1、第 5 章 電動汽車能力管理與回收系統課 題： 5.1 電動汽車能量管理系統教學目的： 了解什么是電動汽車能量管理控制系統，掌握電池管理系統的功能理解純電動汽車能量管理系統的組成、混合動力電動汽車的能量管理策略好工作模式教學重點：電池管理系統的功能教學難點：電池管理系統的功能類 型：新授課教學方法：講練結合 課 時： 6引 入：導入案例 P177。能量管理系統在電動汽車中非常重要，它由硬件系統和軟件系統組成，如 P178 圖 5.2 所示。能量管理系統具有從電動汽車各子系統采集運行數據，監控電池的狀態、能量管理系統中也是電動汽車商品控制完成電池的充電、 顯示蓄電池的荷電狀態（SOC）、預測剩余

2、行駛里程、 調節車內溫度、 調節車燈亮度以及回收再生制動能量為蓄電池充電等功能。最主要的是電池管理系統。、電池管理系統的功能 21. 概述電池管理系統是集監測、 控制與管理為一體的復雜的電氣測控系統，化、實用化的關鍵。電池管理系統（bms）是能量管理系統的核心。1）主要任務保證電池組工作在安全區間， 提供車輛控制所需的必需信息， 在出現異常時及時響應處 理，并根據環境溫度、電池狀態及車輛需求等決定電池的充放電功率等。（2）電池管理的核心問題就是 SOC的預估問題電動汽車電池操作窗 SOC的合理范圍是 3070%這對保證電池壽命和整體的能量效率 至關重要。（ 3）首要任務準確和可靠的獲得電池 s

3、oc 是電池管理系統中最基本和最首要的任務。2. 功能典型的電池管理系統應具備如下功能：( 1)實時采集電池系統運行狀態參數。實時采集電動汽車蓄電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、 充放電電流以及電池組總電壓等。 由于電池組中的每塊電池在使用中的性能和 狀態不一致，因而對每塊電池的電壓、電流和溫度數據都要進行監測。(2)確定電池的 SOG準確估測動力電池組的 SOC從而隨時預報電動汽車儲能電池 還剩余多少能量或儲能電池的SOC使電池的SOC控制在30%70%勺工作范圍。( 3)故障診斷與報警。 當蓄電池電量或能量過低需要充電時，及時報警，以防止電池 過放電而損害電池的使用壽命； 當電池組的溫度過

4、高，非正常工作時， 及時報警， 以保證蓄 電池正常工作。( 4)電池組的熱平衡管理。電池熱管理系統是電池管理系統的有機組成部分，其功能是通過風扇等冷卻系統和熱電阻加熱裝置使電池溫度處于正常工作溫度范圍內。( 5) 一致性補償 。 當電池之間有差異時，有一定措施進行補償，保證電池組表現能力 更強，并有一定的手段來顯示性能不良的電池位置， 以便修理替換。 一般采用充電補償功能。 設計有旁路分流電路， 以保證每個單體都可以充滿電， 這樣可以減緩電池老化的進度， 延長 電池的使用壽命。( 6)通過總線實現各檢測模塊和中央處理單元的通訊。在電動汽車上實現電池管理的難點和關鍵在于如何根據采集的每塊電池的電

5、壓、 溫度和充放電電流的歷史數據， 建立確定 每塊電池剩余能量的較精確的數學模型，即準確估計電動汽車蓄電池的SOC狀態。閱讀材料5-1 , P179，學生自主完成應用案例 5-1 特斯拉電動汽車電池管理系統( 1 )電荷平衡系統( 2)電池溫度管理系統二、純電動汽車能量管理系統 31. 純電動汽車能量管理系統的組成 純電動汽車能源管理系統主要由電池輸入控制器、 車輛運行狀態參數、 車輛操縱狀態、能源管理系統 ECU電池輸出控制器、電機發電機系統控制等組成。2. 電池荷 (充)電狀態指示器電池荷 (充)電狀態指示器是能源管理系統的一個重要組成。電動汽車蓄電池中儲存有多少電能， 還能行駛多少里程，

