混合動力電動車能源管理系統(tǒng)的分析

孫巍

摘 要：當(dāng)今世界，經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對出行工具及交通工具的需求量增加。而隨著電動車數(shù)量和性能指標(biāo)都各不相同。如何在滿足更多用戶要求下盡可能延長電池使用壽命、減少排放污染環(huán)境成為一大難題。因此設(shè)計(jì)了混合動力電動汽車系統(tǒng)來取代純化學(xué)能發(fā)電設(shè)備是必然趨勢。本文首先講了混合動力電動車能源管理系統(tǒng)，接著闡述了混合動力電動車能源管理系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，最后提出了混合動力電動車能源管理系統(tǒng)模型的建立。

關(guān)鍵詞：混合動力 電動汽車 能源管理

混合動力電動車是指以兩種及以上車型為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)并采用不同驅(qū)動系統(tǒng)共同協(xié)作工作模式（包括純電動和電池供應(yīng)式）的一種汽車類型。這種混聯(lián)行駛方式可以有效解決傳統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性差、排放污染大，污染嚴(yán)重這一問題。混合動力電動車是未來汽車行業(yè)發(fā)展的方向，混聯(lián)行駛方式可以有效解決傳統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性差、排放量差、污染嚴(yán)重這一問題。混合動力電動車系統(tǒng)的開發(fā)是以環(huán)保、節(jié)能為目的，它具有可充電性和快速響應(yīng)特性。混合動力電動車的能源管理方案是一種可以有效地利用現(xiàn)有資源減少污染、提高經(jīng)濟(jì)效益，滿足電動汽車發(fā)展和使用要求的新技術(shù)解決方案。它通過對能量管理系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)使其性能得到改善。因此研發(fā)基于混聯(lián)行駛方式下電池管理系統(tǒng)對減少污染排放以及電動汽車發(fā)展都有重要意義[1]。

1 混合動力電動車能源管理系統(tǒng)簡介

1.1 混合動力電動車能源管理系統(tǒng)概述

混合動力電動車系統(tǒng)由燃料電池組、多回路的控制策略及驅(qū)動電路組成。它具有多種優(yōu)點(diǎn)包括：能量管理效率高，可大幅度提高行使電量使用率；節(jié)能降耗效果顯著，能夠滿足不同工況下對電動汽車所需功率和轉(zhuǎn)矩要求；有良好制動性能以及減少尾氣排放污染；燃料經(jīng)濟(jì)性好，而且來源廣泛（主要指減少汽油、柴油的消耗）等特點(diǎn)。混合動力電動車系統(tǒng)由車載電源、蓄電池組及控制電路組成[2]，同時在汽車正常工作狀態(tài)下保證足夠功率輸出，以滿足電動小車及各種類型車輛續(xù)航里程和節(jié)能減排的目標(biāo)。因此需要一套能夠根據(jù)不同工況條件實(shí)時控制燃料消耗量，并使之穩(wěn)定化的能源管理系統(tǒng)（EPC）作為該混合動力電動車能控汽油機(jī)以及尾氣排放污染減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)所需的關(guān)鍵技術(shù)工具。由于電池組的能量管理模式會對其可充電特性造成影響，且蓄電池具有充放電時間間隔短、循環(huán)使用壽命受限制等缺點(diǎn)。所以在設(shè)計(jì)和開發(fā)混合動力電動車能源管理系統(tǒng)時需要考慮到以上諸多因素。

1.2 國內(nèi)外能源管理系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r

在20世紀(jì)80年代，國外就已經(jīng)有了混合動力電動汽車的研發(fā)，并通過對其性能、能源管理技術(shù)等方面來進(jìn)行分析，最終提出可行性較好的產(chǎn)品。目前主要是兩種類型：一是純電池式混合動力系統(tǒng)；二是燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。美國是最早開始研究和使用這種系統(tǒng)的國家，以及德國都是很早就對于這項(xiàng)課題有所了解，并且投入大量人力物力財(cái)力去做了深入細(xì)致地研究工作。日本在1992年對其技術(shù)上有突破性創(chuàng)新，成功推出了世界上第一臺混合動力電動汽車。中國在20世紀(jì)90年代中期才開始進(jìn)行商業(yè)化的電池生產(chǎn)計(jì)劃，雖然是以純電動車為主，但是因?yàn)槠湫罾浼夹g(shù)還不夠完善成熟、充電效率也還有待提高等原因?qū)е露唐趦?nèi)我國市場容量有限。但隨著時間推移和實(shí)驗(yàn)條件不斷改善以及國家政策調(diào)控一系列使得國內(nèi)產(chǎn)品性能有了很大提升，同時伴隨經(jīng)濟(jì)效益明顯增強(qiáng)優(yōu)勢顯著增加，使中國混合動力電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速加快[3]。

1.3 混合動力電動車能源管理系統(tǒng)特點(diǎn)

