CN104290592B - 基于电辅件设备的串联混合动力客车动力系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种基于电辅件设备的串联混合动力客车动力系统及其控制方法，包括：辅助动力单元储能装置、驱动电机、电辅件设备、以及整车控制器，所述辅助动力单元包括发动机、由发动机驱动的发电机，发动机为所述储能装置和驱动电机提供电能，所述储能装置以及发电机联合为所述电辅件设备提供电能；整车控制器根据客车的车速以及储能装置的荷电状态控制APU启动信号以及APU功率跟随信号。在本发明中，使用储能装置以及发电机联合为电辅件设备提供电能，整车控制器根据车速和储能装置的荷电状态判断电辅件设备中的发动机是否能够怠速停机，能够在为电辅件设备提供电能的同时实现发动机怠速停机，从而降低发动机油耗。

Description

基于电辅件设备的串联混合动力客车动力系统及控制方法
技术领域
本发明涉及串联混合动力客车的动力系统，特别涉及一种基于电辅件设备的串联混合动力客车动力系统及控制方法。
背景技术
串联混合动力客车的动力系统的特征是以电力形式进行复合，发动机直接驱动发电机对储能装置和牵引电机供电，电动机用来驱动车轮，储能装置起着发动机输出和电动机需求之间的调节作用。它是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，发动机、发电机和驱动电动机采用“串联”的方式组成的驱动系统。用发动机－发电机组均衡地发电，电能供应驱动电动机或动力电池组，使它的行驶里程得到延长。
目前的串联混合动力客车的动力系统大部分采用机械的辅件形式，例如空调通过发动机皮带轮的工作时期工作，因此其大多是以发动机作为辅件设备的主要能量来源。这种结构的缺点在于空调等辅件设备必须工作在发动机运转的过程中，在遇到道路拥堵等需要频繁启停的城市交通工况下，发动机无法在车辆停车时实现怠速的停机，这造成了发动机的油耗偏高，影响了整车的经济性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于电辅件设备的串联混合动力客车动力系统及控制方法，根据车速、储能装置荷电状态来确定辅助动力单元和储能装置之间的能量分配，当车速和储能装置荷电状态满足怠速停机条件时，能够实现辅助动力单元中的发动机怠速停机。
本发明提供的一种基于电辅件设备的串联混合动力客车动力系统，包括：辅助动力单元（Auxiliary Power Unit,APU）、储能装置、驱动电机、电辅件设备、以及整车控制器，所述辅助动力单元包括发动机、由发动机驱动的发电机，
发动机为所述储能装置和驱动电机提供电能，所述储能装置以及辅助动力单元联合为所述电辅件设备提供电能；
整车控制器根据客车的车速以及储能装置的荷电状态控制APU启动信号以及APU功率跟随信号。
优选地，进一步包括辅助动力单元控制器、储能装置控制器、电辅件设备控制器、以及驱动电机控制器，
整车控制器分别通过辅助动力单元控制器、储能装置控制器、和电辅件设备控制器采集客车的车速和储能装置的荷电状态，以及控制APU启动信号以及APU功率跟随信号。
优选地，整车控制器通过总线与辅助动力单元控制器、储能装置控制器、电辅件设备控制器、以及驱动电机控制器连接；
整车控制器通过总线电压、驱动电机控制器的输入直流侧电流以及电辅件设备控制器的输入直流电流确定APU功率需求信号。
本发明还提供了一种以上所述的串联混合动力客车动力系统的控制方法，包括：
步骤A：整车控制器初始化APU启动信号、APU功率跟随信号和APU功率需求信号；
步骤B：整车控制器检测客车的车速以及储能装置的荷电状态；
步骤C：整车控制器根据检测的客车的车速以及储能装置的荷电状态，控制APU启动信号以及APU功率跟随信号。
优选地，步骤B中进一步包括整车控制器检测总线电压、驱动电机控制器的输入直流侧电流以及电辅件设备控制器的输入直流电流。
优选地，步骤A中，
APU启动信号置位为0，APU功率跟随信号置位为0，APU功率需求信号设置为0。
优选地，步骤C具体包括：
步骤C1：整车控制器判断车速是否大于最低车速阈值，如果是，则执行步骤C5，如果否，则执行步骤C2；
