新能源电子教案5-6章

第21讲第5章：电动汽车能量管理与回收系统课前分析：1.教学内容及时间分配电池管理系统0.5学时纯电动及混合动力汽车电池管理系统1.5学时2..教学目的通过本次教学，让学生掌握电动汽车电池管理系统的分类；并了解纯电动及混合动力汽车电池管理系统。3.教学重难点重点：电池管理系统。4.教学方法本教学环节采用理论讲授的方法。5.板书布置详见教学内容教学内容：0.导入回顾上一节讲过的内容导入本节新内容。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。2.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。（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。3.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。（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。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。4.混合动力电动汽车能量管理系统1）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。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，若以发动机作为动力源，则发动机燃油效率较低，并且排放性能很差。因此，关闭发动机，由动力电池提供能量并以电机驱动车辆。但当动力电池的电量较低时，为保护电池，应当切换到行车充电模式。(2)纯发动机模式。在车辆高速行驶等中等负荷时，车辆克服路面阻力运行所需的动力较小，一般情况下主要由发动机提供动力。此时，发动机可工作于高效区域，燃油效率较高。(3)混合驱动模式。在加速或爬坡等大负荷情况下，当车辆行驶所需的动力超过发动机工作范围或高效区时，由电机提供辅助动力同发动机一同驱动车辆。若此时动力电池的剩余电量较低，则转换到纯发动机模式。(4)行车充电模式。在车辆正常行驶等中低负荷时，若动力电池的剩余电量较低，发动机除了要提供驱动车辆所需的动力外，还要提供额外的功率通过电机发电以转换成电能给动力电池充电。(5)再生制动模式。当混合动力电动汽车减速/制动时，发动机不工作，电机尽可能多地回收再生制动能量，剩余部分由机械制动器消耗。(6)怠速/停车模式。在怠速/停车模式中，通常关闭发动机和电动机，但当动力电池剩余电量较低时，需要开启发动机和电机，控制发动机工作于高效区并拖动电机为动力电池充电。5.作业及小结并联式混合动力电动汽车主要蕴含几种工作模式？第22讲第5章：电动汽车能量管理与回收系统课前分析：1.教学内容及时间分配再制动能量回收系统0.5学时再制动能量回收的方法和类型1.5学时2.教学目的通过本次教学，能够掌握再制动能量回收的方法和类型；理解其工作原理。3.教学重难点重点：再制动能量回收系统工作原理。4.教学方法本教学环节采用理论讲授的方法。5.板书布置详见教学内容教学内容：0.导入通过回顾上一节课程导入本节课程。1.电动汽车再生制动能量回收系统再生制动是指电动汽车在减速制动(刹车或者下坡)时将汽车的部分动能转化为电能，转化的电能储存在储存装置中，如各种蓄电池、超级电容和超高速飞轮，最终增加电动汽车的续驶里程。如果储能器已经被完全充满，再生制动就不能实现，所需的制动力就只能由常规的制动系统提供。2.制动能量回收的方法和类型制动能量回收的基本原理是先将汽车制动或减速时的一部分机械能（动能）经再生系统转换（或转移）为其它形式的能量（旋转动能、液压能、化学能等），并储存在储能器中，同时产生一定的负荷阻力使汽车减速制动；当汽车再次启动或加速时，再生系统又将储存在储能器中的能量再转换为汽车行驶所需要的动能（驱动力）。1）制动能量回收方法根据储能机理不同，电动汽车制动能量回收的方法也不同，主要有3种，即飞轮储能、液压储能和电化学储能。飞轮储能是利用高速旋转的飞轮来储存和释放能量，能量转换过程如图所示。当汽车制动或减速时，先将汽车在制动或减速过程中的动能转换成飞轮高速旋转的动能；当汽车再次启动或加速时，高速旋转的飞轮又将存储的动能通过传动装置转化为汽车行驶的驱动力。