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电动汽车能源和能源管理体系综述
摘要：全球变暖的问题和化石燃料的缺乏，给了电动汽车(EV)发展的机会。此外,电力电子技术已经迅速发展到高节能汽车。在所有的耗能型交通工具中，电动汽车能最好的减少全球温室气体排放。然而,电动汽车面临着巨大的挑战，电池成本占电动汽车成本的三分之一。综合电动汽车能源利用,存储设备,电源转换器,低级控制能源管理策略和高主管控制算法等多方面，可以看出电动汽车技术有着明显的优缺点。此外,本文也概述了电动汽车驱动周期的标准和模式。电力电子与电力处理器的发展已经可以利用复杂控制(低级和高监督算法)实现电动汽车达到最佳性能以及电池快充。电动汽车的快速增长使得可替代资源的集成到公用电网,因此智能电网控制管理需求起着重要的作用。环境问题和能源危机的意识促进了全球电动汽车的销售。
关键词：
能源管理 电动车 混合电动汽车 监督管理 优化 驱动周期
目录
摘要： 1
关键词： 1
1.简介 2
2.电动汽车系统总览 3
2.1介绍 3
2.2内燃机车辆（ICEV） 4
2.3混合动力汽车（HEV） 4
2.4全电动车（AEV） 5
1.简介
电动汽车(EV)在过去十年中承诺解决温室气体(GHG)的问题，以此获得了社会巨大的注意力。随着不断上升的全球变暖意识，20世纪末,世界能源危机为汽车领域带来利益。交通行业是全球温室气体排放的最大贡献者。传统车辆运营通过内燃机(ICE)利用化石燃料(如汽油或柴油)，排放如二氧化碳、碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化合物、水等气体。从美国能源信息管理局(EIA)统计数据库得到，世界能源消费分布如图1所示，二氧化碳排放量分布如图2[1]所示。在2012，交通行业几乎消费世界能源消费总量的27%，排放了全球33.7%的温室气体。
推广使用电动汽车是一种减少全球温室气体排放的有效解决方案。通过使用电动力驱动的汽车，相较于汽油动力汽车，不仅可以提供清洁和安静的氛围，而且可以大幅降低运营成本。电动汽车每英里约花费2美分,,而内燃机汽车每英里花费12美分。例如,每加3美元的汽油可以跑 30英里，既0.10美元/英里,但对于电动汽车,每千瓦时跑3英里，如果0.12美元/千瓦时，既0.04美元/英里。汽车消费者协会（The Envisioneering Group Consumer Metrics, SAE）统计显示,使用传统内燃机汽车的普通消费者每年在加油站用掉41 小时40分钟，而使用电动汽车的消费者利用晚上充电，每年可以节省近15 小时消耗在加油站的时间。除此之外，电动汽车还具有灵活性集成的优势，能源发电机如燃料电池、太阳能电池板、再生制动和任何其他合适的发电机都可以集成到电动汽车上。因此，电动汽车在交通领域具有更好的性能。
据美国能源部(USDE)研究表明,只有约15%的汽车总燃料能源在运行汽车及其相关配件上，其余大多数的能量转化为热量在燃烧,因此直接导致了全球变暖。一个典型的内燃机汽车能量流如图3所示。一般来说,内燃机汽车由运动摩擦产生的热量散发，会造成很大的总燃料损失。也正因为这，一个内燃机汽车需要频繁的维护。然而,电动汽车超过75%的能源用于汽车运行。如今，电动车平均每存储一千瓦时的电力可以运行4 - 8英里。
然而如今,电动汽车和混合动力汽车面临着巨大的挑战--电池成本占了电动汽车总成本的近三分之一。最近的一项由伯恩斯坦研究公司（ Bernstein Research）和 Ricardo PLC共同提出的，题为“全球汽车:不相信炒作——成本和潜在的节能技术”的分析报告中，得出了以下结论,45.3%的电动汽车成本用于电动汽车的电池。正因为如此,汽车行业面临的最主要挑战就是发展最先进的电池系统。补充技术。表1显示了BEV, HEV, PHEV and ICEV插电式混合动力汽车和ICEV混合的年平均燃料成本。除此以外,下一个挑战将是车辆效率的提高。电动汽车研发主要有两个方面:其一是减少变速电力驱动单元的附加损失常数，通过减少皮带、齿轮以及马达驱动器,其二将集中在电动机械传动，包括传动,直接驱动汽车和电力电子技术支持的遥控驱动汽车。
