《新能源汽車概論》項目三新能源汽車核心技術(shù)任務(wù)三新能源汽車能量管理與回收系統(tǒng)在新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)中，不同形式的能量混合后必須要經(jīng)過能量管理才能有效地向車輛提供動力，能量管理是新能源汽車的核心功能，沒有有效的能量管理就無法實現(xiàn)新能源汽車性能的提升。各種電池多能量的分配控制是一個關(guān)鍵技術(shù)，對汽車經(jīng)濟性、動力性及部件壽命有很大影響，對新能源汽車多能量分配方案的優(yōu)化控制技術(shù)將成為推動新能源汽車發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)。

本任務(wù)主要介紹新能源汽車能量管理與回收系統(tǒng)。ONTENTSC學(xué)習(xí)目標學(xué)習(xí)任務(wù)任務(wù)實施任務(wù)評價知識擴展目標掌握新能源電動汽車的能量管理系統(tǒng)的作用掌握新能源電動汽車的能量管理系統(tǒng)的組成及原理12一、新能源電動汽車的能量管理系統(tǒng)作用能量管理系統(tǒng)：對新能源汽車動力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換裝置的輸出能量進行協(xié)調(diào)、分配和控制的軟、硬件系統(tǒng)。能量管理系統(tǒng)組成：傳感器、控制單元ECU和執(zhí)行元件等。軟件系統(tǒng)的功用：對傳感器的信號進行分析處理，對能量轉(zhuǎn)換裝置的工作狀態(tài)進行優(yōu)化分析、并向執(zhí)行元件發(fā)出指令。新能源汽車能量管理系統(tǒng)的功能：滿足汽車基本技術(shù)性能（如動力性、駕駛平穩(wěn)性等）和成本等要求的前提下，根據(jù)各個能量儲存裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置的特性及汽車的運行工況，實現(xiàn)能量在能量轉(zhuǎn)換裝置（如發(fā)明電機、電機、儲能裝置、功率轉(zhuǎn)換器模塊、動力傳遞裝置、發(fā)電機和燃料電池等）之間按最佳路線流動，使整車的能量利用效率達到最高。一、新能源電動汽車的能量管理系統(tǒng)作用一、新能源電動汽車的能量管理系統(tǒng)作用一、新能源電動汽車的能量管理系統(tǒng)作用動力電池電動汽車能量轉(zhuǎn)換組成內(nèi)燃機/發(fā)電機、動力電池、功率轉(zhuǎn)化器及動力傳遞裝置等能量傳遞路線從動力電池到車輪（行駛）和從車輪到動力電池（能量回收）兩條主要任務(wù)在滿足汽車動力性能需求的前提下，使動力電池儲存能量得到最有效的利用，并能使其汽車的減速和制動能量得到最大限度的回收，使汽車能量達到效率最大純?nèi)剂想姵仉妱悠嚕o儲能裝置的FCV）與動力電池電動汽車類似混合動力燃料電池和混合動力電動汽車能量轉(zhuǎn)換裝置發(fā)電裝置（如內(nèi)燃機/發(fā)電機或燃料電池）、能量儲存裝置（動力電池、超級電容等）、功率變換模塊、動力傳遞裝置、充放電裝置等能量傳遞路線①由發(fā)電裝置到車輪的動力傳動路線；②由動力電池到車輪；③由發(fā)電機裝置到能量儲存裝置；④由車輪到能量儲存裝置（能量回收）的能量流動路線。二、新能源汽車能量管理系統(tǒng)組成及原理1純電動汽車能量管理系統(tǒng)組成及原理系統(tǒng)中各相關(guān)模塊向能量管理系統(tǒng)子單元（ECU）提供的參數(shù)有各電池組的狀態(tài)參數(shù)。（如工作電壓、放電電流和電池溫度等）、車輛運行狀態(tài)參數(shù)（如行駛速度、電動功率等）和車輛操縱狀態(tài)（如制動、啟動、加速和減少等）能量管理系統(tǒng)具有對檢測的狀態(tài)參數(shù)進行實時顯示的功能。