第5章电动汽车的能量管理与回收系统

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第1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。第2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。第3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。第4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。第5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。第6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。第7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。第8页中央处理器模块电压电池总电压电池电流电池温度液晶显示模块SOC估计控制充放电电流故障报警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。第9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10页-+-+2.5VLEM输入AD输入R2R15.1.2纯电动汽车能量管理系统（3）温度采样的实现。温度传感器采用美国DALLAS公司继DS1820之后推出的增强型单总线数字温度传感器DS18B20。温度采集电路如图所示。第11页中央处理器VCCVCCDQGNDDS18B203215.1.2纯电动汽车能量管理系统（4）抗干扰措施的设计。由于电池管理系统用在情况比较复杂的电动汽车上，所以干扰可以沿各种线路侵入单片机系统。其主要的渠道有三条：即空间干扰、供电系统干扰、过程通道干扰。干扰对单片机系统的作用可以分为三个部位：第一个部位是输入系统，干扰叠加在信号上，使数据采集误差增大，特别在前向通道的传感器接口是小电压信号输入时，此现象会更加严重；第二个部位是输出系统，使各输出信号混乱，不能正常反映单片机系统的真实输出量，导致一系列严重后果；第三个部位是单片机系统的内核，使总线上的数字信号错乱，程序运行失常，内部程序指针错乱，控制状态失灵，单片机中数据被修改，更严重的会导致死机，使系统完全崩溃。第12页5.1.2纯电动汽车能量管理系统（5）车载CAN通讯设计实现。在电池管理系统中，CAN通讯的实现是由外围设置CAN的控制器和接收器组成的通讯模块，它的设计如图所示。第13页ADTX0TX1RX0RX1CLKOUTMODEVDD1VDD2VDD3VSS1VSS2VSS3CSRDWRALEINTVCCEXOUTGNDINVDDVDDINGNDVCCOUTEXTXDRXDVREFVCCCANHCANLRSGNDVCCVDD6N1376N13782C250SAJ1000PBPC5PC4PD2ATMEGA8LPD7AVCCU301U305U307U306U308R305R306R307R308R309R310R311C305C306C307C308C3093903906.2K3905547KD304D305104104304CANBUS300300R3113905.1.3混合动力电动汽车能量管理系统1.串联式混合动力电动汽车的能量管理策略由于串联式混合动力电动汽车的发动机与汽车行驶工况没有直接联系，因此能量管理策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效率，还应考虑传动系统的动力电池、发动机、电动机和发电机等部件。串联式混合动力电动汽车有3种基本的能量管理策略。(1)恒温器策略。当动力电池SOC低于设定的低门限值时，启动发动机，在最低油耗或排放点按恒功率模式输出，一部分功率用于满足车轮驱动功率要求，另一部分功率给动力电池充电。而当动力电池组SOC上升到所设定的高门限值时，发动机关闭，由电动机驱动车辆。其优点是发动机效率高、排放低，缺点是动力电池充放电频繁，加上发动机开关时的动态损耗，使得系统总体的损失功率变大，能量转换效率较低。