新能源汽车能量管理系统概述

电动汽车能源管理系统是在满足汽车基本技术性能（如动力性、驾驶平稳性等）和成本等要求的前提下，根据各部件的特性及汽车的运行工况，实现能量在能源转换装置（如发动机、电动机、储能装置、功率变换模块、动力传递装置、发电机和燃料电池等）之间按最佳路线流动，使整车的能源利用效率达到最高。

新能源汽车能量转换

1、新能源汽车能量管理系统概述

新能源汽车管理系统可分为三级模块体系，以混合动力汽车为例：

一级模块（执行系统）：，包括充电设备、电动附件、储能系统、发动机、发电机、离合器、驱动电动机和齿轮箱。

二级模块（控制单元）：包括电池管理系统( BMS )、发动机电子控制单元( ECU )、发电机控制器（ GCU )、离合器控制单元（ CCU )、电动机控制器( MCU )、变速器控制系统（ AMT )和整车控制器（ VCU )。

三级模块（开发系统与控制程序）：要包括硬件、底层和应用层软件。

混合动力汽车三级模块

在三级模块体系和平台架构中，整车控制器（VCU)、电动机控制器(MCU）和电池管理系统（BMS）是最重要的核心技术，对整车的动力性、经济性、可靠性和安全性等有着重要影响。

新能源汽车整车系统架构

（1）整车控制器（VCU)

整车控制器是整车控制决策的核心电子控制单元，一般仅新能源汽车配备该装置，传统燃油车无需配备。VCU通过采集油门踏板、挡位、刹车踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图；通过监测车辆状态（车速、温度等）信息，由VCU判断处理后，向动力系统、动力电池系统发送车辆的运行状态控制指令，同时控制车载辅助电力系统的工作模式；VCU具有整车系统故障诊断保护与存储功能。

整车控制器控制架构

（2）电动机控制器(MCU）

MCU是新能源汽车特有的核心功率电子单元，通过接收VCU的车辆行驶控制指令，控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶。它实现把动力电池的直流电能转换为所需的高压交流电，并驱动电动机本体输出机械能同时，MCU具有电动机系统故障诊断保护和存储功能。

电机控制器系统架构

（3）电池管理系统（BMS）

电池管理系统能够对电动汽车动力电池的工作状态进行实时监控，可以最大限度地使用电池能量，提高单位体积电池组的能量比；在提高蓄电池续驶里程的前提下，增加电池的使用时间。BMS能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。

电池管理系统架构

2、电力电子元件与功率变换装置

新能源汽车一般都具有电力驱动系统，并且在该系统上有不少电力电子器件，了解电力电子技术的基本知识与原理，对掌握新能源汽车驱动系统的驱动和控制原理、使用性能和维护保养技术是不可或缺的。

（1）电动汽车的电力驱动系统

混合动力汽车的电力驱动系统主要包括发电机／电动机、逆变器、声压器型电源变换装置DC/DC、动力电源、辅助电源、动力电源管理装置、HEV管理装置等。

混合动力汽车电力驱动系统

（2）电力电子器件

电力电子器件是指电能变换和控制过程中使用的电子元件，其主要特点是处理电功率的能力远大于处理信息的电子器件。

由于电力电子器件处理的电功率大，为了减小本身的损耗、提高效率，一般都工作在开关状态。

按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的度分为不控制件（电力二极管）、半控制器件（晶闸管）全控制器件（门极可关断晶体管、绝缘栅双极晶体管、电力场效应晶体管）三类。

电力电子器件

（3）直流变换器DC/DC

电动汽车的DC/DC变换器的主要功能是给车灯、ECU、小型电器等汽车附属设备提供电力和向辅助电源充电，其作用与传统汽车交流发电机相似。

传统汽车依靠发动机带动交流发电机提供给附属电器设备和辅助电源。

纯电动汽车和燃料电池汽车无发动机，混合动力汽车的发动机并不是不间断地工作，并且带有"自动怠速停止与启动"装备因此电动车无法使用交流发电机提供电源，必须依靠动力电池箱附属用电设备及其电源供电，DC/DC设备成为必备设备。