ECU對檢測的狀態(tài)參數(shù)按既定的算法和控制策略進行運算和決策，并向電池、電機等發(fā)出合適的控制指令等，實現(xiàn)電池能量的優(yōu)化管理與控制。2混合動力汽車能量管理系統(tǒng)組成及原理二、新能源汽車能量管理系統(tǒng)組成及原理長安混合動力汽車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力源（能量）傳遞路徑有：①由傳統(tǒng)的四缸內(nèi)燃機到輪胎；②由動力電池到輪胎；③由輪胎到動力電池包，在汽車下坡或剎車制動工況時，由集成的發(fā)電機/電機ISG（IntegratedStarterandGenerator）將汽車的再生或制動的能量存儲在動力電池中；④由發(fā)電裝ISG到動力電池包。三、新能源電動汽車的能量回收系統(tǒng)新能源汽車的能量再生制動，簡稱再生制動，是指在車輛減速或制動時，使驅(qū)動電機工作與發(fā)電機工況，將車輛的一部分動能轉(zhuǎn)化為電能并回饋至電源的過程。電動汽車采用再生制動時，驅(qū)動電機運行在發(fā)電狀態(tài)，將汽車的部分動能回饋給動力電池以對其充電，對延長電動汽車的行駛距離是至關(guān)重要的。三、新能源電動汽車的能量回收系統(tǒng)1制動能量回收方法機械制動電氣制動電機制動反節(jié)制動能耗制動回饋發(fā)電制動電氣制動電動汽車的制動電氣制動機械制動三、新能源電動汽車的能量回收系統(tǒng)1制動能量回收方法飛輪儲能：利用告訴旋轉(zhuǎn)的飛輪來儲存和釋放能量。工作原理：當車輛制動或減速時，先將車輛在制動或減速過程中的動能轉(zhuǎn)換位飛輪告訴旋轉(zhuǎn)的動能；當車輛再次啟動或加速時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪又將存儲的動能通過傳動裝置轉(zhuǎn)化為車輛行駛的驅(qū)動力。飛輪式儲能制動能量轉(zhuǎn)換過程示意圖（1）飛輪儲能的工作原理三、新能源電動汽車的能量回收系統(tǒng)1制動能量回收方法（1）飛輪儲能的工作原理內(nèi)燃機：提供驅(qū)動車輛的主要動力。高速儲能飛輪：用來回收制動能量以及作為符合平衡裝置，為內(nèi)燃機提供輔助的功率以滿足峰值功率要求。飛輪儲能式制動能量再生系統(tǒng)示意圖三、新能源電動汽車的能量回收系統(tǒng)1制動能量回收方法（2）液壓儲能工作原理：先將車輛在制動或減速過程中的動能轉(zhuǎn)化成液壓能，并將液壓能儲藏在液壓儲能器中；當車輛再次啟動或加速時，儲能系統(tǒng)又將儲能器中的液壓能以機械能的形式反作用與車輛，以增加車輛的驅(qū)動力。液壓儲能式制動能量再生系統(tǒng)原理圖三、新能源電動汽車的能量回收系統(tǒng)1制動能量回收方法（2）液壓儲能液壓儲能式制動能量再生系統(tǒng)示意圖液壓儲能器中的液壓能通過液壓泵/電機轉(zhuǎn)化為驅(qū)動車輛的動能，用來輔助內(nèi)燃機滿足驅(qū)動車輛所需要的峰值功率。減速時，電控元器件發(fā)出信號，使系統(tǒng)處于儲能狀態(tài)，將動能轉(zhuǎn)化為壓力能儲存在液壓儲能器中，致使車輛行駛阻力增大，車速降低至停車。三、新能源電動汽車的能量回收系統(tǒng)1制動能量回收方法（3）電化學(xué)儲能工作原理：首先將車輛在制動或減速過程中的動能，通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能并以化學(xué)能的形式存儲在儲能器中，當車輛需要啟動或加速時，再將存儲器中化學(xué)能通過電機轉(zhuǎn)化為車輛行駛的動能。電化學(xué)儲能式制動能量再生回收系統(tǒng)原理圖工作過程：當車輛制動時，行車制動系統(tǒng)開始工作，車輛減速制動，電磁離合器結(jié)合，從而接通驅(qū)動軸和變速器的輸出軸。這樣，車輛的動能由輸出軸、離合器、驅(qū)動軸、驅(qū)動輪和從動輪傳到發(fā)電機和飛輪上。