6、 是電動汽車行駛中必須知道的重要參數。 與燃油汽車的油量表 類似的儀表就是電池荷 (充)電狀態指示器，它是能源管理系統的一個重要裝置。因此，在電 動汽車中裝備滿足這一需求的儀表即電池荷(充)電狀態指示器。3電池管理系統（1）概述1）電池管理系統是能源管理系統的一個子系統。2）蓄電池管理系統主要任務是保持電動汽車蓄電池性能良好，并優化各蓄電池的電性 能和保存、顯示測試數據等。3）目前，主要是根據實際情況，確定具體純電動汽車的電池管理系統的功能和形式。 電池管理系統包括硬件系統的設計和軟件系統的設計。 硬件的設計取決于管理系統實現的功能。基本要實現對動力電池組的合理管理，即保證采集數據的準確性、可

7、靠穩定的系統通信、抗干擾性。在具體實現過程中，根據設計要求確定需要采集動力電池組的數據類型； 根據采集量以及精度要求確定前向通道的設計；根據通信數據量以及整車的要求選用合理的總線。分析（主要部分加以講解，如P182圖5.5所示）B電池溫度傳感器（數字化）C電壓采樣D抗干擾案例分析：如 P184圖5.6、5.7、5.8所示本硬件系統是在基于 ATMEGA8單片機進行設計的。（1） 電壓采樣的實現。 電壓采樣是對電動汽車電池組的電壓進行采樣，每個電池組由10個單體電池構成。本系統中一共有14個電池組組成電動汽車的動力電池。原理如圖所示，每個電池為一個電池組。（2） 電流采樣的實現。電流的采樣是估計

8、電池SOC勺主要依據。這里采用電流傳感器LT308（LEM）的測量電路（3）溫度采樣的實現。溫度傳感器采用美國DALLAS公司繼DS1820之后推出的增強型單總線數字溫度傳感器 DS18B20溫度采集電路。（4）抗干擾措施的設計。由于電池管理系統用在情況比較復雜的電動汽車上，所以干 擾可以沿各種線路侵入單片機系統。 其主要的渠道有三條：即空間干擾、供電系統干擾、過 程通道干擾。 干擾對單片機系統的作用可以分為三個部位： 第一個部位是輸入系統， 干擾疊 加在信號上， 使數據采集誤差增大， 特別在前向通道的傳感器接口是小電壓信號輸入時， 此 現象會更加嚴重； 第二個部位是輸出系統， 使各輸出信號混

9、亂， 不能正常反映單片機系統的 真實輸出量， 導致一系列嚴重后果； 第三個部位是單片機系統的內核， 使總線上的數字信號 錯亂，程序運行失常，內部程序指針錯亂，控制狀態失靈，單片機中數據被修改，更嚴重的 會導致死機，使系統完全崩潰。（5）車載CAN通訊設計實現。在電池管理系統中，CAN通訊的實現是由外圍設置 CAN的控制器和接收器組成的通訊模塊，它的設計如P185圖5.9所示。 電池管理系統的軟件部分主要包括3部分，中央處理單元的管理、各個ECU的測量與控制部分、整個系統的控制部分。A. 系統內存配置B. 參數檢測及濾波C. 剩余容量估計D. CA N通信E數據診斷報警三、混合動力電動汽車能量管

10、理系統 0.51. 能量管理策略（ 1 ）串聯式混合動力電動汽車的 由于串聯式混合動力電動汽車的發動機與汽車行駛工況沒有直接聯系，因此能量管理策略的主要目標是使發動機在最佳效率區和排放區工作。 為了優化能量分配整體效率， 還應考 慮傳動系統的動力電池、發動機、電動機和發電機等部件。串聯式混合動力電動汽車有3種基本的能量管理策略。 恒溫器策略。當動力電池SOC低于設定的低門限值時，啟動發動機，在最低油耗或 排放點按恒功率模式輸出， 一部分功率用于滿足車輪驅動功率要求， 另一部分功率給動力電 池充電。而當動力電池組SOC上升到所設定的高門限值時，發動機關閉，由電動機驅動車輛。其優點是發動機效率高、

