混合动力电动车能源管理系统的分析

孙巍

摘 要：当今世界，经济社会快速发展，人们的生活水平不断提高，对出行工具及交通工具的需求量增加。而随着电动车数量和性能指标都各不相同。如何在满足更多用户要求下尽可能延长电池使用寿命、减少排放污染环境成为一大难题。因此设计了混合动力电动汽车系统来取代纯化学能发电设备是必然趋势。本文首先讲了混合动力电动车能源管理系统，接着阐述了混合动力电动车能源管理系统总体方案设计，最后提出了混合动力电动车能源管理系统模型的建立。

关键词：混合动力 电动汽车 能源管理

混合动力电动车是指以两种及以上车型为主要设计目标并采用不同驱动系统共同协作工作模式（包括纯电动和电池供应式）的一种汽车类型。这种混联行驶方式可以有效解决传统燃油经济性差、排放污染大，污染严重这一问题。混合动力电动车是未来汽车行业发展的方向，混联行驶方式可以有效解决传统燃油经济性差、排放量差、污染严重这一问题。混合动力电动车系统的开发是以环保、节能为目的，它具有可充电性和快速响应特性。混合动力电动车的能源管理方案是一种可以有效地利用现有资源减少污染、提高经济效益，满足电动汽车发展和使用要求的新技术解决方案。它通过对能量管理系统进行改进使其性能得到改善。因此研发基于混联行驶方式下电池管理系统对减少污染排放以及电动汽车发展都有重要意义[1]。

1 混合动力电动车能源管理系统简介

1.1 混合动力电动车能源管理系统概述

混合动力电动车系统由燃料电池组、多回路的控制策略及驱动电路组成。它具有多种优点包括：能量管理效率高，可大幅度提高行使电量使用率；节能降耗效果显著，能够满足不同工况下对电动汽车所需功率和转矩要求；有良好制动性能以及减少尾气排放污染；燃料经济性好，而且来源广泛（主要指减少汽油、柴油的消耗）等特点。混合动力电动车系统由车载电源、蓄电池组及控制电路组成[2]，同时在汽车正常工作状态下保证足够功率输出，以满足电动小车及各种类型车辆续航里程和节能减排的目标。因此需要一套能够根据不同工况条件实时控制燃料消耗量，并使之稳定化的能源管理系统（EPC）作为该混合动力电动车能控汽油机以及尾气排放污染减少系统设计开发所需的关键技术工具。由于电池组的能量管理模式会对其可充电特性造成影响，且蓄电池具有充放电时间间隔短、循环使用寿命受限制等缺点。所以在设计和开发混合动力电动车能源管理系统时需要考虑到以上诸多因素。

1.2 国内外能源管理系统发展状况

在20世纪80年代，国外就已经有了混合动力电动汽车的研发，并通过对其性能、能源管理技术等方面来进行分析，最终提出可行性较好的产品。目前主要是两种类型：一是纯电池式混合动力系统；二是燃料电池热管理系统。美国是最早开始研究和使用这种系统的国家，以及德国都是很早就对于这项课题有所了解，并且投入大量人力物力财力去做了深入细致地研究工作。日本在1992年对其技术上有突破性创新，成功推出了世界上第一台混合动力电动汽车。中国在20世纪90年代中期才开始进行商业化的电池生产计划，虽然是以纯电动车为主，但是因为其蓄冷技术还不够完善成熟、充电效率也还有待提高等原因导致短期内我国市场容量有限。但随着时间推移和实验条件不断改善以及国家政策调控一系列使得国内产品性能有了很大提升，同时伴随经济效益明显增强优势显著增加，使中国混合动力电动汽车产业发展迅速加快[3]。

1.3 混合动力电动车能源管理系统特点

能源管理系统是一种先进的计算机技术在现代社会中应用，它以控制发动机、传动系统和机械制造等相关单元实现自动化管理。其主要由可再生新能量汽车及电池组成。利用环境友好型智能工具代替人工繁杂冗余操作。与传统燃油经济性相比混合动力电动车能更有效地减少尾气排放量：一是可以通过改变油门启闭的方式达到节能减排；二是根据电动势场分布，合理安排蓄电池组容量和使用寿命等控制技术要求，实现能量管理的智能化；三是可以根据不同用户对电池组容量和充电时间等控制要求，通过调节能源管理系统中蓄电端电压、输出功率大小以及用电量来控制电路设计。而目前，混合动力电动汽车的能源管理主要是采用车载电源，将汽油、柴油等各种燃料通过能量转换装置转化成机械能储存在电池中。这样就减少了对蓄电池的过度使用，保护了环境，同時也为电动汽车提供更加绿色环保、节能节电和低碳发展等优势。

2 混合动力电动车能源管理系统总体方案设计

2.1 混合动力电动车能源管理系统的要求

1、优化性能：系统必须支持多台电机的输出和汽车自身具有良好的动态响应速度。因此要求其能满足车载电源、电池及其控制系统之间与所有用电设备处于最佳匹配状态。在保证车辆能够正常驾驶且爬坡能力较强时，可采用不同类型发动机转速，以减少燃油消耗、延长车速以及提高行驶安全性等目标为目的；同时，还要求其能满足不同发动机功率输出特性的控制。

2、在确保车载电源、电池及控制系统性能稳定和能够实现整车快速响应时。该系统应具备以下功能：对所有用电动车组动站的均衡持续时间设定值；车辆启动与制动能量回收利用进行管理并调整等任务；车辆加速或减速状态下所能允许最大爬坡度，以减少驾驶员由于疲劳导致汽车动力性降低产生意外伤害。