步骤C2：整车控制器判断储能装置的荷电状态是否小于等于最高荷电阈值，如果是，则执行步骤C3，如果否，则执行步骤A；
步骤C3：整车控制器判断储能装置的荷电状态是否小于等于最低荷电阈值，如果是，则执行步骤C4，如果否，则执行步骤C5；
步骤C4：整车控制器将APU启动信号置位为1，APU功率跟随信号置位为0，APU功率需求信号设置为发动机所在经济区内的最高值，然后执行步骤B；
步骤C5：整车控制器将APU启动信号置位为1，APU功率跟随信号置位为1，APU功率需求信号设置为由总线电压、驱动电机控制器的输入直流侧电流、以及电辅件设备控制器的输入直流电流确定。
优选地，所述最低车速阈值为0～10km/h，最高荷电阈值为满荷电状态的80%，最低荷电阈值为满荷电状态的40%。
优选地，所述发动机所在经济区内的最高值为发动机油耗最低区域内转速与转矩乘积的最大值，且该点在发动机的外特性曲线之内。
由上述技术方案可见，在本发明中，使用储能装置以及辅助动力单元联合为电辅件设备提供电能，整车控制器根据车速和储能装置的荷电状态判断辅助动力单元中的发动机是否能够怠速停机。当车速低于最低车速阈值，且储能装置的荷电状态高于最高荷电阈值时，即储能装置能够独立为电辅件设备提供电能，此时整车控制器可通过置位APU启动信号来关闭发动机，以实现在为电辅件设备提供电能的同时实现发动机怠速停机，从而降低发动机油 耗。
进一步地，本发明中的APU跟随功率由总线电压、驱动电机控制器的输入直流侧电流、以及电辅件设备控制器的输入直流电流确定，整车油耗可降低20%至30%，增强了整车的经济性。
附图说明
图1为本发明的串联混合动力客车动力系统的结构示意图；
图2为本发明的串联混合动力客车动力系统的控制方法的流程图；
图3为图2中控制方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种基于电辅件设备的串联混合动力客车动力系统及其控制方法，在本发明中使用储能装置以及辅助动力单元联合为电辅件设备提供电能，整车控制器根据车速和储能装置的荷电状态判断电辅件设备中的发动机是否能够怠速停机。
图1为本发明的串联混合动力客车动力系统的结构示意图。如图1所示，本发明提供的一种基于电辅件设备的串联混合动力客车动力系统包括：辅助动力单元（AuxiliaryPower Unit,APU）101、储能装置102、驱动电机103、电辅件设备104、以及整车控制器105，其中，辅助动力单元101包括发动机111、由发动机111驱动的发电机112。电辅件设备104可包括电空调、电动助力转向、风扇等由电能供给能力的部件。
发动机111为储能装置102和驱动电机103提供电能，储能装置102以及辅助动力单元101联合为电辅件设备104提供电能。
整车控制器105根据客车的车速以及储能装置的荷电状态控制APU启动信号以及APU功率跟随信号，以实现控制APU101的工作状态和电辅件设备104的供电状态。
当然，为了适应不同部件对于交流、直流输入、输出电压的要求，APU101进一步包括将发动机112所输出的交流电转换为直流电输出的AC/DC变换器114，驱动电机的输入端进一步包括将直流电转换为交流电输入的DC/AC变换器132。
进一步地，本发明还包括辅助动力单元控制器113、发动机控制器115、储能装置控制器121、电辅件设备控制器141、以及驱动电机控制器131。整车控制器105分别通过辅助动力单元控制器113、发动机控制器115、储能装置控制器121、和电辅件设备控制器141采集客车的车速和储能装置的荷电状态，以及控制APU启动信号以及APU功率跟随信号。对应于电辅件设备104，电辅件设备控制器141可包括空调控制器、助力转向控制器等。储能装置102以及电辅件设备控制器141均采用直流电输入，因此其电源输入端均分别与AC/DC变换器114的输出端串联连接。
具体地，发动机111的动力输出轴与发电机112的动力输入轴连接，发电机112的电输出端与AC/DC转换器114的交流电输入端连接。AC/DC转换器114的直流电信号输出端与储能装置102的直流输入输出端、电辅件设备控制器141的直流输入端、DC/AC变换器132的直流输入端连接，DC/AC变换器132的交流输出端与驱动电机103的交流输入端连接。
