CN104494416A - 一种串联式混合动力电动车能量管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种串联式混合动力电动车能量管理系统，包括能量源、高压智能配电器、锂电池单元、高压充电器、功率流控制器、电驱动系统、能量管理单元、电力电子变流装置、移动电站接口；发动机与发电机组机械连接，发电机组与整流装置连接，整流装置与高压智能配电器的输入端连接，高压智能配电器的输出端与电力电子交流设备、高压充电器、电驱动系统连接；功率流控制器与电驱动系统连接，电力电子变流装置与移动电站接口连接，高压充电器与锂电池单元连接，锂电池单元与功率流控制器连接，能量管理单元与发动机、整流装置、高压智能配电器、高压充电器、锂电池单元连接；本发明显著的提升了串联式混合动力电动车的可靠性、经济性、安全性及智能化程度。

Description

一种串联式混合动力电动车能量管理系统及方法

技术领域

本发明涉及电动车领域，特别是涉及电动车的能量管理系统。

背景技术

混合动力电动车目前可以分为串联式、并联式、混联式及复合式四种，其中串联式混合动力电动车是一个由多能量源向驱动装置(电动机)供电，以驱动车辆行驶的系统。串联式混合动力电动车采用电动机驱动方式，与传统机械传动方式相比，具有更为理想的转矩/转速控制特性。因此，通常串联式混合动力电动车的驱动系不需要采用多挡的传动装置。能够很大程度上简化传统车辆的传动系统，降低成本，但是，串联式混合动力电动车采用多种电能为驱动源，能量管理技术是支撑电驱车辆行驶的关键技术，因此亟需通过研究能量管理技术来显著的提升串联式混合动力电动车的可靠性、经济性、安全性及智能化程度。

发明内容

本发明的目的是提供一种串联式混合动力电动车能量管理系统，用于提升串联式混合动力电动车的可靠性、经济性、安全性及智能化程度；

本发明还提供了一种应用于上述串联式混合动力电动车能量管理系统的串联式混合动力电动车能量管理方法，用于更好的实现提升串联式混合动力电动车的可靠性、经济性、安全性及智能化程度的目的。

一种串联式混合动力电动车能量管理系统，包括发动机、发电机组、整流装置、高压智能配电器、锂电池单元、高压充电器、功率流控制器、电驱动系统、能量管理单元、电力电子变流装置、移动电站接口；发动机与发电机组机械连接，发电机组通过高压交流功率母线与整流装置连接，发电机组输出的高压交流电经整流装置转化成高压直流功率输出，整流装置通过高压直流功率母线与高压智能配电器的输入端连接，高压智能配电器的输出端通过高压直流功率母线与电力电子交流设备、高压充电器、电驱动系统连接；功率流控制器与电驱动系统连接，电力电子变流装置通过高压直流功率母线与移动电站接口连接，高压充电器通过高压直流功率母线与锂电池单元连接，锂电池单元通过高压直流功率母线与功率流控制器连接，能量管理单元通过数据总线与发动机、整流装置、高压智能配电器、高压充电器、锂电池单元连接。

本发明的串联式混合动力电动车能量管理系统还包括制动单元9，制动单元9与电驱动系统14连接，制动单元9用于负责，当直流母线电压超过限定值时，接通并联在母线上的制动电阻，消耗多余能量，保证直流母线电压维持在规定的范围内。

本发明的串联式混合动力电动车能量管理系统还包括双超级电容模组12、向功率变换器7，所述超级电容模组12通过高压直流功率母线与双向功率变换器7连接；双向功率变换器7、超级电容模组12分别通过数据总线与能量管理单元13连接；所述双向功率变换器7通过高压直流功率母线与高压智能配电器4、电驱动系统14连接。

一种串联式混合动力电动车能量管理方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、判断驱动功率与发电机组输出最大功率的大小关系，如果驱动功率小于发电机组的最大输出功率则执行步骤S2，如果驱动功率大于发电机组的最大输出功率则执行步骤S3；

S2、根据电驱动系统与储能装置对功率的需求，分别得出相应的可估算功率、动态调节功率，从而控制发动机组的输出所需功率，使得P_发电机组＝P_{可估算功率}+P_{动态调节功率}；

S3、控制发电机组工作在最大功率输出状态，同时控制储能装置输出功率供给电驱动系统14，使得P_{可估算功率}＝P_{发电机组最大功率}+P_{储能装置功率}，控制动态调节功率为零。