能源管理系統(tǒng)是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)在現(xiàn)代社會中應(yīng)用，它以控制發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)和機(jī)械制造等相關(guān)單元實(shí)現(xiàn)自動化管理。其主要由可再生新能量汽車及電池組成。利用環(huán)境友好型智能工具代替人工繁雜冗余操作。與傳統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性相比混合動力電動車能更有效地減少尾氣排放量：一是可以通過改變油門啟閉的方式達(dá)到節(jié)能減排；二是根據(jù)電動勢場分布，合理安排蓄電池組容量和使用壽命等控制技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)能量管理的智能化；三是可以根據(jù)不同用戶對電池組容量和充電時間等控制要求，通過調(diào)節(jié)能源管理系統(tǒng)中蓄電端電壓、輸出功率大小以及用電量來控制電路設(shè)計(jì)。而目前，混合動力電動汽車的能源管理主要是采用車載電源，將汽油、柴油等各種燃料通過能量轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)化成機(jī)械能儲存在電池中。這樣就減少了對蓄電池的過度使用，保護(hù)了環(huán)境，同時也為電動汽車提供更加綠色環(huán)保、節(jié)能節(jié)電和低碳發(fā)展等優(yōu)勢。

2 混合動力電動車能源管理系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 混合動力電動車能源管理系統(tǒng)的要求

1、優(yōu)化性能：系統(tǒng)必須支持多臺電機(jī)的輸出和汽車自身具有良好的動態(tài)響應(yīng)速度。因此要求其能滿足車載電源、電池及其控制系統(tǒng)之間與所有用電設(shè)備處于最佳匹配狀態(tài)。在保證車輛能夠正常駕駛且爬坡能力較強(qiáng)時，可采用不同類型發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，以減少燃油消耗、延長車速以及提高行駛安全性等目標(biāo)為目的；同時，還要求其能滿足不同發(fā)動機(jī)功率輸出特性的控制。

2、在確保車載電源、電池及控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定和能夠?qū)崿F(xiàn)整車快速響應(yīng)時。該系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：對所有用電動車組動站的均衡持續(xù)時間設(shè)定值；車輛啟動與制動能量回收利用進(jìn)行管理并調(diào)整等任務(wù)；車輛加速或減速狀態(tài)下所能允許最大爬坡度，以減少駕駛員由于疲勞導(dǎo)致汽車動力性降低產(chǎn)生意外傷害。

3、該系統(tǒng)應(yīng)具有車輛的維護(hù)與管理功能。能夠?qū)崟r記錄所需數(shù)據(jù)，并對汽車進(jìn)行控制；能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，減少燃料消耗。

4、該系統(tǒng)應(yīng)具有路況檢測、節(jié)能降耗和故障報(bào)警功能。能實(shí)時顯示當(dāng)前混合動力電動汽車運(yùn)行狀態(tài)信息，并將所行駛車速設(shè)定值與駕駛能量給定限值進(jìn)行對比分析，選擇最佳的車輛加速/減速轉(zhuǎn)速。

2.2 混合動力電動車能源管理系統(tǒng)的構(gòu)成

1、電池管理系統(tǒng)：系統(tǒng)采用全方面的控制策略，包括了：自檢、報(bào)警和能量管理。在充電過程中，根據(jù)蓄電池容量實(shí)時檢測充放電狀態(tài)；當(dāng)蓄電時間達(dá)到時自動斷開電源并停止工作。

2、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)：通過對環(huán)境條件進(jìn)行分析以及對電動汽車運(yùn)行工況信息收集后轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)確可靠地電壓及電流等參數(shù)計(jì)算出來，為下一步控制策略的制定提供依據(jù)和基礎(chǔ)。在能量管理中，主要是通過電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對電動汽車輸出功率、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和溫度等參數(shù)進(jìn)行管理。

3、能量監(jiān)控及控制：根據(jù)蓄能存儲狀態(tài)監(jiān)測各組充電方式和調(diào)整策略，如電流快速變化或電壓升降失常時及時檢測出來；當(dāng)異常情況發(fā)生會立即報(bào)警。

2.3 混合動力電動車能源管理系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)上述所構(gòu)建的混合動力電動汽車能源管理系統(tǒng)方案，我打算用數(shù)學(xué)模型來建立一個包含能量管理、電池壽命監(jiān)測與再生檢測等子系統(tǒng)在內(nèi)的完整系統(tǒng)。其中當(dāng)涉及到電壓穩(wěn)定控制時和功率因數(shù)校正子模塊（該功能由霍爾元件實(shí)現(xiàn)）。因?yàn)樵诒疚闹胁捎玫氖羌冏栊哉{(diào)壓電源，設(shè)計(jì)方法所以需要搭建一套可以對整個充電過程進(jìn)行監(jiān)控并能自我調(diào)節(jié)，且可控的模型；當(dāng)涉及到轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)時，則需要搭建該系統(tǒng)內(nèi)部控制子模塊（該控制器由單片機(jī)和外部中斷組成），其功能主要為：能量采集、檢測轉(zhuǎn)矩測量與功率因數(shù)校正。

