混合動力電動車能源管理系統的分析

孫巍

摘 要：當今世界，經濟社會快速發展，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。而隨著電動車數量和性能指標都各不相同。如何在滿足更多用戶要求下盡可能延長電池使用壽命、減少排放污染環境成為一大難題。因此設計了混合動力電動汽車系統來取代純化學能發電設備是必然趨勢。本文首先講了混合動力電動車能源管理系統，接著闡述了混合動力電動車能源管理系統總體方案設計，最后提出了混合動力電動車能源管理系統模型的建立。

關鍵詞：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計目標并采用不同驅動系統共同協作工作模式（包括純電動和電池供應式）的一種汽車類型。這種混聯行駛方式可以有效解決傳統燃油經濟性差、排放污染大，污染嚴重這一問題?；旌蟿恿﹄妱榆囀俏磥砥囆袠I發展的方向，混聯行駛方式可以有效解決傳統燃油經濟性差、排放量差、污染嚴重這一問題?；旌蟿恿﹄妱榆囅到y的開發是以環保、節能為目的，它具有可充電性和快速響應特性?；旌蟿恿﹄妱榆嚨哪茉垂芾矸桨甘且环N可以有效地利用現有資源減少污染、提高經濟效益，滿足電動汽車發展和使用要求的新技術解決方案。它通過對能量管理系統進行改進使其性能得到改善。因此研發基于混聯行駛方式下電池管理系統對減少污染排放以及電動汽車發展都有重要意義[1]。

1 混合動力電動車能源管理系統簡介

1.1 混合動力電動車能源管理系統概述

混合動力電動車系統由燃料電池組、多回路的控制策略及驅動電路組成。它具有多種優點包括：能量管理效率高，可大幅度提高行使電量使用率；節能降耗效果顯著，能夠滿足不同工況下對電動汽車所需功率和轉矩要求；有良好制動性能以及減少尾氣排放污染；燃料經濟性好，而且來源廣泛（主要指減少汽油、柴油的消耗）等特點?；旌蟿恿﹄妱榆囅到y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下保證足夠功率輸出，以滿足電動小車及各種類型車輛續航里程和節能減排的目標。因此需要一套能夠根據不同工況條件實時控制燃料消耗量，并使之穩定化的能源管理系統（EPC）作為該混合動力電動車能控汽油機以及尾氣排放污染減少系統設計開發所需的關鍵技術工具。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、循環使用壽命受限制等缺點。所以在設計和開發混合動力電動車能源管理系統時需要考慮到以上諸多因素。

1.2 國內外能源管理系統發展狀況

在20世紀80年代，國外就已經有了混合動力電動汽車的研發，并通過對其性能、能源管理技術等方面來進行分析，最終提出可行性較好的產品。目前主要是兩種類型：一是純電池式混合動力系統；二是燃料電池熱管理系統。美國是最早開始研究和使用這種系統的國家，以及德國都是很早就對于這項課題有所了解，并且投入大量人力物力財力去做了深入細致地研究工作。日本在1992年對其技術上有突破性創新，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90年代中期才開始進行商業化的電池生產計劃，雖然是以純電動車為主，但是因為其蓄冷技術還不夠完善成熟、充電效率也還有待提高等原因導致短期內我國市場容量有限。但隨著時間推移和實驗條件不斷改善以及國家政策調控一系列使得國內產品性能有了很大提升，同時伴隨經濟效益明顯增強優勢顯著增加，使中國混合動力電動汽車產業發展迅速加快[3]。

1.3 混合動力電動車能源管理系統特點

能源管理系統是一種先進的計算機技術在現代社會中應用，它以控制發動機、傳動系統和機械制造等相關單元實現自動化管理。其主要由可再生新能量汽車及電池組成。利用環境友好型智能工具代替人工繁雜冗余操作。與傳統燃油經濟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到節能減排；二是根據電動勢場分布，合理安排蓄電池組容量和使用壽命等控制技術要求，實現能量管理的智能化；三是可以根據不同用戶對電池組容量和充電時間等控制要求，通過調節能源管理系統中蓄電端電壓、輸出功率大小以及用電量來控制電路設計。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換裝置轉化成機械能儲存在電池中。這樣就減少了對蓄電池的過度使用，保護了環境，同時也為電動汽車提供更加綠色環保、節能節電和低碳發展等優勢。

2 混合動力電動車能源管理系統總體方案設計

2.1 混合動力電動車能源管理系統的要求

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

2、在確保車載電源、電池及控制系統性能穩定和能夠實現整車快速響應時。該系統應具備以下功能：對所有用電動車組動站的均衡持續時間設定值；車輛啟動與制動能量回收利用進行管理并調整等任務；車輛加速或減速狀態下所能允許最大爬坡度，以減少駕駛員由于疲勞導致汽車動力性降低產生意外傷害。

