电池组管理监控动力电池组充电和放电时的电压和电流、动力电池组的温度变化等。通过显示装置来动态显示蓄电池在充电和放电工作过程中的SOC的变化，避免动力电池组过充或过放，保护蓄电池不受损害，保持电池组的最佳工作状态。•2）单节电池管理对单节电池动态电压和温升的变化进行实时测量，对电池组中各个电池的不一致性进行监控和管理，能够及时地发现和剔除有性能缺陷的单体蓄电池。2．电池管理系统的功能•显示荷电状态（SOC）、提供电池温度信息、电池高温报警、电池性能异常早期警报、显示电解液状态、提供电池老化信息、记录电池关键数据。•图8-2电动汽车电池管理系统功能示意图•（1）数据采集电池管理系统的所有算法都以采集的数据作为输入，采样速率、精度和前置滤波特性是影响电池管理系统性能的重要指标。电动汽车电池管理系统的采样速率一般要求大于200HZ（50ms）。•（2）电池状态估计电池状态估计包括SOC（stateofcharge）和SOH（stateofhealth）两个方面。SOC告诉驾驶员电池的荷电量，以此可以估计汽车还能行驶的里程；SOH告诉驾驶员电池的寿命还有多久。SOC和SOH是进行能量管理的重要参数。最常用的SOC估计方法是Ah计量结合效率补偿的方法。•（3）能量管理在能量管理中，SOC、SOH、电流、电压、温度等参数作为输入用来完成下列功能：①用SOC，SOH和温度限制电池放电电流；②控制充电过程，包括均衡充电。充放电过程的监控和限制与电池种类、电池工艺关系很大。•（4）热管理热管理的功能是使电池单体温度保持在合理的范围内并且要求均衡，对高温电池实施冷却，在低温条件下对电池进行加热等。对于大功率放电和高温条件下使用的电池，电池的热管理功能更为重要。•（5）通信功能电池管理系统与车载设备或非车载设备的通信也是重要功能之一。根据应用需要，数据交换可采用不同的通信接口，如：模拟信号、PWM信号、CAN总线或I2C串行接口。•（6）安全管理具体功能为：防止电池过热而发生热失控；监测电池的电压、电流是否超过限制；防止电池过度放电，尤其是防止个别电池单体过度放电。•3、电池SOC的估计和故障诊断•动力电池组管理系统应具有对SOC的显示功能或汽车在线可行驶里程显示功能，SOC的误差＜8%，配备故障诊断专家系统，可以早期预报动力电池组的故障和隐患。具有自检和诊断功能，以及高抗干扰能力。•4、电池的热管理系统•功能：•电池组温度过高时有效散热、低温条件下快速加热、保证所有电池单体较好的温度一致性以及有害气体产生时的有效通风。•5、安全防护•动力电池组的总电压可以达到200~400V，高电压应采取有效的隔离措施。一般要求将动力电池组与乘坐区分离。汽车停止使用时，自动切断电源，电动汽车发生碰撞或倾覆时，电池管理系统应能立即切断电源并报警，不会发生电解液对人体的伤害或引起火灾。•6、典型的电动汽车电池管理系统•（1）美国通用汽车公司EV1电动汽车的电池管理系统•电动汽车由27个铅酸电池供电，电池寿命为450个深放电周期，可放电深度80％，一次充电市内行驶里程113km，高速公路行驶里程145km。•（2）德国柏林大学研制的电池管理系统•主要功能包括：•防止电池过充过放、电池模块加平衡器实现均衡充电、基于模糊专家系统的剩余电量估计、电池组热管理、用神经元网络辨识电池老化信息、电池故障诊断，并且能及时调整模糊专家系统的参数、数据记录和存储，存储是为了电池诊断和维护工作保存历史数据。该电池管理系统是目前国际上功能比较齐全、技术含量比较高的先进的电动汽车用电池管理系统。图8-3柏林大学设计的电池管理系统总体结构•在电动汽车上实现能源管理的难点，在于如何根据所采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，来建立一个确定每块电池还剩余多少能量的较精确的数学模型。在电动汽车上，除了有必要使用电池能量管理系统外，在选用电池组中的电池时，应尽量选用各种特性参数接近的电池，这对提高电池组中各电池的使用寿命也是非常重要的。三、燃料电池汽车和混合动力汽车的能源管理系统•1．燃料电池汽车的能源管理系统•能源一般有三个：燃料的化学能、储能装置储存的能量和回收的汽车动能。用燃料电池替代了内燃机。•能源管理策略的任务就是控制汽车动力系统的能量传输和转换过程，从而达到期望的系统响应。具体地说，就是在不影响汽车性能和部件寿命的前提下，均衡各部件的工作负荷，从而降低能量损失，提高燃料经济性。•能源管理策略主要包括功率分配策略、速比控制和制动能量回馈策略三个组成部分。功率分配是核心问题。