另一方面,电动汽车,尤其PHEV and BEV需要储能充电,这会对公用互联电网构成新的挑战。现在，交通能源消耗已经从传统的内燃机转换到电能充电储能设备的消耗。这会直接影响到公用互联电网的电网平衡。近年来,许多国家投资在可再生能源(如风能和太阳能)以满足增加的能源需求,从而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值负载小时的电力消耗,以及支持于电动汽车充电需求的供应管理。从另一个方面来看,汽车电网(V2G)系统的概念,即反向充电技术，最近被提入人们的视野中。在已有发表的文献中指出，大约95%的电动车在停车后会连接到电网进行充电。因此,这表明电网高峰电力需求或储备后备能源输出中的能源回馈有很大的发展潜力。研究人员也提出一些针对汽车电网的营销策略和商业模式。
本文的目的是回顾可用能源的最新技术，电动汽车的能量发生器，电力转换器，低水平的控制能量管理策略以及车辆的高主管控制算法使用情况。 下面将讨论汽车技术优势与劣势的比较。 目前所有与电动汽车相关的技术都将进行讨论。 本文组织如下：第1节解释了当前车辆和未来车辆的发展概况；第2节概述了所有类型的车辆配置；第3节中讨论用于电动汽车的储能和能量发生装置的最新技术；第4节将对能量管理拓扑和控制算法策略的概述进行说明；第5节强调了驾驶考试标准；并在第6节中得出结论。
2.窗体顶端
2.电动汽车系统总览
2.1介绍
窗体顶端
车辆可以分为内燃机汽车（ICEV），混合动力汽车（HEV）和全电动车辆（AEV）三类。 图4显示所有可用的车辆类型。下面将讨论车辆的所有详细定义。
导出杂交因子（HF），以计算混合动力车辆或电动车辆的比例[9,10]，如公式（1），其中来自电动机（EM）的功率除以电动汽车（PEM）和内燃机车（PICE）的总功率。假设车辆没有辅助能源（AES）辅助，混合动力汽车通常可以分为轻度或中型混合动力电动汽车（轻度HEV）和全混合动力汽车（全HEV）。
HFfrac14;PEM =eth;P EMthorn;PICETHORN;：
目前，有两种将电动机级联到内燃机的方法。一个是通过与内燃机和电动机共享相同的轴；第二个是通过电源分配路径。在车辆混和的每个阶段都可以看出，以加仑（mpg）为单位计算的燃料效率差异。燃油效率从传统的内燃机车辆增加到全电动车，如表2所示。环境保护局（EPA）的脚注解释说：“MPGe是每加仑汽油当量里数，代表每英里非汽油燃料的能量相当于一加仑汽油中的能量的量。对于电动车或插电式混合动力电动车（PHEV），33.7 kWh的电力代表与一加仑汽油相同的能量[11,12]。
2.2内燃机车辆（ICEV）
内燃机汽车具有燃烧室，用于将化学能转化为热能和动能以推进车辆。 它有两种类型的车辆：没有电动机协助和获得最低燃油经济性和微混合动力电动车辆（微型混合动力汽车）的常规内燃机汽车，其具有低工作电压14V（12V）的电动机和不超过 5 kW只能从关闭状态重新启动内燃机，而不会有任何动力来推动车辆。 在惯性驾驶期间，制动或停止内燃机关闭，以便将燃油经济性提高5-15％（在城市/城市驾驶环境中）。目前在欧洲销售的雪铁龙C3就是微型内燃机。
2.3混合动力汽车（HEV）
混合电动汽车（HEV）是使用内燃机和电动机作为动力源来移动车辆的车辆。现在，混合电动汽车有六种类型的传动系架构，如图所示。 5.轻型混合电动汽车与微型混合电动汽车具有相同的优势，但轻型混合电动汽车中的电动机的电力功率为7-12 kW，工作电压为150 V（140 V），可与内燃机一起运行。然而，它不能没有内燃机（主电源）运行，因为它们共享相同的轴，如图 5（a）所示。这种类型的配置通常可以使燃油效率高达30％，并可以减小内燃机的尺寸[13]。 GMC Sierra皮卡，本田思域/雅阁和土星Vue是轻度混合电动汽车的示例。今天，大多数汽车制造商都采用同样的步伐来生产全混合电动汽车，因为它使用的分离式电源路径只需要在内燃机或电动机上运行。在不损害驾驶性能的前提下，全混合电动汽车可节省多达40％的燃油。通常，这种类型的混合电动汽车具有高容量储能系统（ESS）工作电压为330 V（288 V）。全混合电动汽车可分为扩展电动车（EREV）或系列全混合电动汽车，如图1所示5（b），混合动力电动汽车（HEV）或并联全混合电动汽车，串并联全混合电动汽车，复合全混合电动汽车，（如图1所示分别为图5（c） - （e））和插电式混合电动车辆（PHEV）。 5（f）。扩展电动车使用电动机作为唯一的推进动力作为电池电动车（BEV），但不同之处在于它们仍然具有内置的高效率（内燃机）发电机，以在电池电量低时进行充电。雪佛兰伏特是目前市场上可用的扩展电动车之一。这种车辆被认为是系列全混合动力电动汽车或系列插入式混合动力电动汽车。这种配置的优点是车辆的电池可以根据发电机功率和燃料容量而减少。这将整车效率降低到25.7％左右，这是其他全混合动力电动汽车中最低的。但适用于停车驾驶模式，即城市驾驶模式。它将大部分再生制动能量储存并储存到高容量储能系统 [14-16]。