制動時的機械能由電機轉(zhuǎn)化為電能，存入動力電池。在發(fā)電機和飛輪回收能量的同時產(chǎn)生負荷作用，作為前輪驅(qū)動的阻力。三、新能源電動汽車的能量回收系統(tǒng)2電動汽車制動能量的回收（1）制動模式中輕度剎車長時間減速剎車急剎車配合機械制動，增大剎車力度，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)最合理的剎車偏重分配。剎車時間短，回收的能量主要儲存在超級電容器中供車輛再次啟動或加速過程的電能。降低電池在啟動和加速時的負擔(dān)。在下坡或長時間滑行時長時持續(xù)的為電池充電，除了輕度剎車的作用外?？杀粡V泛應(yīng)用于山區(qū)和地形不平坦的道路，回收大量的能量。還可以很大程度的減少剎車的負擔(dān)，避免剎車時間過長而引起的熱衰退造成的剎車力不足甚至剎車失靈。代替機械制動產(chǎn)生制動力,使車輛平穩(wěn)減速,提高乘員的舒適度。回收的電能在電容器中儲存滿后開始向電池充電。三、新能源電動汽車的能量回收系統(tǒng)2電動汽車制動能量的回收（2）制動能量回收的約束條件能量回收系統(tǒng)要求：①滿足剎車的安全要求,符合駕駛員的剎車習(xí)慣。②考慮驅(qū)動電機的發(fā)電工作特性和輸出能力。③確保電池組在充電過程中的安全,防止過充。能量回收的約束條件：①根據(jù)電池放電深度的不同，電池可接受的最大充電電流。②電池可接受的最大充電時間。③能量回收停止時電機的轉(zhuǎn)速及與此相對應(yīng)的充電電流值。三、新能源電動汽車的能量回收系統(tǒng)2電動汽車制動能量的回收（3）制動能量回收控制算法功效的評價以初始速度為60km/h的電制動典型過程為例，經(jīng)仿真計算可得，回收能量占車體總動能的65.4％，其余的34.6％為機械剎車和電剎車過程中的損耗。以我國轎車循環(huán)工況為例，考慮到摩擦阻力及各部分效率的問題，回收能量占總耗能的23.3％。以北汽EV160為例，講述新能源電動汽車能量管理與回收系統(tǒng)的電路實訓(xùn)動力電池提供電力給DC/DC轉(zhuǎn)換器，通過DC/DC轉(zhuǎn)換器將電能轉(zhuǎn)換給電機，電機將電能轉(zhuǎn)換位機械能傳輸給車輪。一、新能源電動汽車能量管理系統(tǒng)的電路當車輪減速、制動時使電機減速機械能轉(zhuǎn)化為電能，通過DC/DC轉(zhuǎn)換器將電能轉(zhuǎn)換給電池，用于回收儲存。二、新能源電動汽車制動能量的回收2.下列不是混合動力燃料電池和混合動力電動汽車能量傳遞路線的是（

）。由動力電池到車輪由傳感器到能量儲存裝置由發(fā)電裝置到車輪的動力傳動路線由車輪到能量儲存裝置（能量回收）的能量流動路線BCAD選擇題1.屬于能量管理系統(tǒng)硬件的是（

）。執(zhí)行元件控制單元ECU傳感器動力傳遞裝置CBAD3.下列選項不屬于長安混合動力汽車的動力源（能量）傳遞路徑的是（

）。由傳統(tǒng)的四缸內(nèi)燃機到輪胎由動力電池到輪胎由發(fā)電裝置到車輪的動力傳動路線由發(fā)電裝ISG到動力電池包BCAD選擇題5.下列不是制動能量回收方法的是（

）。液壓儲能超級電容儲能飛輪儲能電化學(xué)儲能CBAD選擇題4.能量回收系統(tǒng)是指一種應(yīng)用中汽車或者軌道交通上的，能夠?qū)⒅苿雍拖禄瑫r產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成（