第14页5.1.3混合动力电动汽车能量管理系统(2)功率跟踪式策略。由发动机全程跟踪车辆功率需求，只有在动力电池的SOC大于SOC设定上限时，且仅由动力电池提供的功率能满足车辆需求时，发动机才停机或怠速运行。由于动力电池容量小，动力电池充放电次数减少而使得系统内部损失减少。但是发动机必须在从低到高的较大负荷区内运行，使得发动机效率和排放不如恒温器策略。(3)基本规则型策略。该策略综合了恒温器策略与功率跟踪式策略两者的优点，根据发动机负荷特性图设定了高效率工作区，根据动力电池的充放电特性设定了动力电池高效率的荷电状态范围。并设定一组控制规则，根据需求功率和SOC进行控制，以充分利用发动机和动力电池的高效率区，使其达到整体效率最高。第15页5.1.3混合动力电动汽车能量管理系统2.并联式混合动力电动汽车的能量管理策略并联式混合动力电动汽车的能量管理策略基本属于基于转矩的控制。目前主要有以下4类：(1)静态逻辑门限策略。该策略通过设置车速、动力电池SOC上下限、发动机工作转矩等一组门限参数，限定动力系统各部件的工作区域，并根据车辆实时参数及预先设定的规则调整动力系统各部件的工作状态，以提高车辆整体性能。(2)瞬时优化能量管理策略。瞬时优化策略一般是采用“等效燃油消耗最少”法或“功率损失最小”法，二者原理类似。其中“等效燃油消耗最少”法将电机的等效油耗与发动机的实际油耗之和定义为名义油耗，将电机的能量消耗转换为等效的发动机油耗，得到一张类似于发动机万有特性图的电机等效油耗图。第16页5.1.3混合动力电动汽车能量管理系统(3)全局最优能量管理策略。全局最优能量管理策略是应用最优化方法和最优控制理论开发出来的混合动力系统能量分配策略，目前主要有基于多目标数学规划方法的能量管理策略、基于古典变分法的能量管理策略和基于Bellman动态规划理论的能量管理策略三种。(4)模糊能量管理策略。该策略基于模糊控制方法来决策混合动力系统的工作模式和功率分配，将“专家”的知识以规则的形式输入模糊控制器中，模糊控制器将车速、电池SOC、需求功率/转矩等输入量模糊化，基于设定的控制规则来完成决策，以实现对混合动力系统的合理控制，从而提高车辆整体性能。基于模糊逻辑策略可以表达难以精确定量表达的规则；可以方便地实现不同影响因素(功率需求、SOC等)的折中；鲁棒性好。但是模糊控制器的建立主要依靠经验，无法获得全局最优。第17页5.1.3混合动力电动汽车能量管理系统3.混联式混合动力电动汽车的能量管理策略混联式混合动力电动汽车由于其特有的传动系统结构，如采用行星齿轮传动，除了采用瞬时优化能量管理策略、全局优化能量管理策略和模糊能量管理策略(与并联式混合动力汽车能量管理策略原理类似)以外，还有一些特有的能量管理策略：(1)发动机恒定工作点策略。由于采用了行星齿轮机构，发动机转速可以独立于车速变化，这样使发动机工作在最优工作点，提供恒定的转矩输出，而剩余的转矩则由电动机提供。这样电动机来负责动态部分，避免了发动机动态调节带来的损失，而且与发动机相比，电动机的控制也更为灵敏，易于实现。(2)发动机最优工作曲线策略。发动机工作在万有特性图中最佳油耗线上，只有当发电机电流需求超出电池的接受能力或者当电动机驱动电流需求超出电动机或电池的允许限制时，才调整发动机的工作点。第18页5.1.3混合动力电动汽车能量管理系统1.串联式混合动力电动汽车的工作模式(1)纯电动模式。发动机关闭，车辆仅由蓄电池组供电、驱动。(2)纯发动机模式。车辆牵引功率仅来源发动机-发电机组，而蓄电池组既不供电也不从驱动系统中吸收任何功率，电设备组用作从发动机到驱动轮的电传动系。(3)混合模式。牵引功率由发动机-发电机组和蓄电池组共同提供。(4)发动机牵引和蓄电池充电模式。发动机-发电机组供给向蓄电池组充电和驱动车辆所需的功率。(5)再生制动模式。发动机-发电机组关闭，牵引电机产生的电功率用于向蓄电池组充电。(6)蓄电池组充电模式。牵引电动机不接受功率，发动机-发电机组向蓄电池组充电。(7)混合式蓄电池充电模式。发动机-发电机组和运行在发电机状态下的牵引电动机共同向蓄电池组充电。第19页5.1.3混合动力电动汽车能量管理系统2.并联式混合动力电动汽车的工作模式并联式混合动力电动汽车主要蕴含以下工作模式：(1)纯电动模式。当混合动力电动汽车处于起步、低速等轻载工况且动力电池的电量充足时