只有三者紧密结合，才能降低燃料消耗、延长燃料电池和蓄电池的使用寿命。•对于采用蓄电池的燃料电池汽车来说，能源管理策略的主要任务为：•①在不损害蓄电池的情况下，满足汽车动力性的设计要求，保证可接受的驾驶性。•②确定燃料电池系统的运行状态（开启或关闭）从而获得最大的燃料经济性。•③根据驾驶员转矩需求和子系统的限制条件来确定车轮转矩命令。•④确定动力系统的驱动模式和各模式之间的转换机制，确定传动系的速比。•其中，蓄电池工作状态的控制是能量管理策略所要解决的基本问题。主要考虑以下因素：•①蓄电池效率是SOC的函数，并与内阻密切相关。必须选择一个蓄电池的最佳工作区域，降低充放电损失，同时保留额外的吸收峰值功率的空间。•②控制蓄电池的充放电深度，放电深度和频率会影响到电池的循环寿命。•③电池所存储的能量在整个循环工况下要达到平衡。能源管理系统的结构•根据当前车速、电池SOC等，以及驾驶员的转矩需求信号，决定当前汽车的最佳档位。如果转矩需求为负值，即为制动状态，就需要根据预先设定的制动能量回馈策略来确定电机的回馈转矩。在确定了所有负载的功率需求后，可以根据功率分配策略计算出对燃料电池系统的需求功率，来保证在满足当前动力需求的前提下获得较好的整车能量效率。图8-5燃料电池汽车能源管理系统结构•2．混合动力汽车的能源管理系统•（1）长安混合动力汽车的系统结构•该车的能源传递路线有四条:•第1条路线为从四缸电喷发动机到轮胎；•第2条路线为动力电池组到轮胎；•第3条为从发电装置ISG到动力电池组；•第4条路线为轮胎到动力电池组，在汽车下坡或制动工况时，由发电机/电动机ISG将汽车的再生或制动的能量存储到动力电池。•电控单元ECU和电子油门对发动机进行控制。ISG通过ISG控制器和驱动器进行控制，电池能量管理系统对电池组的荷电状态进行控制。通过CAN（ControllerAreaNetwork）总线，混合动力系统中所有控制子系统向多能源动力总成管理系统发送子系统运行信息，并且接受多能源总成管理系统的控制命令，通过多能源动力总成管理系统来实现混合动力系统的控制协调。图8-6长安混合动力汽车的系统结构•（2）开关型控制策略由系统初始化模块、数据采集模块、数据处理模块和数据显示模块组成主要的系统软件。图8-7开关型控制策略系统控制流程图•蓄电池的充电状态的最小值和最大值分别设定为60％和80％。系统主要功能包括控制发电机控制器，监控和管理电动机控制器；监控电池组工作状况；根据电池组电量自动启动或关闭发电机组，对电池组进行充电或停止充电。•开关型控制策略的优点:•是保证发动机工作于效率最高点，所以其热效率高，有害排放少。缺点主要是蓄电池充放电频繁，加上发动机启动、停止时的动态损耗，系统总的损失功率增大。•（3）“功率跟踪型”控制策略•“功率跟踪型”控制策略是由发动机全程跟踪汽车功率需求，只有在蓄电池的充电状态为最大值、并且蓄电池提供的功率能满足汽车需求时，发动机才停机或怠速运行。此策略的优点是蓄电池充放电次数减少，因而系统内部损失减少；另外可以采用小容量的蓄电池，从而减轻汽车质量，减小行驶阻力。其主要不足是发动机必须在较大的工况范围运行，平均热效率较低，有害排放较多。第二节充电器•目前的电动汽车蓄电池仍以铅酸蓄电池为主，正确使用蓄电池，及时进行充电可有效降低汽车的使用成本。一、蓄电池的充电方法•1．恒压充电•2．恒流充电•3．快速充电•4．智能充电•5．均衡充电•1．恒压充电•恒压充电是是保持蓄电池充电压一定的充电方法，对每个单体蓄电池均以某一恒定电压进行充电。•优点：•充电速度较快，且随着充电的进行，充电电流会逐渐减小，电压设定适当时，充足电时会自动停充。•缺点：•不能保证蓄电池彻底充足电，如果蓄电池放电深度过深，充电的电流会很大，不仅会危及充电器的安全，而且可能对蓄电池造成损害。若充电电压选择过低，后期充电电流过小，又会导致充电时间延长。•2．恒流充电•恒流充电是保持蓄电池的充电电流不变的充电方法。恒定电流用调整充电器的电流来控制，在一般的硅整流器充电器中即可实现，充电操作简单方便。但要求采用小电流、长时间的充电模式，恒流充电一般需要15h以上。•第一阶段的充电电流取额定容量的1/10。•第二阶段的充电电流减小一半，即取额定容量的1/20。•蓄电池充足电的标志是：•单格蓄电池的充电电压达到约2.7V；电解液中有大量气泡产生；电解液的密度上升到最大值。•优点：•可以保证蓄电池彻底充足电，延长蓄电池的使用寿命，减少蓄电池“硫化”故障产生的倾向。•缺点：•充电时间比较长。到目前为止。•恒流两阶段充电法是铅酸蓄电池充电中最常用的方法。•3．快速充电•快速充电过程