在步骤S2中对动态调节功率进行变限幅值的PI闭环调节。

所述动态调节功率的幅值满足如下关系式：

P_{动态调节功率正限幅}＜P_{发电机组最大功率}-P_{可估算功率}、P_{动态调节功率负限幅}＞-P_{可估算功率}。

本发明的有益效果为，通过研究能量管理技术，显著的提升了串联式混合动力电动车的可靠性、经济性、安全性及智能化程度。

下面结合附图对本发明的串联式混合动力电动车能量管理系统及方法作进一步说明。

附图说明

图1为串联式混合动力电动车能量管理系统原理图；

图2为发动机转速与功率关系示意图；

图3为动态调节功率PI闭环调节原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的串联式混合动力电动车能量管理系统，包括发动机1、发电机组2、整流装置3(发动机、发电机组、整流装置构成本发明的串联式混合动力电动车的能量源)、高压智能配电器4、锂电池单元11、高压充电器6、功率流控制器8、电驱动系统14、能量管理单元13、电力电子变流装置5、移动电站接口10；发动机1与发电机组2机械连接，发电机组2通过高压交流功率母线与整流装置3连接，发电机组2输出的高压交流电经整流装置3转化成高压直流功率输出，整流装置3通过高压直流功率母线与高压智能配电器4的输入端连接，高压智能配电器4的输出端通过高压直流功率母线与电力电子交流设备5、高压充电器6、电驱动系统14连接；功率流控制器8与电驱动系统14连接，电力电子变流装置5通过高压直流功率母线与移动电站接口10连接，高压充电器6通过高压直流功率母线与锂电池单元11连接，锂电池单元11通过高压直流功率母线与功率流控制器8连接；能量管理单元13通过数据总线与发动机1、整流装置3、高压智能配电器4、高压充电器6、锂电池单元11连接。

发动机1工作在变转速工作模式下，用于驱动发电机组2发电；发电机组2通过整流装置3(电机控制器)将交流功率流转换为直流功率流输出；高压智能配电器4用于根据实时接收的能量管理单元的能量分配命令，对供向电力电子变流装置5、高压充电器6、电驱动系统14的能量进行实时的调整；电力电子变流装置5与移动电站接口10结合实现对其它用电设备的供电(如制动空压机、电控助力转向设备等用电设备)；高压充电器6用于对锂电池单元11充电；双向功率变换器7用于实现超级电容模组的能量的双向流动(即充放电)；功率流控制器8用于控制锂电池单元11提供给电驱动系统14的电能；锂电池单元11包括锂电池组和电池管理系统BMS，负责纯电动行驶工况下电驱动系统14的能量供给及高速行车时发电机组2的能量补充，同时用于对电驱动系统提供功率；超级电容模组12是主要的母线功率均衡装置，同时用于对驱动系统提供功率；能量管理单元13用于根据实际情况，实时控制发动机1、整流装置3、高压智能配电器4、高压充电器6、锂电池单元11的供耗电关系。

通常来说，本发明的串联式混合动力电动车能量管理系统的控制目标是使发电机组2的输出功率等于负载用电功率(即电驱动系统14的驱动功率)，即发电机组输出功率跟踪式控制模式。该模式下能量管理单元13控制发动机1的功率跟随驱动功率变化，通过根据电驱动系统对驱动功率的需求，规划发动机1的运行曲线实现发动机的高效工作，同时避免储能装置(即锂电池单元11、超级电容模组12)的循环充放电，减少系统损耗。

如图2所示，为发动机转速与功率关系示意图，图中横坐标为发动机转速坐标，纵坐标为发动机功率坐标，虚曲线为发动机转速-功率曲线，阴影部分为发动机高效运行区，实际中根据电驱动系统14对驱动功率的需求，确定发动机的目标功率，再根据发动机转速-功率曲线确定使得发动机在高效率状态下达到目标功率的转速。

在上述实施例的基础上，本发明的串联式混合动力电动车能量管理系统还包括制动单元9，制动单元9与电驱动系统14连接，制动单元9用于负责，当直流母线电压超过限定值时，接通并联在母线上的制动电阻，消耗多余能量，保证直流母线电压维持在规定的范围内。

在上述实施例的基础上，本发明的串联式混合动力电动车能量管理系统还包括大容量超级电容模组12，而对超级电容模组12进行充放电的功率主要为发电机组2的动态调节功率，在车辆驱动行驶过程中，动态调节功率在发电机组2总功率中占据的比例较小，所以母线电压变化缓慢，因此，该控制方法中的PI调节器响应速度不要求很快(时间常数为秒级)，闭环控制难度小。

本发明中提出一种串联式混合动力电动车能量管理方法。该方法将发电机组2输出功率分为两部分。一部分是可估算功率，另一部分是动态调节功率，其中可估算功率用于供给电驱动系统14，动态调节功率用于供给制动空压机、电控助力转向设备等其它用电设备，以及锂电池单元11、超级电容模组12等储能装置。

