第5章 新能源汽車的能量管理系統(tǒng)

1、新能源汽車技術(shù)新能源汽車技術(shù)第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)May,2014Page 2第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.1 能源管理系統(tǒng)的作用5.2 純電動汽車能源管理系統(tǒng)5.3 混合動力電動汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.5 動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的方案新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 3第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)能源管理是新能源汽車的核心功能。（1）車輛行駛提出的扭矩需求必須經(jīng)過能源

2、管理模塊，根據(jù)車輛動力混合方式、部件、策略的不同，合理地將能量需求分配到不同的驅(qū)動系統(tǒng)中。（2）各種電池多能源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。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 4第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.1 能源管理系統(tǒng)的作用1.能源管理系統(tǒng)：對新能源汽車動力系統(tǒng)能源轉(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)。硬件：傳感器、控制單元ECU和執(zhí)行元件等組成；軟件：主要是對傳感器的信號進行分析處理，對能源轉(zhuǎn)換裝置的工作狀態(tài)進行優(yōu)化分析，并向執(zhí)

3、行元件發(fā)出指令。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 5第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.1 能源管理系統(tǒng)的作用2.新能源汽車能量管理系統(tǒng)的功能：在滿足汽車基本技術(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)電機、電動機、儲能裝置、功率變換器模塊、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，使整車的能源利用效率達到最高。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicle

4、s，May,2014Page 6第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.1 能源管理系統(tǒng)的作用3.蓄電池電動汽車的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（1）組成：發(fā)動機/發(fā)電機，蓄電池，功率變換模塊，動力傳遞裝置（2）能量傳遞路線： 蓄電池到車輪（行駛） 車輪到蓄電池（能量回收）新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 7第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.1 能源管理系統(tǒng)的作用4.混合動力燃料電池和混合動力電動汽車（1）組成：發(fā)電裝置（如發(fā)動機/發(fā)電機或燃料電池），能量儲存裝置（蓄電池、超級電容

5、等），功率變換模塊，動力傳遞裝置，充放電裝置等。（2）能源傳遞路線： 由發(fā)電裝置到車輪的動力傳遞路線； 由蓄電池到車輪； 由發(fā)電機裝置到能量儲存裝置； 由車輪到能量儲存裝置（能量回收）。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 8第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.2 純電動汽車能源管理系統(tǒng)5.2.1 系統(tǒng)組成圖5.1 純電動汽車能源管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 9第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源

6、汽車的能源管理系統(tǒng)5.2 純電動汽車能源管理系統(tǒng)5.2.2 荷電狀態(tài)指示器與燃油汽車的油量表類似，表征電動汽車蓄電池中儲存的能量和可行駛里程。剩余電量的預測計算：檢測電壓和內(nèi)阻，進而計算電量。在實驗室中，電量預測的精度可達到5%。在電動汽車運行過程中，由于電池放電電流、溫度、電池老化和自放電等因素的影響，其指示精度難以長時間滿足要求。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 10第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.2 純電動汽車能源管理系統(tǒng)5.2.3 電池管理系統(tǒng)（BMS）電池管理系統(tǒng)是能源管理系統(tǒng)的

7、一個子系統(tǒng)。功能：通過實時檢測和估算電池狀態(tài)，并據(jù)此提供電池組的優(yōu)化使用方法。作用：（1）防止電池組出現(xiàn)不合理使用，保障其使用的安全性和長壽命；（2）最大限度地發(fā)揮其性能，提高車輛運行效率、駕駛的舒適性，實現(xiàn)電池容量和能量利用的高效性。續(xù)航里程盡量長。 新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 11第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.2 純電動汽車能源管理系統(tǒng)5.2.3 電池管理系統(tǒng)（BMS）表5.1 蓄電池管理系統(tǒng)的主要任務(wù)新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles

8、，May,2014任 務(wù)測 試 方 式測 試 裝 置防止過充電電壓、電流、溫度測試儀充電器防止過放電電壓、電流、溫度測試儀電動機控制溫度控制及平衡溫度測試儀加熱及制冷裝置、溫度平衡單元能源系統(tǒng)信息提示電壓、電流及溫度、充電狀態(tài)、剩余容量測試儀顯示器電池狀態(tài)測試及顯示電壓、電流、溫度測試儀顯示器、PC、總線分析軟件Page 12第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.2 純電動汽車能源管理系統(tǒng)5.2.3 電池管理系統(tǒng)（BMS）1. 防止蓄電池過充電 在充電期間，BMS連續(xù)測量電池組的各個蓄電池的電壓、溫度等參數(shù)，并能根據(jù)檢測到的參數(shù)調(diào)整充電參數(shù)，控制充電器，并盡量使所