DC/DC变换器有升压变换器与降压变换器之分，根据电压调制方式又有脉宽调制和频率调制的区别。

DC/DC变换器工作原理

3、新能源汽车电动机驱动控制装置

（1）新能源汽车控制器

每个独立具有自动运行程序、专用的算法语言、能够采集数据、进行数据分析并发送驱动指令的装置被称为控制器。

系统包括执行设备电动机、功率装置电子换向器、电机运转信息反馈装置和控制器。

对于新能源汽车控制器不仅对单一装置进行自动控制，还要根据汽车其它系统实时信息或参数，不断修改控制策略，调整指令，以获得最优的驱动效果。

混合动力汽车的驱动系统控制方案

（2）新能源汽车控制器组成

新能源汽车控制器的结构组成包括以下4个部分。

新能源汽车控制器控制原理

（3）驱动电动机控制类型

现代电动机驱动需要通过电压或电流调节力矩，通过相位调节产生驱动电动机运转的旋转磁场的交流电。具有这种功能的装置被称为变频器（逆变器），现在变频器主要是以开关方式对电流或电压控制的大功率电力电子装置。一般分为脉冲振幅调制控制(PAM, Pulse Amplitude Modulation）、脉宽调制控制（PWM, Pulse Width Modulation）、高载频PWM控制3种类型。

（4）电动机驱动控制器

控制器由微机系统的CPU、数字逻辑电路、控制电路和各种I / O接口等电子元器件组成，是电动机驱动控制的核心。微处理器系统主要根据电动机运转的信息，通过CPU进行分析、计算处理，在很短时间内做出决策并发出一系列指令，来控制功率电路产生与道路情况相适应的工作电压和工作电流，调节电动机的输出转矩和转速。

电动机驱动控制原理

对于不同的电动机结构，具有不同的参数和数学模型，需要采取不同的控制策略或算法才能获得较好的电动机控制效果。

4、新能源汽车电源管理系统

由于电动电池能量和端电压的限制，纯电动汽车需要采用多块电池的串、并联组合，但是动力电池特性是非线性和时变的，加之复杂的使用条件和苛刻的使用环境，故在纯电动汽车使用过程中，要使动力电池工作在合理的电压、电流、温度范围内，纯电动汽车上动力电池的使用都需要进行有效的管理。对于镍氢电池和锂离子电池，有效的管理尤其重要，如果管理不善，不仅可能会显著缩短动力电池的使用寿命，还可能引起火灾等严重安全事故。因此，动力蓄电池管理系统（ Batter Management System , BMS ）成为电动汽车的必要装置。

（1）动力蓄电池管理任务

常见动力电池管理系统主要功能包括：数据采集、数据通信、数据显示、状态估计、热管理、安全管理、能量管理和故障诊断等。

蓄电池管理系统

（2）动力电池管理系统的组成与工作模式

动力电池管理系统一般包括动力电池组、动力电池管理控制单元MCU、动力电池单体电压和温度信号采集模块、总电流和总电压信号采集、整车通信模块、高压电安全系统及电流均衡模块、热管理系统和检测单元等。

典型动力电池管理系统方案

（3）动力电池的均衡充电管理和热管理

由于电动汽车动力电池组中，众多动力电池之间存在制造工艺、材质、使用环境、接线方式等差异，因此，单个电池之间存在容量、端电压和内阻不一致在所难免，使用充电机直接为电池组进行预充电，必然导致单个电池之间的不一致性加剧，出现个别电池的过电压充电。同样，单个电池间不一致性的存在也会导致电池组放电过程中个别电池的过放电。在车上的布置分散、动力电池单体的使用环境不同，导致电池组单体间不一致性的积累恶化，严重影响动力电池组的使用寿命，对电池组的均衡充电以及有效的热管理是BMS的主要功能。

总而言之，新能源汽车的能量管理系统是一种关键的技术，对新能源汽车整体性能至关重要，可以有效管理和分配电池能量，以优化性能、延长电池寿命，提高能源利用效率，减少环境影响，促进可持续出行，实现绿色能源交通的愿景。