液压储能是先将汽车在制动或减速过程中的动能转换成液压能，并将液压能储存在液压蓄能器中；当汽车再次启动或加速时，储能系统又将蓄能器中的液压能以机械能的形式反作用于汽车，以增加汽车的驱动力。电化学储能先将汽车在制动或减速过程中的动能，通过发电机转化为电能并以化学能的形式储存在储能器中；当汽车再次启动或加速时，再将储能器中的化学能通过电动机转化为汽车行驶的动能。储能器可采用蓄电池或超级电容，由发电机/电动机实现机械能和电能之间的转换。系统还包括一个控制单元，用来控制蓄电池或超级电容的充放电状态，并保证蓄电池的剩余电量在规定的范围内。2）制动能量回收系统的类型制动能量回收系统的类型因储能方法不同而不同，主要有电能式、动能式和液压式。电能式主要由发电机、电动机和蓄电池或超级电容组成，一般在电动汽车上使用；动能式主要由飞轮、无级变速器构成，一般在公交汽车上使用；液压式主要由液压泵/液压马达、蓄能器组成，一般在工程机械或大型车辆上使用。在电动汽车上采取制动能量回收方法，有如下作用：(1)在目前电动汽车的储能元件没有大的突破与发展的实际情况下，制动能量回收装置可以提高电动汽车的能量利用率，延长电动汽车的行驶里程；(2)电制动与传统主动相结合，可以减轻传统制动器的磨损，增长其使用周期，达到降低成本的目的；(3)可以减少汽车制动器在制动，尤其是缓速下长坡以及滑行过程中产生的热量，降低汽车制动器的热衰退，提高汽车的安全性和可靠性。再生制动系统的结构由驱动轮、主减速器、变速器、电动机、AC/DC转换器、DC/DC转换器、能量储存系统以及控制器组成。①Eco-Vehicle制动控制系统Eco-Vehicle是日本开发的一款电动车，该车制动系统使用了传统制动系统不具有的制动压力控制阀单元，控制单元安装在主缸和前后制动器之间的液压回路中，同时压力控制阀还包括主缸压力传感器和两个由制动控制器控制的电磁调节器。②本田EVPlus制动控制系统本田EVPlus的制动控制系统与传统的液压（气压）制动系统有所区别，它使用电动真空泵给制动助力器提供动力源；制动过程中将回收能量传递到动力电池中。③丰田Prius制动控制系统丰田Prius是丰田汽车公司研制的一款混合动力轿车，它的制动系统包括能量回收制动和液压制动，能量回收制动由整车ECU控制，液压制动则是由制动控制器控制。④再生—液压混合制动系统它只在前轮上进行制动能量回收，前轮上的总制动力矩大小等于电机产生的再生制动力矩与机械制动系统产生的摩擦制动力矩的和。6.作业及小结电动汽车上采取制动能量回收方法有何作用？第23讲第6章：电动汽车充电技术课前分析：1.教学内容及时间分配电动汽车充电装置0.5学时电动汽车充电方法和方式1.5学时2.教学目的通过本次教学，能够掌握电动汽车充电装置的组成；并掌握各种充电方法和充电方式。3.教学重难点重点：充电方法和充电方式4.教学方法本教学环节采用理论讲授的方法。5.板书布置详见教学内容教学内容：0.导入通过回顾上一节课程导入本节课程。1.电动汽车充电装置电动汽车产业能否得到快速发展，充电技术是关键因素之一。智能、快速的充电方式成为电动汽车充电技术发展的趋势。蓄电池充电装置是电动汽车不可缺少的系统之一，它的功能是将电网的电能转化为电动车车载蓄电池的电能。2.电动汽车对充电装置的要求（1）安全性。电动汽车充电时，要确保人员的人身安全和蓄电池组的安全。（2）使用方便。充电装置应具有较高的智能性，不需要操作人员过多干预充电过程。（3）成本经济。成本经济、价格低廉的充电设备有助于降低整个电动汽车的成本，提高运行效益，促进电动汽车的商业化推广。（4）效率高。高效率是对现代充电装置最重要的要求之一，效率的高低对整个电动汽车的能量效率具有重大影响。（5）对供电电源污染要小。采用电力电子技术的充电设备是一种高度非线性的设备，会对供电网及其它用电设备产生有害的谐波污染，而且由于充电设备功率因数低，在充电系统负载增加时，对其供电网的影响也不容忽视。3.电动汽车充电装置的类型电动汽车充电装置的分类有不同的方法。总体上可分为车载充电装置和非车载充电装置。车载充电装置是指安装在电动汽车上的采用地面交流电网或车载电源对电池组进行充电的装置。包括车载充电机、车载充电发电机组和运行能量回收充电装置。它将一根带插头的交流动力电缆线直接插到电动汽车的插座中给电动汽车充电。车载