3 混合動力電動車能源管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)

3.1 軟件開發(fā)介紹

針對混合動力電動汽車的能源管理系統(tǒng)，可以選擇了C語言編程，它有很多優(yōu)點(diǎn)：它可以提供一個完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)來分析其性能。所以它能夠很好地完成各種復(fù)雜運(yùn)算。而且在編寫程序時也不需要考慮到算法和內(nèi)存分配問題以及控制算法等其他方面因素，就能實(shí)現(xiàn)對電池管理模式、能量檢測方式及系統(tǒng)工作特性進(jìn)行簡單描述；還使用中文數(shù)據(jù)庫技術(shù)，方便快捷高效，大大減少人力物力財(cái)力的浪費(fèi)同時提高了效率和節(jié)約能源資源。混合動力電動汽車的能源管理是以電池管理系統(tǒng)為核心，通過蓄電池來對當(dāng)前行駛過程中所需要的能量進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)不同負(fù)載情況下系統(tǒng)控制命令執(zhí)行效率和實(shí)時性。因此采用了基于Flac3D軟件開發(fā)平臺[4]。

3.2 混合動力電動車能源管理系統(tǒng)的優(yōu)勢

混合動力電動車能源管理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的優(yōu)勢：（1）操作簡單易懂；即本設(shè)計(jì)語言為中文歌和英語朗誦，這不僅能夠使使用者清楚地了解所選車型的性能參數(shù)值還能理解其工作原理。（2）應(yīng)具有友好性頁面應(yīng)有出色的交互界面，便于使用戶體驗(yàn)到不同系統(tǒng)內(nèi)各部分對功能需求程度，方便操作者與維護(hù)人員之間進(jìn)行溝通交流。（3）具備友好的一致性和兼容性，界面風(fēng)格保持一致，使操作簡單易懂。

3.3 通信協(xié)議

能源管理系統(tǒng)的通信協(xié)議是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)所必須具備的必要條件，也就是用來協(xié)調(diào)各模塊間信息交換和業(yè)務(wù)交互等功能組成。為了達(dá)到對整個軟件進(jìn)行科學(xué)合理設(shè)計(jì)以及滿足實(shí)際應(yīng)用需要。因此我們提出了一種通用層總線型數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（DFD）來控制各個子模塊之間相互通訊操作：在同一個主節(jié)點(diǎn)上分別采用能流轉(zhuǎn)發(fā)整數(shù)算、分步計(jì)費(fèi)及能量管理的譯碼，并在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、播放及共享。同時，各子模塊之間也可以進(jìn)行通信，以保證整個軟件具有良好的通用性和協(xié)調(diào)性能。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件是整個系統(tǒng)的靈魂，它使硬件能協(xié)調(diào)和更好地工作。為了能夠?qū)崿F(xiàn)混合動力電動汽車的能源管理，需要對其進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。首先根據(jù)任務(wù)書所提供需求分析報(bào)告編寫相關(guān)程序方案確定功能模塊組成及流程并進(jìn)行程序測試；其次根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各個子模塊之間調(diào)用關(guān)系、輸入輸出控制以及輸出接口等軟件應(yīng)用部分；然后依據(jù)各子系統(tǒng)整體運(yùn)行結(jié)果將整個系統(tǒng)劃分出來形成一個總管理系統(tǒng)和詳細(xì)框架。最后就是硬件的搭建，根據(jù)任務(wù)書的設(shè)計(jì)要求搭建混合動力電動汽車各子系統(tǒng)的硬件平臺，包括電源模塊、蓄電池部分以及控制電路等[5]。

4 總結(jié)

本文以混合動力電動汽車能源管理系統(tǒng)為研究背景，對其進(jìn)行了理論分析。首先介紹的是混合動力系統(tǒng)的原理、分類以及它的應(yīng)用領(lǐng)域；其次是關(guān)于能量管理系統(tǒng)相關(guān)問題具體包括系統(tǒng)建模與控制策略選擇等方面展開論述并得出相應(yīng)結(jié)論。為混合動力電動汽車建立一套完整的能源管理系統(tǒng)，使其更加完善，能更好地滿足消費(fèi)者對節(jié)能和環(huán)保出行需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉建國，殷德雙，陳漢汛，等.混合動力電動車能源管理系統(tǒng)的研制與開發(fā)[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版， 2003，25（2）：3.

[2]陳勇. 混合動力電動車數(shù)據(jù)采集及分析管理系統(tǒng)的研制[D]. 武漢理工大學(xué).

[3]宋佐龍. 電動汽車用電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 中國海洋大學(xué)， 2013.

[4]宋佐龍. 電動汽車用電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 中國海洋大學(xué)， 2013.

[5]潘偉軒. 純電動車用雙電池并聯(lián)混合能源管理系統(tǒng)研究[D]. 河北大學(xué)， 2014.