9、有蓄電池的狀態(tài)一致，在充電過程結(jié)束時，應(yīng)能及時停止充電，防止電池過充電。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 13第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.2 純電動汽車能源管理系統(tǒng)5.2.3 電池管理系統(tǒng)（BMS）2. 防止蓄電池過放電 蓄電池過度放電將導致使用壽命縮短。在放電期間，BMS檢測電池的放電狀態(tài)，并控制放電過程，在每個蓄電池深度放電之前，停止放電過程。在放電結(jié)束時，BMS給出電機控制單元的最大放電電流的參考值，使蓄電池的電壓保持在正常的范圍內(nèi)。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New

10、Energy Vehicles，May,2014Page 14第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.2 純電動汽車能源管理系統(tǒng)5.2.3 電池管理系統(tǒng)（BMS）3. 溫度控制及平衡 蓄電池的充電容量對溫度特別敏感，電池組的各蓄電池應(yīng)有相同的溫度。蓄電池管理系統(tǒng)應(yīng)能測量各蓄電池的溫度，并能通過加熱和制冷方式控制蓄電池溫度。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 15第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.2 純電動汽車能源管理系統(tǒng)5.2.3 電池管理系統(tǒng)（BMS）4. 能源系

11、統(tǒng)信息提示 駕駛員需要了解：可行駛的極限里程數(shù)，充電所需的時間等。BMS能檢測蓄電池的剩余容量等，并顯示能源系統(tǒng)的有關(guān)信息。BMS對汽車用電系統(tǒng)進行管理，以達到電能的合理分配和使用，最終實現(xiàn)節(jié)能、增加續(xù)航里程的目的。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 16第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.2 純電動汽車能源管理系統(tǒng)5.2.3 電池管理系統(tǒng)（BMS）5. 電池狀態(tài)測試及顯示 為了保持蓄電池的優(yōu)良性能，BMS應(yīng)實時檢測電池狀態(tài)。（1）預測和顯示剩余容量；（2）計算機對蓄電池信息進行分析，提供電池的

12、診斷、故障分析信息，以便于及時維護和更換。（3）檢測所有特性參數(shù)，為發(fā)現(xiàn)較差的蓄電池提供信息，便于早期發(fā)現(xiàn)容量已衰減的電池并得到及時維護。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 17第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.3 混合動力電動汽車的能源管理系統(tǒng)以長安混合動力汽車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為例動力源（能源）傳遞路徑有：由傳統(tǒng)的四缸電噴發(fā)動機到輪胎；由動力電池到輪胎；由輪胎到動力電池組，在汽車下坡或剎車制動工況時，由集成的發(fā)電機/電機ISG（Integrated Stanter and Generator）將汽

13、車的再生或制動的能量存儲在動力電池中；是由發(fā)電裝置ISG到動力電池組。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 18第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.3 混合動力電動汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 19第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.3 混合動力電動汽車的能源管理系統(tǒng)5.3.1 串聯(lián)式混合動力汽車的能源管理系統(tǒng)串聯(lián)式混合動力汽車的發(fā)電機與汽車行駛工況沒有直接關(guān)系，系統(tǒng)從外界獲

14、取能量的途徑主要有三條：由燃料化學能轉(zhuǎn)換來的能量；由電網(wǎng)充入蓄電池的能量；回收的制動及減速能量。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 20第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.3 混合動力電動汽車的能源管理系統(tǒng)5.3.1 串聯(lián)式混合動力汽車的能源管理系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)的目標：使發(fā)動機在最佳效率區(qū)和排放區(qū)工作，并盡量減少系統(tǒng)本身損耗，以實現(xiàn)最高的能量轉(zhuǎn)換效率。能源管理系統(tǒng)的控制策略：（1）“恒溫器型”控制策略（2）“功率跟蹤型”控制策略（3）綜合控制策略系統(tǒng)新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New