11、排放低，缺點是動力電池充放電頻繁，加上發動機開關時的動 態損耗，使得系統總體的損失功率變大，能量轉換效率較低。 功率跟蹤式策略。由發動機全程跟蹤車輛功率需求，只有在動力電池的 SOC大于SOC 設定上限時，且僅由動力電池提供的功率能滿足車輛需求時， 發動機才停機或怠速運行。 由 于動力電池容量小，動力電池充放電次數減少而使得系統內部損失減少。 但是發動機必須在 從低到高的較大負荷區內運行，使得發動機效率和排放不如恒溫器策略。 基本規則型策略。 該策略綜合了恒溫器策略與功率跟蹤式策略兩者的優點，根據發動機負荷特性圖設定了高效率工作區， 根據動力電池的充放電特性設定了動力電池高效率的 荷電狀態范圍

12、。并設定一組控制規則，根據需求功率和SOC進行控制，以充分利用發動機和動力電池的高效率區，使其達到整體效率最高。（2）并聯式混合動力電動汽車的能量管理策略 并聯式混合動力電動汽車的能量管理策略基本屬于基于轉矩的控制。目前主要有以下4 類： 靜態邏輯門限策略。 該策略通過設置車速、動力電池 SOC上下限、發動機工作轉矩 等一組門限參數，限定動力系統各部件的工作區域， 并根據車輛實時參數及預先設定的規則 調整動力系統各部件的工作狀態，以提高車輛整體性能。 瞬時優化能量管理策略。 瞬時優化策略一般是采用“等效燃油消耗最少”法或“功 率損失最小”法，二者原理類似。其中“等效燃油消耗最少”法將電機的等效

13、油耗與發動機 的實際油耗之和定義為名義油耗， 將電機的能量消耗轉換為等效的發動機油耗， 得到一張類 似于發動機萬有特性圖的電機等效油耗圖。 全局最優能量管理策略。 全局最優能量管理策略是應用最優化方法和最優控制理論 開發出來的混合動力系統能量分配策略， 目前主要有基于多目標數學規劃方法的能量管理策 略、基于古典變分法的能量管理策略和基于 Bellman 動態規劃理論的能量管理策略三種。 模糊能量管理策略。該策略基于模糊控制方法來決策混合動力系統的工作模式和功 率分配，將“專家”的知識以規則的形式輸入模糊控制器中， 模糊控制器將車速、電池 SOC、 需求功率 /轉矩等輸入量模糊化，基于設定的控制

14、規則來完成決策，以實現對混合動力系統 的合理控制，從而提高車輛整體性能。基于模糊邏輯策略可以表達難以精確定量表達的規則；可以方便地實現不同影響因素 （功率需求、SOC等）的折中；魯棒性好。但是模糊控制器的建 立主要依靠經驗，無法獲得全局最優。（3）混聯式混合動力電動汽車的能量管理策略 混聯式混合動力電動汽車由于其特有的傳動系統結構， 如采用行星齒輪傳動，除了采用瞬時優化能量管理策略、全局優化能量管理策略和模糊能量管理策略（與并聯式混合動力汽車能量管理策略原理類似 ）以外，還有一些特有的能量管理策略： 發動機恒定工作點策略。 由于采用了行星齒輪機構，發動機轉速可以獨立于車速變 化，這樣使發動機工

15、作在最優工作點， 提供恒定的轉矩輸出， 而剩余的轉矩則由電動機提供。 這樣電動機來負責動態部分， 避免了發動機動態調節帶來的損失， 而且與發動機相比， 電動 機的控制也更為靈敏，易于實現。 發動機最優工作曲線策略 。發動機工作在萬有特性圖中最佳油耗線上，只有當發電 機電流需求超出電池的接受能力或者當電動機驅動電流需求超出電動機或電池的允許限制 時，才調整發動機的工作點。2. 混合動力電動汽車的工作模式（1）串聯式混合動力電動汽車的工作模式 純電動模式。發動機關閉，車輛僅由蓄電池組供電、驅動。 純發動機模式。車輛牽引功率僅來源發動機- 發電機組，而蓄電池組既不供電也不從驅動系統中吸收任何功率，電