）,并將其存儲在電容器內(nèi)或為動力電池充電,在使用時可迅速將能力釋放。電能液壓能機械能直流電壓CBAD填空題將空格內(nèi)容填充完整：長安混合動力汽車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)填空題將空格內(nèi)容填充完整：飛輪式儲能制動能量轉(zhuǎn)換過程示意圖電動汽車能量管理系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)況及發(fā)展趨勢蓄電池使用壽命太短1國外能量管理系統(tǒng)硏究現(xiàn)狀荷電狀態(tài)(SOC)和健康狀況(SOH)的估計1目前SOC和SOH估計策略國外有較多的研究。方法主要有傳統(tǒng)的安時積分法和電源的等效電路模型，最近幾年興起的方法有卡爾曼濾波法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、線性模型法及一些其他衍生的算法。針對傳統(tǒng)SOC估計方法的各種不足，在分析動力電池SOC影響因素的基礎(chǔ)上，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及支持向量回歸算法進行了動力電池的SOC和SOH估計研究，并對這兩類算法的估計性能進行了綜合評價。其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法選取了典型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和具有動態(tài)辨識能力的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩類典型算法；支持向量回歸算法采用了它的兩種基本算法：“E-SVR算法和v-SVR算法。結(jié)果表明：該四種方法都能很好地逼近實際值，平均估計誤差都小于2%，滿足實際的要求，但v-SVR算法的平均估計性是最優(yōu)的。Mo-toroh和美國Minnesot大學(xué)合作開發(fā)出的電導(dǎo)測試法，通過測量電池極板表面情況，判定化學(xué)反應(yīng)能力從而確定蓄電池的健康狀態(tài)(SOH)：芙國Midtronics公司開發(fā)的Midtronics電導(dǎo)儀能夠快速簡單制確地測試出電池的健康狀態(tài)(SOH)。電動汽車能量管理系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)況及發(fā)展趨勢蓄電池使用壽命太短1國外能量管理系統(tǒng)硏究現(xiàn)狀電池組的專家診斷系統(tǒng)2徳國MentzerElectronicGmbH和WemerRetzlaff公司聯(lián)合推出了BADICOACH系統(tǒng)，徳國的B.Hauck設(shè)計了BATTMAN系統(tǒng)。BADICHEQ系統(tǒng)由26個蓄電池組成，能夠采集電流、溫度和電壓信號，同時具有數(shù)據(jù)通訊均衡控制和數(shù)據(jù)顯示功能，BADICOACH系統(tǒng)是對BADICIIEQ系統(tǒng)的改進：(a)具有電池診斷相關(guān)功能，對最近個充放電周期的詳細數(shù)據(jù)進行存貯并允許在對電池好壞作判斷時進行快速查找電池基本信息和錯誤使用情況，在安全管理方面顯示最差的單體電池的SOC并提供保護。BATTMAN系統(tǒng)的最大特點是將不同型號動力電池模塊做成一個系統(tǒng)，通過改變硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數(shù)的辦法，來實現(xiàn)對不同型號電池組的管理。美國Aerovironmevt公司開發(fā)了SmartGuard系統(tǒng)(Long-LiftBatteryUsingIntelligentModularControlSystem)：ACPropulsion公司開發(fā)了高性能電池管理系統(tǒng)Batop。SmartGuard系統(tǒng)采用分布式的方式采集電池的溫度和電壓，具有□動過充電監(jiān)控。記錄電池歷史捉供最差單體電池的信息等功能。Batopl系統(tǒng)由中心控制單元和電池監(jiān)控模塊組成，監(jiān)控模塊通過iwowire總線向中心控制單元傳輸各個電池工作信息，中心控制單元收集信息后進行優(yōu)化控制。