发动机控制器115的信号输入端与发动机传感器连接，发动机控制器115的信号输出端与发动机执行机构连接；APU控制器113的信号输入端与发动机控制器115的信号输出端、整车控制器105的信号输出端连接，APU控制器113的信号输出端与发动机控制器115的信号输入端、整车控制器105的信号输入端连接；储能装置102的信号输出端与储能装置控制器121的信号输入端连接，储能装置102的信号输入端与储能装置控制器121的信号输出端连接；储能装置控制器121的信号输入端与整车控制器105的信号输出端 连接，储能装置控制器121的信号输出端与整车控制器105的信号输入端连接；电辅件设备104的信号输入端与电辅件设备控制器141的信号输出端连接，电辅件设备104的信号输出端与电辅件设备控制器141的信号输入端连接。
本发明的基于电辅件设备的串联混合动力客车动力系统在工作时，将APU101的电源信号输出端与储能装置102的充电端、驱动电机103使用的DC/AC变换器132的直流电源输入端、以及电辅件设备102的电辅件设备控制器121的供电电源输入端连接。APU101启动时，APU控制器113通过发动机控制器115将发动机控制信号（APU启动信号）传送至发动机111，发动机111工作且带动发电机112实现发电，所产生的交流电通过AC/DC变换器114转换成直流电输出，APU101发送的电能与储能装置102的电能在APU101与储能装置102的连接处A点实现电能的混合，以联合为电辅件设备104提供电能。
而当车速低于最低车速阈值，且储能装置102的荷电状态大于最高荷电阈值时，即车速满足发动机111怠速停机条件，且储能装置102的荷电状态满足其单独为电辅件设备104提供电能的情况下，整车控制器105将APU启动信号置位为0、APU功率跟随信号置位为0、APU功率需求信号设置为0，其通过APU控制器113、进而通过发动机控制器115控制发动机111怠速停机，此时电辅件设备104由储能装置102储存的电能供电，以实现发动机怠速停机、降低油耗的目的，且不影响空调等电辅件设备的使用。
优选地，整车控制器105通过总线与APU控制器113、储能装置控制器121、电辅件设备控制器141、以及驱动电机控制器131连接。则整车控制器105通过检测到的总线电压、驱动电机控制器131的输入直流侧电流、以及电辅件设备控制器141的输入直流电流来确定APU功率需求信号。具体地，APU功率需求=总线电压*驱动电机控制器的输入直流侧电流+总线电压*电辅件设备控制器的输入直流电流。
本发明还提供了一种对于如图1所示的串联混合动力客车动力系统的控制方法。如图2所示，本发明的基于电辅件设备的串联混合动力客车动力系统的控制方法，包括：
步骤A：整车控制器初始化APU启动信号、APU功率跟随信号和APU功率需求信号；
步骤B：整车控制器检测客车的车速以及储能装置的荷电状态；
步骤C：整车控制器根据检测的客车的车速以及储能装置的荷电状态，控制APU启动信号以及APU功率跟随信号。
基于图1所示的动力系统，整车控制器根据检测的客车的车速以及储能装置的荷电状态判断是否能够实现发动机怠速停机，当车速低于最低车速阈值，且储能装置的荷电状态大于最高荷电阈值时，即车速满足发动机怠速停机条件，且储能装置的荷电状态满足其单独为电辅件设备提供电能的情况下，整车控制器将APU启动信号置位为0、APU功率跟随信号置位为0，其控制发动机怠速停机，此时电辅件设备由储能装置储存的电能供电，以实现发动机怠速停机、降低油耗的目的，且不影响空调等电辅件设备的使用。
图3示出了本发明的串联混合动力客车动力系统的控制方法的一个实施例的流程图。该方法包括如下步骤：
步骤A1：APU启动信号置位为0，APU功率跟随信号置位为0，APU功率需求信号设置为0；
步骤B1：整车控制器检测车速、储能装置荷电状态、总线电压、驱动电机控制器的输入直流侧电流以及电辅件设备控制器的输入直流电流；
步骤C1：整车控制器判断车速是否大于最低车速阈值，如果是，则执行步骤C5，如果否，则执行步骤C2；