16、設備組用作從發動機到驅動輪的電傳動系。 混合模式。 牽引功率由發動機 - 發電機組和蓄電池組共同提供。 發動機牽引和蓄電池充電模式 。發動機 -發電機組供給向蓄電池組充電和驅動車輛所 需的功率。 再生制動模式。 發動機 - 發電機組關閉， 牽引電機產生的電功率用于向蓄電池組充電。 蓄電池組充電模式。 牽引電動機不接受功率，發動機 - 發電機組向蓄電池組充電。 混合式蓄電池充電模式。 發動機 - 發電機組和運行在發電機狀態下的牽引電動機共同 向蓄電池組充電。（2）并聯式混合動力電動汽車的工作模式 并聯式混合動力電動汽車主要蘊含以下工作模式： 純電動模式。 當混合動力電動汽車處于起步、低速等輕載工

17、況且動力電池的電量充 足時，若以發動機作為動力源，則發動機燃油效率較低，并且排放性能很差。因此，關閉發 動機，由動力電池提供能量并以電機驅動車輛。但當動力電池的電量較低時，為保護電池， 應當切換到行車充電模式。 純發動機模式。 在車輛高速行駛等中等負荷時，車輛克服路面阻力運行所需的動力 較小，一般情況下主要由發動機提供動力。 此時，發動機可工作于高效區域， 燃油效率較高。 混合驅動模式。 在加速或爬坡等大負荷情況下，當車輛行駛所需的動力超過發動機 工作范圍或高效區時， 由電機提供輔助動力同發動機一同驅動車輛。 若此時動力電池的剩余 電量較低，則轉換到純發動機模式。 行車充電模式。 在車輛正常行

18、駛等中低負荷時，若動力電池的剩余電量較低，發動 機除了要提供驅動車輛所需的動力外， 還要提供額外的功率通過電機發電以轉換成電能給動 力電池充電。 再生制動模式。 當混合動力電動汽車減速 / 制動時，發動機不工作，電機盡可能多地 回收再生制動能量，剩余部分由機械制動器消耗。 怠速 / 停車模式。 在怠速 / 停車模式中，通常關閉發動機和電動機，但當動力電池剩 余電量較低時， 需要開啟發動機和電機， 控制發動機工作于高效區并拖動電機為動力電池充 電。四、能量管理系統的發展方向 0.5（1）如何降低成本并能準確估測電動汽車電池模塊的SOC狀態仍將是后期研究的重點（ 2）電池模塊的安全預警技術是能量管

19、理系統的重要研究方向（ 3）發展更高級的配套跟蹤系統已經成為目前的研究重點（ 4）研究新的動力傳動配置和控制器及更具有通用性的能量管理系統已經成為目前的發展方向。小結：概述本節作業：課后習題課題：5.2 電動汽車再生制動能量回收系統教學目的：理解什么是電動汽車再生制動能量回收系統 掌握再生制動能量回收的方法和類型 理解電動汽車的再生制動能量回收系統的組成和作用等教學重點：再生制動能量回收的方法和類型 教學難點：再生制動能量回收的方法和類型類 型：新授課 教學方法：講練結合課 時： 4引 入：再生制動是指電動汽車在減速制動 （剎車或者下坡 ） 時將汽車的部分動能轉化為電 能，轉化的電能儲存在儲存

20、裝置中， 如各種蓄電池、超級電容和超高速飛輪，最終增加電動 汽車的續駛里程。 如果儲能器已經被完全充滿， 再生制動就不能實現， 所需的制動力就只能由常規的制動系統提供。 P192 圖 5.10 為電動汽車的制動系統結構。、制動能量回收方法 1動能）經再生系統，并儲存在儲能器中，制動能量回收的基本原理是先將汽車制動或減速時的一部分機械能 轉換（或轉移）為其它形式的能量（旋轉動能、液壓能、化學能等） 同時產生一定的負荷阻力使汽車減速制動； 當汽車再次啟動或加速時， 再生系統又將儲存在 儲能器中的能量再轉換為汽車行駛所需要的動能（驅動力） 。根據儲能機理不同，電動汽車制動能量回收的方法也不同，主要有

