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)長期關注的關鍵技術方向之一，目前各國車企正多管齊下，加緊推進不同技術路線的發(fā)展進步，隨著我國油耗排放及雙積分法規(guī)要求的不斷加嚴，節(jié)能汽車發(fā)展較快，乘用車新車平均油耗逐年下降，不斷向目標值靠近；新能源汽車進入全新平臺開發(fā)階段，逐步實現(xiàn)部件協(xié)同化、整車輕量化、整車架構高效化。通過迭代升級，整車能耗、續(xù)駛里程、智能化應用等綜合性能實現(xiàn)全面進步，產(chǎn)品競爭力顯著提高，整車部件如何高效協(xié)同、能量如何高效管理與應用成為節(jié)能降耗的關鍵技術之一。關鍵詞：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) 燃料為動力源，綜合考慮汽車動力控制和驅動形成先進技術，形成了先進的技術，新技術，新結構的汽車。新能源汽車目前主要有插電式混合動力汽車（phev）和純電動汽車（ev）, 能量管理控制是新能源汽車開發(fā)的關鍵技術之一，其設計的目的是滿足車輛行駛需求前提下，根據(jù)關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，充分合理的利用能量，發(fā)揮節(jié)能潛力，使整車能效達到最優(yōu)。本文主要圍繞新能源汽車整車能量流及能量管理展開分析。2 能量流概述2.1純電動汽車能量流純電動汽車（ev）驅動動力來源為動力蓄電池，動力蓄電池的電能經(jīng)過配電分配到各個用電部件，如驅動電機、空調及加熱器等，到驅動電機后轉換成動

3、能驅動車輛，到加熱器后轉換成熱能給乘員艙加熱；車輛的動能可以通過能量回收模式經(jīng)減速器傳遞至電機，再到電控轉換成電能經(jīng)配電回饋給電池充電。圖1為純電動汽車（ev）能量流示意圖。圖1 純電動汽車（ev）能量流示意圖2.2插電式混合動力汽車（phev）能量流phev車型由于匹配了多動力源能量耦合系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車和ev車型，能量流更加復雜，在滿足整車功率需求時也更具有靈活性。為了合理的對多動力源能量耦合系統(tǒng)進行管理，通過設置能量管理控制策略對多動力源的功率或轉矩進行分配、對機械制動和電能量回收進行協(xié)調，在保證車輛動力性、安全性及舒適性的基礎上，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、混合動力汽車（phev）能量流示意圖。圖2 插電式混合動力汽車（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 純電驅動模式純電驅動模式下，發(fā)動機不工作，車輛動力由動力蓄電池提供，再經(jīng)電機驅動車輛，如圖3所示。圖3 純電驅動模式能量流示意圖 圖4 燃油驅動模式能量流示意圖2.3.2 燃油驅動模式燃油驅動模式下，動力蓄電池不工作，車輛動力由發(fā)動機提供，經(jīng)由變速箱驅動車輛，如圖4所示。2.3.3 混合動力驅動模式混合動力驅動模式下，動力蓄電池和發(fā)動機同時工作，車輛動力由發(fā)動機和動力蓄電池提供，兩種動力耦合驅動車

5、輛，如圖5所示。圖5 混合動力驅動模式能量流示意圖 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時，車輛的動能可以通過能量回收模式經(jīng)減速器傳遞至電機，再到電控轉換成電能經(jīng)配電回饋給電池充電，如圖6所示。2.3.5 發(fā)電模式車輛在靜止狀態(tài)下，發(fā)動機帶動電機給動力蓄電池充電，如圖7所示。2.3.6 發(fā)動機啟動車輛在靜止狀態(tài)下，電機帶動發(fā)動機啟動過程能量流如圖7所示。圖7 發(fā)電模式能量流示意圖 圖8 發(fā)動機啟動過程能量流示意圖3能量管理3.1電池充放電管理電池是新能源汽車動力輸出的核心零部件，由于動力蓄電池一般是由多節(jié)單體電芯進行串、并聯(lián)組合而成，電芯單體的電壓、內(nèi)阻、溫度

6、等關鍵參數(shù)一致性差異，所以在充、放電過程中要進行實時監(jiān)控，是保證電池組在安全的工作區(qū)間內(nèi)，在出現(xiàn)異常時及時響應并進行處理，也會根據(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力電池的輸入輸出功率，電池參數(shù)監(jiān)測、電量估算、故障診斷、充放電控制、均衡、熱管理等。行車驅動時，vcu采集油門信號，判斷扭矩需求，計算功率需求，發(fā)送指令給bms,bms根據(jù)電池的當前狀態(tài)，如soc、溫度、sop、電壓等，計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)送允許的驅動功率給mcu，mcu控制電機輸出驅動車輛，在這個過程中，bms需要實時監(jiān)控電池的各項參數(shù)，動態(tài)調整動力

7、電池輸出功率，確保動力電池在安全的工作區(qū)間。同樣的，車輛在充電時，bms也需要實時監(jiān)控電池的各項參數(shù)，動態(tài)調整動力電池輸入功率。3.2 能量回收能量回收，對于新能源汽車而言，是指在減速或制動過程中，驅動電機工作于發(fā)電狀態(tài)，將車輛的部分動能轉化為電能儲存于電池中，同時施加電機回饋轉矩于驅動軸，對車輛進行制動。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)制動器的磨損，同時還改善了整車動力學的控制性能，對提升整車經(jīng)濟學具有重大意義。3.2.1滑行能量回收車輛處于滑行狀態(tài)時，驅動電機處于被反拖發(fā)電的狀態(tài)，vcu根據(jù)電池最大允許充電功率、電機最大允許回饋扭矩、電機轉速、高壓附件消耗功率等

8、計算出動力系統(tǒng)最大允許回收扭矩，根據(jù)拖滯阻力矩、損失阻力矩及動力系統(tǒng)最大允許回收扭矩計算得出滑行能量回收扭矩3.2.2制動能量回收車輛行駛過程中，當駕駛員踩下制動踏板時，vcu根據(jù)制動踏板位置與電機最大允許的制動扭矩計算出司機所需求的制動扭矩，同時與根據(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)電機的轉速得出整車所允許的最大制動扭矩,取兩者最小值最終得到電機制動回饋扭矩。圖9 制動能量回饋控制策略圖3.3 熱管理目前國內(nèi)以鋰電池為動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、因此新能源汽車對于工作環(huán)境的溫度要求更加嚴格。過高或過低的環(huán)境溫度將顯著影響車輛的續(xù)航里程以及電池壽命，冬天里程下降嚴重，夏天控制不當甚至會引起熱失衡起火，新能源汽車相對傳統(tǒng)熱油動力的汽車熱管理顯得更為重重。新能源汽車熱管理涉及動力電池、成員艙、電機以及功率模塊等零部件，是一個復雜的系統(tǒng)，如何合理應用整車能量，提升整車經(jīng)濟效益是一個復雜的課題，如下圖10所示，某插電式混合動力汽車的熱管理原理圖，充分利用發(fā)動機余熱，給動力電池加熱，并且可以給乘員艙制熱，降低了能耗，提升整車經(jīng)濟性。圖10 新能源汽車熱管理原理圖4、結束語在不斷加嚴的汽車燃料消耗、污染物排放以及碳排放控制法規(guī)的背景下，汽車產(chǎn)品結構正由傳統(tǒng)內(nèi)燃機占絕對主導的格局，進入到諸多技術并存的動力多元化時代，新能源汽車銷量在逐年提升，同時，新能源汽車的能耗指標要求越來越高，需要多維度、多方面