新能源汽車能量管理的研究

1、 新能源汽車能量管理的研究 摘要：低碳化、節(jié)能降耗是全球汽車產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)方向之一，目前各國(guó)車企正多管齊下，加緊推進(jìn)不同技術(shù)路線的發(fā)展進(jìn)步，隨著我國(guó)油耗排放及雙積分法規(guī)要求的不斷加嚴(yán)，節(jié)能汽車發(fā)展較快，乘用車新車平均油耗逐年下降，不斷向目標(biāo)值靠近；新能源汽車進(jìn)入全新平臺(tái)開(kāi)發(fā)階段，逐步實(shí)現(xiàn)部件協(xié)同化、整車輕量化、整車架構(gòu)高效化。通過(guò)迭代升級(jí)，整車能耗、續(xù)駛里程、智能化應(yīng)用等綜合性能實(shí)現(xiàn)全面進(jìn)步，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力顯著提高，整車部件如何高效協(xié)同、能量如何高效管理與應(yīng)用成為節(jié)能降耗的關(guān)鍵技術(shù)之一。關(guān)鍵詞：新能源汽車；phev；ev；能量管理；能量流；電池管理；熱管理；能量回收1 前言新能源汽車以非傳

2、統(tǒng) 燃料為動(dòng)力源，綜合考慮汽車動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)形成先進(jìn)技術(shù)，形成了先進(jìn)的技術(shù)，新技術(shù)，新結(jié)構(gòu)的汽車。新能源汽車目前主要有插電式混合動(dòng)力汽車（phev）和純電動(dòng)汽車（ev）, 能量管理控制是新能源汽車開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其設(shè)計(jì)的目的是滿足車輛行駛需求前提下，根據(jù)關(guān)鍵部件性能特征與車輛行駛工況，利用新能源汽車的節(jié)能原理和技術(shù)，充分合理的利用能量，發(fā)揮節(jié)能潛力，使整車能效達(dá)到最優(yōu)。本文主要圍繞新能源汽車整車能量流及能量管理展開(kāi)分析。2 能量流概述2.1純電動(dòng)汽車能量流純電動(dòng)汽車（ev）驅(qū)動(dòng)動(dòng)力來(lái)源為動(dòng)力蓄電池，動(dòng)力蓄電池的電能經(jīng)過(guò)配電分配到各個(gè)用電部件，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)、空調(diào)及加熱器等，到驅(qū)動(dòng)電機(jī)后轉(zhuǎn)換成動(dòng)

3、能驅(qū)動(dòng)車輛，到加熱器后轉(zhuǎn)換成熱能給乘員艙加熱；車輛的動(dòng)能可以通過(guò)能量回收模式經(jīng)減速器傳遞至電機(jī)，再到電控轉(zhuǎn)換成電能經(jīng)配電回饋給電池充電。圖1為純電動(dòng)汽車（ev）能量流示意圖。圖1 純電動(dòng)汽車（ev）能量流示意圖2.2插電式混合動(dòng)力汽車（phev）能量流phev車型由于匹配了多動(dòng)力源能量耦合系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和ev車型，能量流更加復(fù)雜，在滿足整車功率需求時(shí)也更具有靈活性。為了合理的對(duì)多動(dòng)力源能量耦合系統(tǒng)進(jìn)行管理，通過(guò)設(shè)置能量管理控制策略對(duì)多動(dòng)力源的功率或轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配、對(duì)機(jī)械制動(dòng)和電能量回收進(jìn)行協(xié)調(diào)，在保證車輛動(dòng)力性、安全性及舒適性的基礎(chǔ)上，提升系統(tǒng)效率，改善車輛的節(jié)能減排性能。圖2為插電式

4、混合動(dòng)力汽車（phev）能量流示意圖。圖2 插電式混合動(dòng)力汽車（phev）能量流示意圖2.3 不同模式能量流分析以插電式混合動(dòng)力汽車（phev）為例，分別分析車輛在不同模式下整車的能量流。2.3.1 純電驅(qū)動(dòng)模式純電驅(qū)動(dòng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，車輛動(dòng)力由動(dòng)力蓄電池提供，再經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，如圖3所示。圖3 純電驅(qū)動(dòng)模式能量流示意圖 圖4 燃油驅(qū)動(dòng)模式能量流示意圖2.3.2 燃油驅(qū)動(dòng)模式燃油驅(qū)動(dòng)模式下，動(dòng)力蓄電池不工作，車輛動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，經(jīng)由變速箱驅(qū)動(dòng)車輛，如圖4所示。2.3.3 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式下，動(dòng)力蓄電池和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，車輛動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力蓄電池提供，兩種動(dòng)力耦合驅(qū)動(dòng)車

5、輛，如圖5所示。圖5 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式能量流示意圖 圖6 能量回收模式能量流示意圖2.3.4 能量回收模式車輛在滑行或制動(dòng)時(shí)，車輛的動(dòng)能可以通過(guò)能量回收模式經(jīng)減速器傳遞至電機(jī)，再到電控轉(zhuǎn)換成電能經(jīng)配電回饋給電池充電，如圖6所示。2.3.5 發(fā)電模式車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電機(jī)給動(dòng)力蓄電池充電，如圖7所示。2.3.6 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下，電機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程能量流如圖7所示。圖7 發(fā)電模式能量流示意圖 圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程能量流示意圖3能量管理3.1電池充放電管理電池是新能源汽車動(dòng)力輸出的核心零部件，由于動(dòng)力蓄電池一般是由多節(jié)單體電芯進(jìn)行串、并聯(lián)組合而成，電芯單體的電壓、內(nèi)阻、溫度