3、该系统应具有车辆的维护与管理功能。能够实时记录所需数据，并对汽车进行控制；能实现节能减排，减少燃料消耗。

4、该系统应具有路况检测、节能降耗和故障报警功能。能实时显示当前混合动力电动汽车运行状态信息，并将所行驶车速设定值与驾驶能量给定限值进行对比分析，选择最佳的车辆加速/减速转速。

2.2 混合动力电动车能源管理系统的构成

1、电池管理系统：系统采用全方面的控制策略，包括了：自检、报警和能量管理。在充电过程中，根据蓄电池容量实时检测充放电状态；当蓄电时间达到时自动断开电源并停止工作。

2、数据采集与传输系统设计：通过对环境条件进行分析以及对电动汽车运行工况信息收集后转换成准确可靠地电压及电流等参数计算出来，为下一步控制策略的制定提供依据和基础。在能量管理中，主要是通过电池管理系统的数据采集与传输系统实现对电动汽车输出功率、负载转矩和温度等参数进行管理。

3、能量监控及控制：根据蓄能存储状态监测各组充电方式和调整策略，如电流快速变化或电压升降失常时及时检测出来；当异常情况发生会立即报警。

2.3 混合动力电动车能源管理系统模型的建立

根据上述所构建的混合动力电动汽车能源管理系统方案，我打算用数学模型来建立一个包含能量管理、电池寿命监测与再生检测等子系统在内的完整系统。其中当涉及到电压稳定控制时和功率因数校正子模块（该功能由霍尔元件实现）。因为在本文中采用的是纯阻性调压电源，设计方法所以需要搭建一套可以对整个充电过程进行监控并能自我调节，且可控的模型；当涉及到转速的调节时，则需要搭建该系统内部控制子模块（该控制器由单片机和外部中断组成），其功能主要为：能量采集、检测转矩测量与功率因数校正。

3 混合动力电动车能源管理系统的软件开发

3.1 软件开发介绍

针对混合动力电动汽车的能源管理系统，可以选择了C语言编程，它有很多优点：它可以提供一个完整的数据结构和函数来分析其性能。所以它能够很好地完成各种复杂运算。而且在编写程序时也不需要考虑到算法和内存分配问题以及控制算法等其他方面因素，就能实现对电池管理模式、能量检测方式及系统工作特性进行简单描述；还使用中文数据库技术，方便快捷高效，大大减少人力物力财力的浪费同时提高了效率和节约能源资源。混合动力电动汽车的能源管理是以电池管理系统为核心，通过蓄电池来对当前行驶过程中所需要的能量进行监控，并根据不同负载情况下系统控制命令执行效率和实时性。因此采用了基于Flac3D软件开发平台[4]。

3.2 混合动力电动车能源管理系统的优势

混合动力电动车能源管理系统与其他系统的优势：（1）操作简单易懂；即本设计语言为中文歌和英语朗诵，这不仅能够使使用者清楚地了解所选车型的性能参数值还能理解其工作原理。（2）应具有友好性页面应有出色的交互界面，便于使用户体验到不同系统内各部分对功能需求程度，方便操作者与维护人员之间进行沟通交流。（3）具备友好的一致性和兼容性，界面风格保持一致，使操作简单易懂。

3.3 通信协议

能源管理系统的通信协议是保证系统正常运行、实现预定目标所必须具备的必要条件，也就是用来协调各模块间信息交换和业务交互等功能组成。为了达到对整个软件进行科学合理设计以及满足实际应用需要。因此我们提出了一种通用层总线型数据传输协议（DFD）来控制各个子模块之间相互通讯操作：在同一个主节点上分别采用能流转发整数算、分步计费及能量管理的译码，并在一定程度上实现了对数据的转发、播放及共享。同时，各子模块之间也可以进行通信，以保证整个软件具有良好的通用性和协调性能。

3.4 软件设计

软件是整个系统的灵魂，它使硬件能协调和更好地工作。为了能够实现混合动力电动汽车的能源管理，需要对其进行规划设计。首先根据任务书所提供需求分析报告编写相关程序方案确定功能模块组成及流程并进行程序测试；其次根据总体结构设计各个子模块之间调用关系、輸入输出控制以及输出接口等软件应用部分；然后依据各子系统整体运行结果将整个系统划分出来形成一个总管理系统和详细框架。最后就是硬件的搭建，根据任务书的设计要求搭建混合动力电动汽车各子系统的硬件平台，包括电源模块、蓄电池部分以及控制电路等[5]。

4 总结

本文以混合动力电动汽车能源管理系统为研究背景，对其进行了理论分析。首先介绍的是混合动力系统的原理、分类以及它的应用领域；其次是关于能量管理系统相关问题具体包括系统建模与控制策略选择等方面展开论述并得出相应结论。为混合动力电动汽车建立一套完整的能源管理系统，使其更加完善，能更好地满足消费者对节能和环保出行需求。

参考文献：

[1]刘建国，殷德双，陈汉汛，等.混合动力电动车能源管理系统的研制与开发[J]. 武汉理工大学学报：信息与管理工程版， 2003，25（2）：3.

[2]陈勇. 混合动力电动车数据采集及分析管理系统的研制[D]. 武汉理工大学.

[3]宋佐龙. 电动汽车用电池管理系统的设计[D]. 中国海洋大学， 2013.

[4]宋佐龙. 电动汽车用电池管理系统的设计[D]. 中国海洋大学， 2013.

[5]潘伟轩. 纯电动车用双电池并联混合能源管理系统研究[D]. 河北大学， 2014.