步骤C2：整车控制器判断储能装置的荷电状态是否小于等于最高荷电阈值，如果是，则执行步骤C3，如果否，则执行步骤A1；
步骤C3：整车控制器判断储能装置的荷电状态是否小于等于最低荷电阈 值，如果是，则执行步骤C4，如果否，则执行步骤C5；
步骤C4：整车控制器将APU启动信号置位为1，APU功率跟随信号置位为0，APU功率需求信号设置为发动机所在经济区内的最高值，然后执行步骤B1；
步骤C5：整车控制器将APU启动信号置位为1，APU功率跟随信号置位为1，APU功率需求信号设置为由总线电压、驱动电机控制器的输入直流侧电流、以及电辅件设备控制器的输入直流电流确定；执行步骤B1。
表1 APU启动信号、APU功率跟随信号与车辆动力系统工作状态的关系表
APU启动信号 APU功率跟随信号 车辆动力系统工作状态
0 0 车辆停车、动力系统不工作（怠速停机）
1 0 储能装置荷电状态过低
1 1 车辆正常行驶状态
如表1所示，整车控制器根据车速和储能装置的荷电状态判断车辆动力系统应当工作的状态，当车速低于最低车速阈值、且储能装置的荷电状态大于最高荷电阈值时，此时车辆状态满足发动机怠速停机条件，则整车控制器将APU启动信号和APU功率跟随信号置位为00状态，此时发动机怠速停机，其APU输出功率为0。当车速低于最低车速阈值、且储能装置的荷电状态在最高与最低荷电阈值之间时，或者车速高于最低车速阈值时，此时车辆状态为整车行驶状态，因此整车控制器将APU启动信号和APU功率跟随信号置位为11状态，车辆整车行驶，且APU功率需求=总线电压*驱动电机控制器的输入直流侧电流+总线电压*电辅件设备控制器的输入直流电流。当车速低于最低车速阈值、且储能装置的荷电状态小于等于最低荷电阈值时，则储能装置荷电状态过低，整车控制器将APU启动信号和APU功率跟随信号置位为10状态，且APU功率需求置为发动机所在经济区内的最高值。
具体地，最低车速阈值为0～10km/h，最高荷电阈值为满荷电状态的80%， 最低荷电阈值为满荷电状态的40%。
优选地，发动机所在经济区内的最高值为发动机油耗最低区域内转速与转矩乘积的最大值，且该点在发动机的外特性曲线之内。
由上述技术方案可见，在本发明中，使用储能装置以及辅助动力单元联合为电辅件设备提供电能，整车控制器根据车速和储能装置的荷电状态判断电辅件设备中的发动机是否能够怠速停机。当车速低于最低车速阈值，且储能装置的荷电状态高于最高荷电阈值时，即储能装置能够独立为电辅件设备提供电能，此时整车控制器可通过置位APU启动信号来关闭发动机，以实现在为电辅件设备提供电能的同时实现发动机怠速停机，从而降低发动机油耗。
进一步地，本发明中的APU跟随功率由总线电压、驱动电机控制器的输入直流侧电流、以及电辅件设备控制器的输入直流电流确定，整车油耗可降低20%至30%，增强了整车的经济性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电辅件设备的串联混合动力客车动力系统，其特征在于，包括：辅助动力单元APU、储能装置、驱动电机、电辅件设备、以及整车控制器，所述辅助动力单元包括发动机、由发动机驱动的发电机，
发动机为所述储能装置和驱动电机提供电能，所述储能装置以及辅助动力单元APU联合为所述电辅件设备提供电能；
整车控制器根据客车的车速以及储能装置的荷电状态控制辅助动力单元APU启动信号以及辅助动力单元APU功率跟随信号，以控制发动机的工作状态，其中，所述根据客车的车速以及储能装置的荷电状态控制辅助动力单元APU启动信号以及辅助动力单元APU功率跟随信号，以控制发动机的工作状态包括：
整车控制器初始化辅助动力单元APU启动信号、辅助动力单元APU功率跟随信号和辅助动力单元APU功率需求信号，其中，辅助动力单元APU启动信号置位为0，辅助动力单元APU功率跟随信号置位为0，辅助动力单元APU功率需求信号设置为0；