15、Energy Vehicles，May,2014Page 21第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.3 混合動力電動汽車的能源管理系統(tǒng)5.3.1 串聯(lián)式混合動力汽車的能源管理系統(tǒng)（1）“恒溫器型”控制策略也稱開關(guān)型控制策略，其特點是讓發(fā)動機開機后恒定地工作于效率最高點。當SOC=SOCmin時，發(fā)電機工作并向蓄電池充電；當SOC=SOCmax時，發(fā)電機便停止向蓄電池充電。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 22第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.3 5.3 混合動力

16、電動汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 23第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.3 混合動力電動汽車的能源管理系統(tǒng)5.3.1 串聯(lián)式混合動力汽車的能源管理系統(tǒng)（2）“功率跟蹤型”控制策略特點：由發(fā)動機全程跟蹤車輛功率需求，僅在蓄電池SOC=SOCmax且僅由蓄電池提供的功率滿足車輛需求時，發(fā)動機才停止或怠速運行。優(yōu)點：可采用小容量蓄電池，減輕汽車質(zhì)量，減少行駛阻力；系統(tǒng)內(nèi)部損失減小。（蓄電池充放電次數(shù)減少）缺點：發(fā)動機必須工作在較大的工況范圍中運行，發(fā)動機的平均熱效率較低，有害

17、排放較多。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 24第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.3 5.3 混合動力電動汽車的能源管理系統(tǒng)5.3.1 串聯(lián)式混合動力汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 25第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.3 混合動力電動汽車的能源管理系統(tǒng)5.3.1 串聯(lián)式混合動力汽車的能源管理系統(tǒng)（3）綜合控制策略系統(tǒng)在電池的SOC較高時，主要用純電動模式。當電池的SO

18、C降低到設(shè)定的范圍內(nèi)時，發(fā)動機帶動發(fā)電機工作，考慮到發(fā)動機的排放和效率，將其輸出功率嚴格限定在一定的變化范圍內(nèi)。如果能預測到車輛行程內(nèi)的總能量需求，則一旦電池中儲存了足夠的能量，在剩余的行程中車輛就可轉(zhuǎn)換為純電動模式，到了行程終點正好耗盡電池所允許放出的電能。這種控制模式也稱為最佳串聯(lián)混合動力模式。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 26第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.3 混合動力電動汽車的能源管理系統(tǒng)5.3.2 并聯(lián)式混合動力汽車的能源管理系統(tǒng)1.內(nèi)燃機輔助混合動力模式該模式主要利用電池電

19、機系統(tǒng)來驅(qū)動車輛，僅當以較高的巡航速度行駛、爬坡和急加速時才能使內(nèi)燃機開機。優(yōu)點：電驅(qū)動為主，車輛的排放和燃油的消耗減少，同時啟動電機可以取消。缺點：內(nèi)燃機頻繁啟停，與催化轉(zhuǎn)換裝置的溫度達到正常溫度需要一定的時間，熱機過程效率降低，尾氣排放增加。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 27第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.3 混合動力電動汽車的能源管理系統(tǒng)5.3.2 并聯(lián)式混合動力汽車的能源管理系統(tǒng)2.電機輔助混合動力模式 該模式主要利用內(nèi)燃機來驅(qū)動車輛。電機僅在兩種狀態(tài)下使用：一是利用瞬間加速和

20、爬坡需要峰值功率時，可使內(nèi)燃機工作在最高效率區(qū)間，以減少排放和燃油消耗；二是在車輛減速制動時電機被用來回收車輛的動能（再生制動）對電池進行充電。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 28第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.3 混合動力電動汽車的能源管理系統(tǒng)5.3.2 并聯(lián)式混合動力汽車的能源管理系統(tǒng)2.電機輔助混合動力模式 缺點：車輛不具備純電動模式，以及在行駛過程中若經(jīng)常加速，電池的電能消耗到最低限度，則會失去 “電機輔助”能力，駕駛員會感到車輛性能有所降低。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of

21、 New Energy Vehicles，May,2014Page 29第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.3 混合動力電動汽車的能源管理系統(tǒng)5.3.2 并聯(lián)式混合動力汽車的能源管理系統(tǒng)2.電機輔助混合動力模式 新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 30第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.1 燃料電池混合動力汽車能量源特性分析1.燃料電池特性分析下圖為燃料電池帶負荷后的輸出電壓電流特性曲線新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty

