英语原文共 21 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

对电动汽车能源及能源管理系统的评估

摘要

全球变暖及化石燃料消耗问题为电动汽车（EV）的发展提供了机遇。而且，电力电子技术的飞速发展已经使更高效节约能源的汽车得到实现。因为全世界交通运输的能源消耗过高，电动汽车成为降低全球温室气体排放的一个选择。然而，电动汽车在电池成本方面也面临着巨大的挑战，因为电动汽车三分之一的成本都在于电池。本文综述了电动汽车最先进的能源、储存设备、功率变换器、底层控制的能量管理策略以及高级控制算法。突出了汽车技术优缺点的比较。此外，还概述了电动汽车行驶周期的标准和模式。电力电子元件以及电源处理器实现了电动汽车更复杂的控制（低水平和高级控制算法），使其达到了最佳性能，并实现了快速充电站。电动汽车的快速发展促进了公共设施网络替代资源的集成化进程，因此智能电网在需求的管理上起到了重要的作用。环境问题和能源危机的意识带动了全球电动汽车的销量。

关键词：能源管理，电动汽车，混合动力电动汽车，监督控制，最优化，行驶周期

1. 引言

电动汽车(EV)作为一种有潜力的解决温室气体（CHG）排放问题的办法，在过去的十年中获得了巨大的关注，在20世纪末，由于全球变暖的意识持续上升，世界能源危机带动了全球对汽车领域的兴趣。交通行业是全球温室气体排放最大的贡献者之一。传统型汽车的操作通过内燃机(ICE)消耗化石燃料，排放出如二氧化碳、碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化合物和水等气体。根据美国能源信息管理局的统计数据库（EIA），图一表示终端部门的全球能源消耗总量，图二表示终端部门的二氧化碳排放总量[1]。2012年交通行业约占全球能源消耗总量的27%、温室气体排放量的33.7%[2]。电动汽车是减少全球温室气体排放的一种解决方案，与汽油动力汽车相比，通过使用电力驱动的汽车，我们不仅能提供更清洁、安静的环境，更能大幅减少行驶成本。电动汽车每英里仅花费2美分，然而内燃机驱动的汽车每英里花费约12美分。举个例子，每加仑汽油3美元能行驶30英里，也就是每英里0.1美元，但电动汽车3英里消耗一千瓦时电，按0.12美元每千瓦时计算也就是每英里0.04美元。Envisioneering集团消费指标中，美国汽车工程师协会称，使用一台传统型内燃机汽车，一般消费者每年在加油站需要花花41小时40分钟。而使用一台电动汽车并在夜间充电，能为人们每年节约15小时。除此之外，电动汽车具有集成的灵活性优势，在交通领域具有更好的性能。燃料电池等能源发电机、太阳电池板、制动能量再生系统以及其他任何合适的发电机都可以集成在电动汽车上。

据美国能源部(USDE)，运行一辆汽车及其附属物消耗约15%的燃料能量。大部分的能量通过燃烧转换成了热量，这因此直接导致了全球变暖[3]。图三展示了内燃机汽车典型的能量流。一般来说，内燃机型汽车在移动部分的摩擦上损失了能源的总能量和热量。所以，内燃机型汽车需要频繁的保养维护。然而，电动汽车仅在驱动汽车上消耗的能量就高于75%。现在的电动汽车储存的电量每千瓦时平均能行驶4至8英里[4]。

但是，电动汽车和混合动力电动汽车在电池成本方面也面临着巨大的挑战，因为电动汽车三分之一的成本都在于电池。最近，伯恩斯坦研究机构与里卡多公司的一项名为“全球汽车：不相信炒作——成本与节能技术潜力的分析”的分析性报告总结指出，电动汽车45.3%的成本都在于电池成本[5]。正因为如此，汽车工业面临的最大的挑战就是要发展能补充电动汽车技术的、最先进的电池系统。表格一分别展示了纯电动汽车、混合动力电动汽车、插电式混合动力汽车以及内燃机汽车的燃料年消耗量。接着，出现的第二个挑战就是汽车效率的改进。这主要包括两个方面：第一是通过减少皮带、齿轮和多个马达驱动器来降低寄生损失常数和变速电力驱动单元，第二个方面是电动机械传动，包括变速器、直接驱动电动机和远程控制“电缆连接”的电力电子元件。

另一方面，电动汽车特别是插电式混合动力汽车和纯电动汽车需要能量存储充电，这为公用电网互连带来了新的挑战。现在普遍承认的一点是，交通运输中消耗能量的设备已经从传统内燃机转换为电力充电能源存储设备，这直接影响了公用电网的电力消耗。近几年，许多国家在可再生能源（如风能和太阳能）上大量投资以满足日益增长的能源需求并且避免完全依赖传统的化石燃料。此外，可再生能源也可以帮助减少高峰时段耗电量的峰值负荷，并且有利于电动汽车充电需求的供应侧管理。从另一个角度来看，近来还提出了逆向汽车充电的车辆网络系统（V2G）的想法。有报道称95%的汽车处于停泊状态的并且接入到了公用电网中[6]。所以，在电力需求峰值时将能量倒回至电网中或储备后备能源表现出了极大的潜力。一些研究者也对车辆网络系统提出了一些策略和商业模式。

本文旨在综述电动汽车中最先进的可用能源、发电机、电源转换器、底层控制的能量管理策略以及高级控制算法。汽车技术的优缺点将会在稍后作出比较。目前所有电动汽车相关的技术都将会讨论。本文组织如下：第一章将阐述当代汽车与未来汽车队环境的影响；第二章描述了所有类型汽车的概况；第三章是介绍适用于电动汽车最先进的能源储存与能源发电设备；然后第四章将概述能源管理拓扑结构与控制算法策略；最后，第五章突出强调了驾驶考试标准，第六章总结全文。