韓國開發(fā)的SAMSUNGSD1管理系統(tǒng)由檢測單元微處理器、電池單體和平衡單元組成。能夠同時監(jiān)測40個單體電池電流、電壓和溫度信號。并且能實現(xiàn)單體電池之間的均衡。電動汽車能量管理系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)況及發(fā)展趨勢蓄電池使用壽命太短1國外能量管理系統(tǒng)硏究現(xiàn)狀電池組的均衡管理策略3近年，德國、美國、日本等國家對電池組均衡的研究十分活躍，提出了很多拓撲和控制方案。德國KaiserseLautem大學(xué)、美國凌立爾特公司、日本豐田公司等為此開發(fā)了專用芯片，美國intersil公司最近研發(fā)的一系列芯片1SL92OS/W7可以做到最多12節(jié)串聯(lián)的小容量鋰離子電池均衡。加拿大Zader研制的能量管理系統(tǒng)由監(jiān)測模塊、控制器和平衡模塊組成，能夠監(jiān)測電池組溫度和電壓，實現(xiàn)電池組的均衡管理。電動汽車能量管理系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)況及發(fā)展趨勢2國內(nèi)能量管理系統(tǒng)硏究現(xiàn)狀蓄電池使用壽命太短荷電狀態(tài)(SOC)和健康狀況(SOH)的估計1韓雙雙等利用Minimum-Maximum-Barjventer方法，根據(jù)工作電壓，電流之間的關(guān)系來進行模糊推理，以得到最后的SOC值；ZHUCB運用安時計量法通過負載電流的積分估計SOC值；此法簡單易用算法穩(wěn)定，是目前電動汽車上使用最多的SOC估計方法。北京航空航天大學(xué)從2000年開始啟動電池管理系統(tǒng)的研發(fā)工作，研制的鎳氫電池管理系統(tǒng)具有電流電壓及電池箱溫度的采集SOC和SOH估計等功能；力高新能源技術(shù)有限公司采用分布式CAN總線系統(tǒng)構(gòu)建的能量管理系統(tǒng)，研發(fā)出“VmimEKF”算法(精確的SOC估計)和“Dual-EKF"算法（精確的SOC估計）,在算法中多尺度地考慮了電池內(nèi)阻、總?cè)萘?、傳感器漂移等多方面因素，其SOC估算精確度已達到97%以上，在SOH的狀態(tài)變量估計中降低了算的復(fù)雜度且具有較高的精度。王建群等人為BK6I21EV研制的鉛酸電池管理系統(tǒng)以單片機為核心，采用分布式結(jié)構(gòu)，可以實時參數(shù)檢測、故障診斷、危險信號報警和熱管理等功能，有效地管理車輛能量.使車輛效率最大化。電動汽車能量管理系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)況及發(fā)展趨勢2國內(nèi)能量管理系統(tǒng)硏究現(xiàn)狀蓄電池使用壽命太短電池組的專家診斷系統(tǒng)2國內(nèi)對電池組故障診斷也有一定的研究，如春蘭研究院、消華大學(xué)，但大部分處于起步階段。鄭杭波、齊國光以模糊數(shù)學(xué)與模糊診斷原理為基礎(chǔ)，建立了電池組故障診斷模糊專家系統(tǒng)的模型，給出了專家系統(tǒng)所用規(guī)則、歷史檔案數(shù)據(jù)內(nèi)容以及電池組運行性能評估的算法——靜態(tài)SOR評估算法。電動汽車能量管理系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)況及發(fā)展趨勢2國內(nèi)能量管理系統(tǒng)硏究現(xiàn)狀蓄電池使用壽命太短電池組的均衡管理策略3北京交通大學(xué)自1999年起一直致力于電池能量管理系統(tǒng)的研究，形成了涌蓋鉛酸、鎳氫和鋰電池的結(jié)構(gòu)多樣的適應(yīng)不同車型的系列產(chǎn)品，具有單