电动汽车能量管理与回收系统

第1页电动汽车电池能量管理系统的功能1.1对能量的检测功能电动汽车在行车过程中，该系统能随时对车辆的能耗进行计算，最终给出该电池箱内电池模块剩余的电池能量值，并通过剩余能量计将数据显示出来，使驾驶人员知道车辆的续驶里程,以便决定如何行驶.在能量允许的条件下使车辆行驶到具有充电功能的地方，补充电量防止半路抛锚。1.2对电池工作状态的监测与控制功能电池能量管理系统按电池箱内安装的传感器提供的信号对电池进行管理。一般情况下，电池箱内有温度传感器及电压、电流和内阻的测量值。由于温度的变化对其他参数都有影响，所以一般都以电池模块的温度来做为控制的指令信号，将测得的温度值与事先设定的温度值进行比较，决定对电池冷却与否。电动汽车能源是很宝贵的，应尽量采用节能元件，所以电池箱内的冷却风扇一般都是采用分级参与工作。这样能做到在保证电池性能的条件下尽量使用小排量的风扇。当级风扇工作后尚不能达到要求的温度时，级冷却风扇才参与工作，加强冷却。此时电池箱内的温度如果还不能达到要求的工作条件，温度继续升高已达到影响电池模块的正常工作条件，为保护电池模块不受损坏，能量管理系统会发出停止电池模块供电的指令，强行车辆停驶。当电池在充电状态下，能量管理系统会强令充电机停止充电而不损坏电池，由维修人员进行检测排除故障。1.3保证充电功能电池能量管理系统随时参与整车检测工作，检测电池的工作状态，尤其对每只电池的技术状态进行检测分析，将检测的数据在车辆停驶，充电之前“通知”充电机，即“车与机”的对话。告诉充电机，电池组的工作状态及每只电池的技术状态，“落后”电池和“先进”电池性能差异。此时充电机应当采用什么样的充电模式给电池充电，才能达到给电池充足，性能好的电池不能过充，而性能差的电池又能充足，保证整车能量的供应。在放电过程中保证性能差的电池不能过放，这一点应当是电池能量管理系统最重要的功能之一。1.4DC—DC、DC—AC转换功能如果车辆安装辅助电池，电池能量管理系统应能控制动力电池随时给辅助电池模块充电，保证辅助电池模块的供电功能即DC—DC的转换功能，保证低压系统的正常工作。当应用异步电机时，电池能量管理系统尚有DC—AC的转换功能保证电动汽车的正常运行。1.5解决性能一致性的保护功能如果在电池箱的线路内装置了由于电池性能一致性偏差引起某个电池性能变化很大，达到影响系统工作，或该电池受到损坏威胁时，两个电池之间有旁通线路并有控制模块时，电池管理系统应指令模块功能启动，进行补偿，又能保证系统在偏低电压状态下维持工作以便维修。1.6监测记录控制功能在电池工作状态下（充、放电）对电池模块的工作性能、安全性能进行监测，并对有关参数做记录，内存或进行提示、警告或指令停车、停机（充电），即对过压、过流、欠压、绝缘等提出警示、警告与控制功能。第2页使用电池能量管理系统必备的条件2.1电池模块方面的要求2.1.1电池模块应具备足够的使用寿命、可靠性和工作的稳定性大家都知道汽车是一种设计很紧凑的机-电—体化的产品。电动汽车的紧凑性更加突出、电动汽车给安装电池箱留有的空间有限，有时会造成接近性很差，加上电池质量很大，拆-卸很不方便，不能随时进行拆卸。所以要求应用的电池具有极好的使用寿命和可靠性，使其减少维护的频次、减少拆卸电池的次数给安装电池能量管理系统创造条件。电池能量管理系统一个重要的功能是对剩余能量的计算，如应用的电池性能不稳定、可靠性很差，电池模块在工作中的性能难于进行SOC的估算，另外各种变化条件（温度、湿度、放电条件等）对电池模块的影响都造成对SOC影响，所以从剩余能量估算角度分析要求电池模块的性能要稳定。第3页2.1.2电池性能的一致性达到控制要求电池能量管理的控制参数是由电池箱参与工作的电池模块采样的，而控制参数并非每个电池都要采样，否则参数量很大，不便管理，难于安装。一般都在电池箱内不同区域里采取最有代表性的电池模块，某些性能参数（比如温度）作为控制参数，在经过计算对比后发布控制执行指令，执行各种控制功能，所以说被选择采样电池模块的性能参数量值上应能代表其他没被采样电池模块的性能，否则的话，它就失去代表的意义。这时发出的指令不具备合理性，达不到对电池箱内电池模块的能量管理的目的。比如电池箱中电池模块间的性能差异较大，每个电池模块都不具备代表整箱电池模块性能就难以取得可信的控制参数。所以说，用于电池能量管理的电池模块其性能间的差异，即电池模块的间性能一致性差异必须在一定的范围之内，这样用哪一个电池模块作为采样电池都具备条件，都具有代表性。