22、 of New Energy Vehicles，May,2014Page 31第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.1 燃料電池混合動力汽車能量源特性分析1.燃料電池特性分析變化規(guī)律：在加負荷的起始階段，電壓Vfc下降很快，并且隨著負荷的增加，電流（功率）增大，輸出電壓也隨著曲線比普通電池大得多的斜率R下降。 新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 32第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系

23、統(tǒng)分析5.4.1 燃料電池混合動力汽車能量源特性分析1.燃料電池特性分析燃料電池不太適合作為單一的直接驅(qū)動電源。原因：燃料電池的輸出特性難以滿足汽車加速或爬坡工況的要求；（電流上升，電壓下降）輸出功率波動的頻率較大時，會較大幅度地降低燃料電池的效率，影響動力性。故需要在燃料電池與汽車驅(qū)動之間加入DC/DC變換器作穩(wěn)壓裝置。還有必要引入輔助能源共同供電。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 33第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.1 燃料電池混合動力汽

24、車能量源特性分析2.車輛輔助能源的選擇及其特性分析作為動力電池，需要滿足以下要求：比能量高；比功率大；連續(xù)放電率高，自放電率低；免維護、電池循環(huán)使用壽命長；安全可靠，有利于回收避免污染。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 34第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.1 燃料電池混合動力汽車能量源特性分析2.車輛輔助能源的選擇及其特性分析根據(jù)動力電池的選擇要求，有以下幾種類型可供選擇：鎳氫蓄電池超級電容超高速飛輪新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of Ne

25、w Energy Vehicles，May,2014Page 35第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.1 燃料電池混合動力汽車能量源特性分析2.車輛輔助能源的選擇及其特性分析鎳氫蓄電池具有較高的比能量（6070Wh/kg）、較高的比功率（150250W/kg）、壽命長（5001000次循環(huán)）、材料來源豐富、環(huán)保特性、放電曲線平坦和快速充電性能等優(yōu)點，基本滿足輔助能源的選擇要求。但要注意：確保電池和所連接的整機安全；注意合理的充、放電，尤其要防止過充電。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Ve

26、hicles，May,2014Page 36第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.1 燃料電池混合動力汽車能量源特性分析2.車輛輔助能源的選擇及其特性分析超級電容能夠提供快速的能量釋放，滿足高功率需求（大電流充放電），性能穩(wěn)定，使用壽命較長，是一個很理想的電源。技術(shù)難點：如何維持電壓在要求的范圍內(nèi)。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 37第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4

27、.1 燃料電池混合動力汽車能量源特性分析2.車輛輔助能源的選擇及其特性分析超高速飛輪具有能量高，比功率大的特點。可以使主要能源工作于高效率區(qū)，提高整個系統(tǒng)的能量利用效率。難點在于：在混合動力傳動方案中，飛輪的主要選擇要考慮飛輪殼體和附件的質(zhì)量，合理選擇工作轉(zhuǎn)速范圍，飛輪轉(zhuǎn)子的最大比能量，與主能源和功率輸出裝置一起工作時，滿足飛輪能量效率特性的最佳轉(zhuǎn)子負荷特性設(shè)計等。目前，鎳氫蓄電池能滿足電動汽車的使用要求，有較大的發(fā)展?jié)摿?。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 38第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)

28、5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.2 燃料電池混合動力汽車混合動力結(jié)構(gòu)及方案1.不同的連接結(jié)構(gòu)（1）鎳氫蓄電池組并聯(lián)直連混合方案新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 39第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.2 燃料電池混合動力汽車混合動力結(jié)構(gòu)及方案1.不同的連接結(jié)構(gòu)（2）并聯(lián)混合方案新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 40第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能

29、源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.2 燃料電池混合動力汽車混合動力結(jié)構(gòu)及方案1.不同的連接結(jié)構(gòu)（3）燃料電池并聯(lián)直連混合方案新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 41第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.2 燃料電池混合動力汽車混合動力結(jié)構(gòu)及方案2.能量控制系統(tǒng)組成主要由能量流控制器、燃料電池、Ni-MH電池組、DC/DC變換器和CAN總線等幾個主要部分組成。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energ