3、該系統應具有車輛的維護與管理功能。能夠實時記錄所需數據，并對汽車進行控制；能實現節能減排，減少燃料消耗。

4、該系統應具有路況檢測、節能降耗和故障報警功能。能實時顯示當前混合動力電動汽車運行狀態信息，并將所行駛車速設定值與駕駛能量給定限值進行對比分析，選擇最佳的車輛加速/減速轉速。

2.2 混合動力電動車能源管理系統的構成

1、電池管理系統：系統采用全方面的控制策略，包括了：自檢、報警和能量管理。在充電過程中，根據蓄電池容量實時檢測充放電狀態；當蓄電時間達到時自動斷開電源并停止工作。

2、數據采集與傳輸系統設計：通過對環境條件進行分析以及對電動汽車運行工況信息收集后轉換成準確可靠地電壓及電流等參數計算出來，為下一步控制策略的制定提供依據和基礎。在能量管理中，主要是通過電池管理系統的數據采集與傳輸系統實現對電動汽車輸出功率、負載轉矩和溫度等參數進行管理。

3、能量監控及控制：根據蓄能存儲狀態監測各組充電方式和調整策略，如電流快速變化或電壓升降失常時及時檢測出來；當異常情況發生會立即報警。

2.3 混合動力電動車能源管理系統模型的建立

根據上述所構建的混合動力電動汽車能源管理系統方案，我打算用數學模型來建立一個包含能量管理、電池壽命監測與再生檢測等子系統在內的完整系統。其中當涉及到電壓穩定控制時和功率因數校正子模塊（該功能由霍爾元件實現）。因為在本文中采用的是純阻性調壓電源，設計方法所以需要搭建一套可以對整個充電過程進行監控并能自我調節，且可控的模型；當涉及到轉速的調節時，則需要搭建該系統內部控制子模塊（該控制器由單片機和外部中斷組成），其功能主要為：能量采集、檢測轉矩測量與功率因數校正。

3 混合動力電動車能源管理系統的軟件開發

3.1 軟件開發介紹

針對混合動力電動汽車的能源管理系統，可以選擇了C語言編程，它有很多優點：它可以提供一個完整的數據結構和函數來分析其性能。所以它能夠很好地完成各種復雜運算。而且在編寫程序時也不需要考慮到算法和內存分配問題以及控制算法等其他方面因素，就能實現對電池管理模式、能量檢測方式及系統工作特性進行簡單描述；還使用中文數據庫技術，方便快捷高效，大大減少人力物力財力的浪費同時提高了效率和節約能源資源?；旌蟿恿﹄妱悠嚨哪茉垂芾硎且噪姵毓芾硐到y為核心，通過蓄電池來對當前行駛過程中所需要的能量進行監控，并根據不同負載情況下系統控制命令執行效率和實時性。因此采用了基于Flac3D軟件開發平臺[4]。

3.2 混合動力電動車能源管理系統的優勢

混合動力電動車能源管理系統與其他系統的優勢：（1）操作簡單易懂；即本設計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值還能理解其工作原理。（2）應具有友好性頁面應有出色的交互界面，便于使用戶體驗到不同系統內各部分對功能需求程度，方便操作者與維護人員之間進行溝通交流。（3）具備友好的一致性和兼容性，界面風格保持一致，使操作簡單易懂。

3.3 通信協議

能源管理系統的通信協議是保證系統正常運行、實現預定目標所必須具備的必要條件，也就是用來協調各模塊間信息交換和業務交互等功能組成。為了達到對整個軟件進行科學合理設計以及滿足實際應用需要。因此我們提出了一種通用層總線型數據傳輸協議（DFD）來控制各個子模塊之間相互通訊操作：在同一個主節點上分別采用能流轉發整數算、分步計費及能量管理的譯碼，并在一定程度上實現了對數據的轉發、播放及共享。同時，各子模塊之間也可以進行通信，以保證整個軟件具有良好的通用性和協調性能。

3.4 軟件設計

軟件是整個系統的靈魂，它使硬件能協調和更好地工作。為了能夠實現混合動力電動汽車的能源管理，需要對其進行規劃設計。首先根據任務書所提供需求分析報告編寫相關程序方案確定功能模塊組成及流程并進行程序測試；其次根據總體結構設計各個子模塊之間調用關系、輸入輸出控制以及輸出接口等軟件應用部分；然后依據各子系統整體運行結果將整個系統劃分出來形成一個總管理系統和詳細框架。最后就是硬件的搭建，根據任務書的設計要求搭建混合動力電動汽車各子系統的硬件平臺，包括電源模塊、蓄電池部分以及控制電路等[5]。

4 總結

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

參考文獻：

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

[2]陳勇. 混合動力電動車數據采集及分析管理系統的研制[D]. 武漢理工大學.

[3]宋佐龍. 電動汽車用電池管理系統的設計[D]. 中國海洋大學， 2013.

[4]宋佐龍. 電動汽車用電池管理系統的設計[D]. 中國海洋大學， 2013.

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