6、等關(guān)鍵參數(shù)一致性差異，所以在充、放電過(guò)程中要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，是保證電池組在安全的工作區(qū)間內(nèi)，在出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)響應(yīng)并進(jìn)行處理，也會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度、電池狀態(tài)及車輛需求等決定電池的充放電功率等。bms的主要功能有控制動(dòng)力電池的輸入輸出功率，電池參數(shù)監(jiān)測(cè)、電量估算、故障診斷、充放電控制、均衡、熱管理等。行車驅(qū)動(dòng)時(shí)，vcu采集油門信號(hào)，判斷扭矩需求，計(jì)算功率需求，發(fā)送指令給bms,bms根據(jù)電池的當(dāng)前狀態(tài)，如soc、溫度、sop、電壓等，計(jì)算電池的輸出能力反饋給vcu，vcu根據(jù)電池的輸出能力發(fā)送允許的驅(qū)動(dòng)功率給mcu，mcu控制電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)車輛，在這個(gè)過(guò)程中，bms需要實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的各項(xiàng)參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整動(dòng)力

7、電池輸出功率，確保動(dòng)力電池在安全的工作區(qū)間。同樣的，車輛在充電時(shí)，bms也需要實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的各項(xiàng)參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整動(dòng)力電池輸入功率。3.2 能量回收能量回收，對(duì)于新能源汽車而言，是指在減速或制動(dòng)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，將車輛的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存于電池中，同時(shí)施加電機(jī)回饋轉(zhuǎn)矩于驅(qū)動(dòng)軸，對(duì)車輛進(jìn)行制動(dòng)。一方面增加了新能源汽車一次充電的續(xù)駛里程，另一方面減少了傳統(tǒng)制動(dòng)器的磨損，同時(shí)還改善了整車動(dòng)力學(xué)的控制性能，對(duì)提升整車經(jīng)濟(jì)學(xué)具有重大意義。3.2.1滑行能量回收車輛處于滑行狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于被反拖發(fā)電的狀態(tài)，vcu根據(jù)電池最大允許充電功率、電機(jī)最大允許回饋扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、高壓附件消耗功率等

8、計(jì)算出動(dòng)力系統(tǒng)最大允許回收扭矩，根據(jù)拖滯阻力矩、損失阻力矩及動(dòng)力系統(tǒng)最大允許回收扭矩計(jì)算得出滑行能量回收扭矩3.2.2制動(dòng)能量回收車輛行駛過(guò)程中，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，vcu根據(jù)制動(dòng)踏板位置與電機(jī)最大允許的制動(dòng)扭矩計(jì)算出司機(jī)所需求的制動(dòng)扭矩，同時(shí)與根據(jù)電池的soc、電壓、電流、最大充電電流和電壓、電池管理系統(tǒng)故障等計(jì)算出電池最大允許的充電功率，以保證整車的功率不能超出電池的最大允許充電功率，根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速得出整車所允許的最大制動(dòng)扭矩,取兩者最小值最終得到電機(jī)制動(dòng)回饋扭矩。圖9 制動(dòng)能量回饋控制策略圖3.3 熱管理目前國(guó)內(nèi)以鋰電池為動(dòng)力的新能源汽車占比逐年增加，鋰電池的工作特性受溫度影響較大，

9、因此新能源汽車對(duì)于工作環(huán)境的溫度要求更加嚴(yán)格。過(guò)高或過(guò)低的環(huán)境溫度將顯著影響車輛的續(xù)航里程以及電池壽命，冬天里程下降嚴(yán)重，夏天控制不當(dāng)甚至?xí)馃崾Ш馄鸹?，新能源汽車相?duì)傳統(tǒng)熱油動(dòng)力的汽車熱管理顯得更為重重。新能源汽車熱管理涉及動(dòng)力電池、成員艙、電機(jī)以及功率模塊等零部件，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，如何合理應(yīng)用整車能量，提升整車經(jīng)濟(jì)效益是一個(gè)復(fù)雜的課題，如下圖10所示，某插電式混合動(dòng)力汽車的熱管理原理圖，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱，給動(dòng)力電池加熱，并且可以給乘員艙制熱，降低了能耗，提升整車經(jīng)濟(jì)性。圖10 新能源汽車熱管理原理圖4、結(jié)束語(yǔ)在不斷加嚴(yán)的汽車燃料消耗、污染物排放以及碳排放控制法規(guī)的背景下，汽車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)正由傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)占絕對(duì)主導(dǎo)的格局，進(jìn)入到諸多技術(shù)并存的動(dòng)力多元化時(shí)代，新能源汽車銷量在逐年提升，同時(shí)，新能源汽車的能耗指標(biāo)要求越來(lái)越高，需要多維度、多方面