2.2.1电池模块用的电池箱为达到对电池进行能量管理的目的，电池模块必须装在一个箱内，该箱应具备一定条件：（1）电池箱必须是密封的。除必需的通风孔外均不能与大气相通。密封箱内的要求主要考虑电池冷却气流的流动问题，不许在某处泄漏，避免冷却气流的流动性差造成电池模块工作温度的不一致，从而导致性能的一致性进一步的恶化。（2）电池箱形状应达到与电池模块布置形状相适应。当冷却系统工作时，冷却风扇提供的冷却气流能均匀地流过每个电池模块周围，箱内不能形成气流的“死区”和涡流的存在，保证电池模块工作过程中温度均匀、性能一致，防止个别电池模块早期损坏。（3）电池箱应做到内部与电池的绝缘，外部与车身的绝缘，防止电池与车身绝缘电阻低下而影响系统工作，发生不安全事故。（4）在电池模块安装条件下尽量减少电池模块自行放电的条件。第4页2.2.2冷却风扇空气进口的选择电池能量管理系统，无论在充电或放电过程中它都存在工作的可能性，即它应具备全天候工作的条件。所以电池能量管理系统冷却空气进口的选择就十分重要。它要保证进入电池箱内的空气是清洁的即要求防尘和防雨水进入电池箱内。如果防尘和防雨措施做得不好，会有灰尘脏物和雨水进入电池箱内，这样会造成电池模块间的爬电，自放电量的增加，电池箱与车身绝缘阻值的下降，严重时会造成电池模块的短路，这是很危险的。此时管理系统会发出指令，停止车辆行驶或停止充电，而影响车辆的运行。实际应用也说明了这一点能量管理系统冷却空气进口位置的选择十分重要，具体选在何处应由汽车设计者根据整车的总布置来决定。2.2.3电池冷却空气的提供方式（吸风或排风）的选择电池箱排气口的选择十分重要，排气口位置的选择正常与否会影响电池箱内冷却风扇的工作性能，选择得正确会有助于冷却风扇的工作。如何利用汽车前进时在电池箱某部造成的，负压区，加速电池箱内气体的排除也是值得考虑的一个问题。2.2.4充电条件下对电池模块的冷却电动汽车尤其是纯电动汽车的电能补充都是在汽车停驶时依赖外源进行充电。从蓄电池的工作状态来分析其放热量最大的时候是充电状态下而不是放电状态下，充电时往往要求对电池模块加强冷却，这时一般都是汽车停驶状态。汽车停驶时一般汽车仪表用辅助电源均处于停电状态下，而此时的电池管理系统须供电使其具有指令的功能，保证电池模块的冷却条件，有的电动汽车忽略这一点，在停车时辅助电源由钥匙开关控制，全部停止供电是不行的，电池管理系统的电源应当处于常闭状态，电动汽车停驶时也应有电源供应，保证管理系统的正常工作。第5页第6页电动汽车的能量管理与回收系统3.1电动汽车能量管理系统3.1.1电池管理系统的功能3.1.2纯电动汽车能量管理系统3.1.3混合动力电动汽车能量管理系统3.2电动汽车再生制动能量回收系统3.2.1制动能量回收的方法和类型3.2.2电动汽车的制动能量回收系统第7页3.1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8页3.1.1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9页3.1.1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10页3.1.2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11页3.1.2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12页3.1.2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13页3.1.2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。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第14页3.1.2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15页3.1.2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。-+-+2.5VLEM输入AD输入R2R1第16页3.1.2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