参考图1中的典型配置。图5（c） - （e）中，平行全混合动力电动汽车在机械耦合器中具有两个推进功率（内燃机和电动机），能够将总体混合动力电动汽车效率提高到43.4％。另一方面，并联全混合动力电动汽车具有较弱的电池容量。并联全混合动力电动汽车的优点之一是电动机和内燃机在驾驶过程中相互补充。这使得并行全混合动力电动汽车在高速公路驾驶和城市驾驶条件下成为更理想的车辆。与串联全混合动力电动汽车相比，并联全混合动力电动汽车由于电动机和电池尺寸更小，效率更高。串并联全混合动力电动汽车传动系采用两个功率耦合器，通过机械动力和电力供电。虽然它具有串联全混合动力电动汽车和并联全混合动力电动汽车的优点，但它相对更复杂和昂贵。复杂混合似乎与串并联混合相似。然而，主要区别在于将电力转换器添加到电动机/发电机和电动机。这使得复杂的全混合动力电动汽车比串并联全混合动力电动汽车更可控和可靠。对于串并联全混合动力电动汽车和复合全混合动力电动汽车，他们的控制策略比其他两种配置更灵活。然而，主要的挑战是需要精确的控制策略。此外，全混合动力电动汽车配置提供了最低的成本和使用现有制造商的方法用于发动机，电池和电机的选择[14-16]。 Toyota Prius，ToyotaAuris，Lexus LS 600h，Lexus CT 200h和Nissan Tino均为市售的串并联全混合动力电动汽车，而本田Insight，本田公民混合动力车和福特Escape则是商用并联全混合动力电动汽车。
然而，插电式混合动力电动车辆（PHEV）类似于全混合动力电动汽车，但电池可以插入电网。实际上，插电式混合动力电动车辆直接从任何类型的混合动力电动汽车转变。例如，图5（f）显示了通过在电池旁边添加充电器将串并联混合动力电动汽车转换成插电式混合动力电动车辆。所以在运行过程中，驾驶员可以从电池组中更多地设置电力消耗，而不是内燃机，这是进一步提高车辆性能的策略之一。例如，在城市驾驶或短距离驾驶中，与使用内燃机发动机相比，驾驶员可以选择电动机模式以实现燃料效率。这种策略使得插电式混合动力电动车辆适合城市驾驶和公路驾驶模式。
2.4全电动车（AEV）
全电动汽车（AEV）是使用电力作为移动车辆的来源的车辆。目前，全电动汽车具有六种类型的电力传输配置，如图1所示。 6，但只有三种类型是着名的汽车制造商使用。 混合电动汽车和燃料电池电动车中传动系设计的配置是类似的。燃料电池是主要能源供应商或二次能源供应商之一，这取决于需求和当前的技术。图。图6（a）从传统的内燃机车辆直接转换。齿轮箱和离合器仍然保留在车辆中。图。 6（b）使用无离合器的单齿轮传动，以减小机械传动的尺寸和重量。与其他四种配置相比，两种配置都具有最低的效率。为了进一步简化传动系统的结构，如图1所示，使用集成的固定齿轮和差速器。 6（c）和（d）使用两个独立的电机和固定齿轮传动轴在转弯期间以不同的速度运行。然而，图6（e）配置是来自固定齿轮和电机的直接驱动（无驱动轴）。 如图6（f）所示，牵引电动机被放置在更加紧凑的车轮（轮内驱动）内。因此，可以减少电池电动车的尺寸，如三菱的Colt EV（2005）。这种配置最适合城市驾驶，由于其整体重量轻。然而，这种配置需要更高的扭矩牵引电机来启动加速。因此，由于电动机绕组中由高电流引起的焦耳加热形式的较高损耗，效率较低。然而，图。 4.具有工作电压330 V（288 V）的车辆分类。全混合动力电动汽车可分为扩展电动车（EREV）或系列全混合动力电动汽车，如图1所示。 5（b），混合动力电动汽车（HEV）或并联全混合动力电动汽车，串并联全混合动力电动汽车，复合全混合动力电动汽车，如图1所示。分别为图5（c） - （e）和插电式混合电动车辆（PHEV）（ 5（f））， 扩展电动车使用电动机作为唯一的推进动力作为电池电动车（BEV），但不同之处在于它们仍然具有内
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