21、 3 種，即飛輪儲能、 液壓儲能和電化學儲能。1.飛輪儲能飛輪儲能是利用高速旋轉的飛輪來儲存和釋放能量，能量轉換過程如P192圖5.11所示。當汽車制動或減速時， 先將汽車在制動或減速過程中的動能轉換成飛輪高速旋轉的動能； 當汽車再次啟動或加速時， 高速旋轉的飛輪又將存儲的動能通過傳動裝置轉化為汽車行駛的 驅動力。圖 5.12 是一種飛輪儲能式制動能量回收系統示意圖。系統主要由發動機、高速儲能飛 輪、增速齒輪、 離合器和驅動橋組成。發動機用來提供驅動汽車的主要動力，高速儲能飛輪 用來回收制動能量以及作為負荷平衡裝置， 為發動機提供輔助的功率以滿足峰值功率的要求。2.液壓儲能液壓儲能工作過程如

22、P193圖5.13所示。它是先將汽車在制動或減速過程中的動能轉換 成液壓能，并將液壓能儲存在液壓蓄能器中；當汽車再次啟動或加速時，儲能系統又將蓄 能器中的液壓能以機械能的形式反作用于汽車，以增加汽車的驅動力。圖 5.14 是液壓儲能式制動能量回收系統示意圖。系統由發動機、液壓泵/馬達、液壓蓄能器、變速器、驅動橋、離合器和液壓控制系統組成。3. 電化學儲能電化學儲能工作原理如 P194圖5.15所示。它是先將汽車在制動或減速過程中的動能， 通過發電機轉化為電能并以化學能的形式儲存在儲能器中；當汽車再次啟動或加速時，再 將儲能器中的化學能通過電動機轉化為汽車行駛的動能。儲能器可采用蓄電池或超級電容

23、，由發電機 /電動機實現機械能和電能之間的轉換。系統還包括一個控制單元，用來控制蓄電 池或超級電容的充放電狀態，并保證蓄電池的剩余電量在規定的范圍內。圖 5.16 是一種用于前輪驅動汽車的電化學儲能式制動能量回收示意圖。當汽車以恒定 速度或加速度行駛時，電磁離合器脫開。 當汽車制動時， 行車制動系統開始工作， 汽車減速 制動，電磁離合器接合，從而接通驅動軸和變速器的輸出軸。這樣，汽車的動能由輸出軸、 離合器、 驅動軸、 驅動輪和從動輪傳到發動機和飛輪上。 制動時的機械能由電動機轉換為電 能，存入蓄電池。二、制動能量回收系統的類型 0.5 1.制動能量回收系統的類型因儲能方法不同而不同，主要有電

24、能式、動能式和液壓式。（ 1）電能式主要由發電機、 電動機和蓄電池或超級電容組成， 一般在電動汽車上使用； （2）動能式主要由飛輪、無級變速器構成，一般在公交汽車上使用；（3）液壓式主要由液壓泵 /液壓馬達、蓄能器組成， 一般在工程機械或大型車輛上使用。 2.在電動汽車上采取制動能量回收方法，有如下作用：（1）在目前電動汽車的儲能元件沒有大的突破與發展的實際情況下，制動能量回收裝置 可以提高電動汽車的能量利用率，延長電動汽車的行駛里程；（2）電制動與傳統主動相結合，可以減輕傳統制動器的磨損，增長其使用周期，達到降 低成本的目的；（3）可以減少汽車制動器在制動，尤其是緩速下長坡以及滑行過程中產生

25、的熱量，降低 汽車制動器的熱衰退，提高汽車的安全性和可靠性。3. 再生制動系統的結構與原理 （如 P195 圖 5.17 所示），由驅動輪、 主減速器、 變速器、 電動機、AC/DC轉換器、DC/DC轉換器、能量儲存系統以及控制器組成。三、實例 11.Eco-Vehicle 制動控制系統Eco-Vehicle 是日本開發的一款電動車， 該車制動系統使用了傳統制動系統不具有的制動 壓力控制閥單元， 控制單元安裝在主缸和前后制動器之間的液壓回路中， 同時壓力控制閥還 包括主缸壓力傳感器和兩個由制動控制器控制的電磁調節器，如P196圖5.18所示。2本田EV Plus制動控制系統本田EV Plus的制動控制系統與傳統的液壓（氣壓）制動系統有所區別，它使用電動真空泵給制動助力器提供動力源；制動過程中將回收能量傳遞到動力電池中。本田EV Plus的制動控制系統 如P197圖5.19所示。3.豐田 Prius 制動控制系統豐田 P