30、y Vehicles，May,2014Page 42新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 43第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.2 燃料電池混合動力汽車混合動力結(jié)構(gòu)及方案3.CAN總線控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network,CAN）屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行控制網(wǎng)絡(luò)。CAN總線是為了解決汽車監(jiān)控系統(tǒng)中的諸多復雜技術(shù)和難題而設(shè)計的數(shù)字信號通信協(xié)議，它屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)a

31、culty of New Energy Vehicles，May,2014Page 44第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.2 燃料電池混合動力汽車混合動力結(jié)構(gòu)及方案3.CAN總線特點：CAN總線為多主總線，不分主次，方式靈活；通信介質(zhì)可以用雙絞線、同軸電纜或光纖等；CAN支持優(yōu)先級信息處理，以滿足和協(xié)調(diào)不同的實時性要求；基于優(yōu)先權(quán)的無破壞性仲裁，按優(yōu)先級高低順序通信；新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 45第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)

32、新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.2 燃料電池混合動力汽車混合動力結(jié)構(gòu)及方案3.CAN總線特點：通信速率最高可達1Mb/s(40m)，最長傳遞距離達10km（速率5kb/s）；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點目前可達110個，報文標識符2032種，擴展標準中報文標志符幾乎不受限制；短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，傳輸時間短、抗干擾能力強、檢錯效果好，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在錯誤嚴重的情況下可以自動關(guān)閉輸出功能，脫離網(wǎng)絡(luò)。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 46第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混

33、合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.2 燃料電池混合動力汽車混合動力結(jié)構(gòu)及方案3.CAN總線在汽車行業(yè)中，有著特殊的優(yōu)越性：CAN總線可以很方便地將分布于汽車內(nèi)不同位置的檢測模塊所采集到的信息送給中央處理器進行處理，中央處理器可以方便地通過CAN總線向各控制節(jié)點發(fā)送控制命令，實現(xiàn)對整車的控制；將CAN總線應(yīng)用于汽車控制系統(tǒng)中，有利于促進系統(tǒng)的智能化，提高其可靠性，以獲得較好的性價比。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 47第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析

34、5.4.3 燃料電池混合動力汽車能源管理模式研究1.基于工況的控制策略研究基于道路類型、擁堵水平以及行車趨勢的多個模糊控制規(guī)則子集下的控制思路。從而達到車輛在不同道路狀態(tài)下以及不同駕駛趨勢下都能夠有良好的表現(xiàn)。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 48第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.3 燃料電池混合動力汽車能源管理模式研究2.基于控制對象的控制策略研究按照燃料電池和蓄電池之間分配的控制策略來分，可分為功率跟隨式和開關(guān)式兩種控制模式。功率跟隨式的基

35、本思想是：當電池荷電狀態(tài)在容許范圍內(nèi)時，燃料電池應(yīng)在某一設(shè)定的范圍內(nèi)輸出功率，輸出功率不僅要滿足車輛驅(qū)動的要求，還要為電池組充電，該功率稱為均衡功率（對電池進行了補充使電池在最佳荷電狀態(tài)）。開關(guān)式的基本思路是：對燃料電池氫氣消耗量進行最優(yōu)控制，即以最低氫氣消耗為目標調(diào)節(jié)燃料電池在某一工作點工作，該工作點是整個燃料電池組的最佳效率點。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 49第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.4 燃料電池混合動力汽車能源管理系統(tǒng)分析5.4.3 燃料電池混合動力汽車能源管理模式研究新

36、能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014控制模式控制目標優(yōu) 點缺 點功率跟蹤模式蓄電池處于荷電最佳狀態(tài)蓄電池處于淺循環(huán)充放電工作狀態(tài)；可以延長電池工作壽命；能及時為車輛提供足夠的輔助動力燃料電池的工作點在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，增加對燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的控制難度開關(guān)工作模式燃料電池處于效率最佳狀態(tài)燃料電池工作點固定；不需要考慮蓄電池的充放電狀態(tài)，控制策略設(shè)定相對簡單蓄電池處于較深的充放電循環(huán)，影響電池工作壽命；當SOC較低時可能不能滿足車輛的功率需求，影響車輛的動態(tài)性能Page 50第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)