1. 系统概述

2.1介绍

汽车可被分为三个种类：内燃机汽车(ICEV)、混合动力汽车（HEV）和全电动汽车。图四展示了所有汽车类型。具体的所有汽车的定义将在稍后讨论。等式一中的混合度因子将用来推导计算混合动力汽车或电动汽车的比例，其中总功率分为电动机功率(PEM)与内燃机功率(PICE)。假设汽车没有配备任何辅助能量来源（AES），混合动力汽车可被分为轻度、中度混合动力电动汽车和全混合电动汽车。

目前，有两种方法将电动机串联到内燃机上。一是让电动机与内燃机共用一个主轴，第二只采用一条功率分流路径。通过计算每加仑英里数，可见汽车混合程度的不同将导致燃油效率的差异。表格二展示了燃油效率由传统型内燃机汽车向全电动汽车逐渐提高。环境保护署作了注释如下：MPGe是指每加仑汽油等价能量能行驶的英里数，表示电动汽车等量能量能行驶的里程数。对于电动汽车或插电式电动汽车，33.7千瓦时电量等价于一加仑汽油的能量。

2.2内燃机汽车（ICEV）

内燃机汽车内有燃烧室将化学能转化为热能和动能来驱动汽车。它同样分为两种类型：一种是传统型内燃机汽车，没有电动机辅助，具有最低的燃油经济性；另一种是微混合动力汽车，具有电动机，重启汽车时工作电压较低仅14V（12V），功率不超过5KW，且不需要额外电源。在滑行、制动或停车时，内燃机关闭以提高燃油经济性5–15 %。在欧洲销售的雪铁龙C3就是一款微混合动力汽车。

2.3混合动力电动汽车(HEV)

混合动力电动汽车是同时将内燃机和电动机作为动力源驱动其行驶的汽车。图五中展示了现在的六种驱动列车结构。轻度混合动力汽车与微混合动力汽车一样具有相同的优点，但轻度混合动力汽车的电动机是7至12KW，工作电压为150V（140V），能够与内燃机一起发动汽车。然而轻度混合动力汽车不能脱离内燃机（主动力）单独发动汽车，因为它的电动机与内燃机共用一个主轴，如图五a所示。这种配置通常可获得燃油效率高达30%,并且能够减小内燃机体积[13]。轻度混合动力汽车的实例有GMC Sierra、pickup, Honda Civic/Accord 和 Saturn Vue。现在，大部分汽车制造商已经形成一致的步伐制造全混合动力汽车，因为它能靠电动机或内燃机单独运行。在不影响驾驶性能的情况下，全混合动力汽车能节省40%的燃油。通常情况下，这种汽车具有大容量储能系统（ESS），工作电压为330 V (288 V)。全混合动力汽车可分为增程式电动车(EREV)和系列全混合动力汽车，如图五b所示。混合动力电动汽车（HEV）或并行全混合动力系统、系列全混合动力汽车、复合全混合动力汽车如5(c)–(e)所示。插电式混合动力汽车（PHEV）如图5(f)所示。增程式电动车与纯电动汽车一样以电动机作为为唯一推动力，但区别是增程式电动车具有嵌入式发电机在电量过低时可续航。雪佛兰伏特是目前市面上可见的一种增程式电动车。系列全混合动力汽车和系列插电式混合动力汽车的优点是根据发电机电力和燃料容量可减少汽车电池，这降低了车辆整体效率的25.7%，也是全混合动力汽车中最低的。但这却适用于经常性停止的驾驶模式，如城市驾驶模式。它的再生制动保留并储存了大部分能量进入储能系统[14–16]。

图五5(c)–(e) 中提到的典型配置，并行式全混合动力汽车的机械式耦合器中有两个推进动力（电动机和内燃机），并能将混合动力汽车总体效率提高至43.4%。而另一方面，并行全混合动力汽车的电池容量较低。它的优点是在行驶过程中，电动机与内燃机能够相互配合，这使得不论是在高速行驶状态还是城市行驶状态中，并行全混合动力汽车都能成为更为理想的选择。与系列全混合动力汽车相比，并行全混合动力汽车由于具有更小的电动机和小体积电池而具有更高的效率。系列并行式全混合动力汽车具有两个功率耦合器，一个是机械动力，一个是电动力。虽然它同时具有系列全混合动力汽车与并行全混合动力汽车的优点，但也相对更加复杂和昂贵。复合式全混合动力汽车看起来与系列并行式全混合动力汽车具有相同的配置，但关键区别在于它的功率转换器是加在电动机/发电机和电动机上的，这使其相较于系列并行式全混合动力汽车稳定性、可控性更好。系列并行式全混合动力汽车与复合式全混合动力汽车在控制策略上比另外两种配置具有更高的灵活性。尽管如此，它们的主要挑战是需要精确的控制策略。此外，全混合动力汽车的构造只需最低的成本，能选择使用现有制造商的引擎、电池和发动机[14-16]。Toyota Prius、ToyotaAuris,、Lexus LS 600h,、Lexus CT 200h和 Nissan Tino是已经实现商业化的系列并行式全混合动力汽车，Honda Insight、Honda Civic Hybrid 和Ford Escape是商业化的并行式全混合动力汽车。

插电式混合动力汽车与全混合动力汽车相似，但它的电池能接入电网进行充电。事实上，插电式混合动力汽车是由混合动力汽车直接演变而来的，如图5(f)所示，系列并行式全混合动力汽车的电池上加上一个充电器就改装成了插电式混合动力汽车。所以在行驶过程中驱动程序能从电池组获取能量而非从内燃机，这是一个能进一步提高车辆性能的策略。例如,在城市开车或短距离行驶过程中，驱动程

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[147408]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word