整车控制器判断车速是否大于最低车速阈值，如果是，则整车控制器将辅助动力单元APU启动信号置位为1，辅助动力单元APU功率跟随信号置位为1，辅助动力单元APU功率需求信号设置为由总线电压、驱动电机控制器的输入直流侧电流、以及电辅件设备控制器的输入直流电流确定，如果否，则整车控制器判断储能装置的荷电状态是否小于等于最高荷电阈值；如果否，则整车控制器初始化辅助动力单元APU启动信号、辅助动力单元APU功率跟随信号和辅助动力单元APU功率需求信号，如果是，则整车控制器判断储能装置的荷电状态是否小于等于最低荷电阈值；如果是，则整车控制器将辅助动力单元APU启动信号置位为1，辅助动力单元APU功率跟随信号置位为0，辅助动力单元APU功率需求信号设置为发动机所在经济区内的最高值，如果否，整车控制器将辅助动力单元APU启动信号置位为1，辅助动力单元APU功率跟随信号置位为1，辅助动力单元APU功率需求信号设置为由总线电压、驱动电机控制器的输入直流侧电流、以及电辅件设备控制器的输入直流电流确定。
2.根据权利要求1所述的串联混合动力客车动力系统，其特征在于，进一步包括辅助动力单元控制器、储能装置控制器、电辅件设备控制器、以及驱动电机控制器，
整车控制器分别通过辅助动力单元APU控制器、储能装置控制器、和电辅件设备控制器采集客车的车速和储能装置的荷电状态，以及控制辅助动力单元APU启动信号以及辅助动力单元APU功率跟随信号。
3.根据权利要求2所述的串联混合动力客车动力系统，其特征在于，整车控制器通过总线与辅助动力单元APU控制器、储能装置控制器、电辅件设备控制器、以及驱动电机控制器连接；
整车控制器通过总线电压、驱动电机控制器的输入直流侧电流以及电辅件设备控制器的输入直流电流确定辅助动力单元APU功率需求信号。
4.根据权利要求3所示的串联混合动力客车动力系统，其特征在于，当车速低于最低车速阈值，且储能装置的荷电状态大于最高荷电阈值时，整车控制器将辅助动力单元APU启动信号置位为0、辅助动力单元APU功率跟随信号置位为0、辅助动力单元APU功率需求信号设置为0。
5.一种基于权利要求1至4中任一项所述的串联混合动力客车动力系统的控制方法，其特征在于，包括：
步骤A：整车控制器初始化辅助动力单元APU启动信号、辅助动力单元APU功率跟随信号和辅助动力单元APU功率需求信号，其中，辅助动力单元APU启动信号置位为0，辅助动力单元APU功率跟随信号置位为0，辅助动力单元APU功率需求信号设置为0；
步骤B：整车控制器检测客车的车速以及储能装置的荷电状态；
步骤C：整车控制器根据检测的客车的车速以及储能装置的荷电状态，控制辅助动力单元APU启动信号以及辅助动力单元APU功率跟随信号，以控制发动机的工作状态，步骤C具体包括：
步骤C1：整车控制器判断车速是否大于最低车速阈值，如果是，则执行步骤C5，如果否，则执行步骤C2；
步骤C2：整车控制器判断储能装置的荷电状态是否小于等于最高荷电阈值，如果是，则执行步骤C3，如果否，则执行步骤A；
步骤C3：整车控制器判断储能装置的荷电状态是否小于等于最低荷电阈值，如果是，则执行步骤C4，如果否，则执行步骤C5；
步骤C4：整车控制器将辅助动力单元APU启动信号置位为1，辅助动力单元APU功率跟随信号置位为0，辅助动力单元APU功率需求信号设置为发动机所在经济区内的最高值，然后执行步骤B；
步骤C5：整车控制器将辅助动力单元APU启动信号置位为1，辅助动力单元APU功率跟随信号置位为1，辅助动力单元APU功率需求信号设置为由总线电压、驱动电机控制器的输入直流侧电流、以及电辅件设备控制器的输入直流电流确定，然后执行步骤B。
6.根据权利要求5所述的串联混合动力客车动力系统的控制方法，其特征在于，步骤B中进一步包括整车控制器检测总线电压、驱动电机控制器的输入直流侧电流以及电辅件设备控制器的输入直流电流。
7.根据权利要求5所述的串联混合动力客车动力系统的控制方法，其特征在于，所述最低车速阈值为0～10km/h，最高荷电阈值为满荷电状态的80％，最低荷电阈值为满荷电状态的40％。
8.根据权利要求5所述的串联混合动力客车动力系统的控制方法，其特征在于，所述发动机所在经济区内的最高值为发动机油耗最低区域内转速与转矩乘积的最大值，且该最大值对应的点在发动机的外特性曲线之内。
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