37、5.5 動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的方案5.5.1 鋰離子電池的外特性鋰離子電池的外特性是指： 鋰離子電池電壓 充放電電流 使用壽命 過充、過放及過溫外特性是研究和開發(fā)動力鋰離子電池充電器及其管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 51第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.5 動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的方案5.5.1 鋰離子電池的外特性1.鋰離子電池電壓鋰離子電池的開路電壓與電池的正負極材料、電池的充放電狀態(tài)有關(guān)。充滿電時的終止充電電壓與電池陽極材料有關(guān)。石墨的陽極材料為4.2V；焦炭的陽極

38、材料為4.1V；鋰離子電池的終止放電電壓為2.52.75V。過充與過放都會影響電池的使用壽命。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 52第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.5 動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的方案5.5.1 鋰離子電池的外特性1.鋰離子電池電壓表5.3 單體鋰離子電池與鎳鎘、鎳氫蓄電池電壓的對比新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014電池種類充電終止電壓/V額定電壓/V放電終止電壓/V鎳鎘蓄電池1.431.21.11鎳氫蓄電池1.431

39、.21.11鋰離子電池4.23.72.75Page 53第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.5 動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的方案5.5.1 鋰離子電池的外特性2.鋰離子電池的充放電電流鋰離子充放電的最大電流都有一定的限制，一般常用的充電率為0.25C，放電率為2C左右。放電電流應(yīng)小于最大放電電流。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 54第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.5 動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的方案5.5.1 鋰離子電池的外特性3.鋰離子電池的使用壽命在使用正確的

40、前提下，容量也會隨著循環(huán)次數(shù)慢慢減少。原因：負極材料（石墨）中的鋰逐漸被電解質(zhì)氧化，造成可使用的鋰離子數(shù)量減少；在循環(huán)中，正極材料的老化，使晶狀結(jié)構(gòu)慢慢遭到破壞，可容納的鋰離子數(shù)目減少。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 55第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.5 動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的方案5.5.1 鋰離子電池的外特性4.鋰離子電池的過充、過放及過溫現(xiàn)象過充：加載鋰離子電池兩端的電壓超過4.5V。如果過充時：（1）負極的石墨嵌入的鋰離子完全飽和，鋰將在負極沉積下來，形成鋰枝晶，使電池的容量減

41、少；（2）電池繼續(xù)從正極抽取過量的鋰離子，造成正極材料的活性降低，也會使電池的容量減小。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 56第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.5 動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的方案5.5.1 鋰離子電池的外特性4.鋰離子電池的過充、過放及過溫現(xiàn)象過放：電池電壓低于放電終止電壓后，仍繼續(xù)放電。如果過放時：電極產(chǎn)生枝晶，電路迅速短路。雖然此時由于電池完全放電，不會造成安全方面的問題，但是電解液已經(jīng)遭到了不可恢復的破壞，不能再繼續(xù)使用了。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New E

42、nergy Vehicles，May,2014Page 57第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.5 動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的方案5.5.1 鋰離子電池的外特性4.鋰離子電池的過充、過放及過溫現(xiàn)象鋰離子電池對溫度有一定要求，電池生產(chǎn)廠家會給出充電溫度范圍、放電溫度范圍及保護溫度范圍。過溫：若超過給定的溫度則發(fā)生過溫。如果過溫時，鋰離子電池中的活性物質(zhì)與電解液可能會發(fā)生化學反應(yīng)，產(chǎn)生過多的熱量，而電解液中存在著可燃的有機溶劑成分，電池溫度將失去控制，越來越高，最終導致電池燃燒，甚至爆炸。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，M

43、ay,2014Page 58第第5 5章章 新能源汽車的能源管理系統(tǒng)新能源汽車的能源管理系統(tǒng)5.5 動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的方案5.5.1 鋰離子電池的外特性4.鋰離子電池的過充、過放及過溫現(xiàn)象鋰離子電池充電過程分兩個階段進行： 先用恒流充電到（4.20.05）V 再用（4.20.05）V的恒壓充電充電電流降到恒流充電電流的1/10倍時，表明電池已充到額定容量的93%或94%，此時可認為基本充滿。若發(fā)生過放現(xiàn)象，則要以恒流充電電流的1/10倍對電池進行預充電，直到其端電壓上升到終止放電電壓以上再進行大電流的恒流充電。新能源汽車技術(shù)，F(xiàn)aculty of New Energy Vehicles，May,2014Page 59第第5