电动汽车的能源管理系统与辅助装置

• 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。
• 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。
• 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
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（Controller Area Network） 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。
• （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 图8-3柏林大学设计的电池管理系统总体结构 统。
• 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。
• 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。
Baidu Nhomakorabea
• 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。
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。
• （2）电池状态估计 电池状态估计包括 SOC （state of charge）和 SOH（state of health） 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。
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）。
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。
• 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
• 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。
• 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。
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。
• 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。
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
第八章 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
• 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。
• 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。
• 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
（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。
• （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。
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。