本发明涉及的串联式混合动力电动车能量管理方法细分为两种控制模式。

在控制模式1中，驱动功率小于发电机组2输出最大功率，此时发电机组2实际功率等于可估算功率与动态调节功率之和，并且发电机组实际功率小于发电机组最大功率。

P_发电机组＝P_{可估算功率}+P_{动态调节功率}  式1

其中0＜P_发电机组＜P_{发电机组最大功率}。

在控制模式2中，驱动功率大于发电机组输出最大功率，此时发电机组2实际输出功率控制在最大输出功率，即此时发电机组实际功率等于发电机组最大功率如式2，并且此时动态调节功率为零，可估算调节功率等于发电机组最大功率加储能装置功率(即超级电容模组12及锂电池单元11功率)如式2-1。

P_发电机组＝P_{发电机组最大功率}  式2

P_{可估算功率}＝P_{发电机组最大功率}+P_{储能装置功率}  式2-1

如图3所示，在控制模式1中，发电机组2的动态调节功率工作在变限幅值的PI闭环调节模式。该闭环调节模式以直流母线电压期望值为给定值V_DC-Ref，以直流母线电压实际值为反馈值V_DC-Beck，进行变限幅值PI控制，通过对动态调节功率的闭环调节，使发电机组2满足不同负载供电需求下的能量系统匹配要求，同时发电机组2仍然工作在功率流控制模式，且直流母线电压稳定可控；闭环调节模式的输出为发电机组2的动态调节功率。依据发电机组的转动速度通过折算可以得到发电机组控制器的发电转矩的给定值。对于发动机1来说其效率调节仍然遵循对应的发动机转速-功率曲线跟踪关系。

发电机组2的动态调节功率正、负限幅值如式3、4所示。其限幅值随可估算功率的变化而变化。

P_{动态调节功率正限幅}＜P_{发电机组最大功率}-P_{可估算功率}  式3

P_{动态调节功率负限幅}＞-P_{可估算功率}  式4

发电机组2的可估算功率，即驱动功率作为发电机组功率控制的已知参数可以由加速踏板的行程及驱动电机当前转速运算得到。

在控制模式2中，电驱动系统14需求功率(机驱动功率)大于发电机组2输出最大功率。因此发电机组2工作在最大功率满载输出状态。除发电机组2外，超级电容模组12及锂电池单元11同时对电驱动系统提供功率，发电机组2工作在满载最大效率工作点。

本发明中，直流母线电压(超级电容模组电压)的给定值匹配要求如下：

V_{直流母线电压}＞V_锂电上限  式5

V_{直流母线电压}＜V_{制动电阻工作电压}  式6

利用上述实施例中所述的串联式混合动力电动车能量管理系统进行能量管理的方法包括如下步骤：

S1、判断驱动功率与发电机组输出最大功率的大小关系，如果驱动功率小于发电机组的最大输出功率则执行步骤S2，如果驱动功率大于发电机组的最大输出功率则执行步骤S3；

S2、根据电驱动系统与储能装置对功率的需求，分别得出相应的可估算功率、动态调节功率，从而控制发动机组的输出所需功率，使得P_发电机组＝P_{可估算功率}+P_{动态调节功率}；

S3、控制发电机组工作在最大功率输出状态，同时控制储能装置输出功率供给电驱动系统14，使得P_{可估算功率}＝P_{发电机组最大功率}+P_{储能装置功率}，控制动态调节功率为零。

在步骤S2中对动态调节功率进行变限幅值的PI闭环调节。

所述动态调节功率的幅值满足如下关系式：

P_{动态调节功率正限幅}＜P_{发电机组最大功率}-P_{可估算功率}、P_{动态调节功率负限幅}＞-P_{可估算功率}。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种串联式混合动力电动车能量管理系统，包括发动机(1)、发电机组(2)，其特征在于，还包括整流装置(3)、高压智能配电器(4)、锂电池单元(11)、高压充电器(6)、功率流控制器(8)、电驱动系统(14)、能量管理单元(13)、电力电子变流装置(5)、移动电站接口(10)；发动机(1)与发电机组(2)机械连接，发电机组(2)通过高压交流功率母线与整流装置(3)连接，发电机组(2)输出的高压交流电经整流装置(3)转化成高压直流功率输出，整流装置(3)通过高压直流功率母线与高压智能配电器(4)的输入端连接，高压智能配电器(4)的输出端通过高压直流功率母线与电力电子交流设备(5)、高压充电器(6)、电驱动系统(14)连接；功率流控制器(8)与电驱动系统(14)连接，电力电子变流装置(5)通过高压直流功率母线与移动电站接口(10)连接，高压充电器(6)通过高压直流功率母线与锂电池单元(11)连接，锂电池单元(11)通过高压直流功率母线与功率流控制器(8)连接，能量管理单元(13)通过数据总线与发动机(1)、整流装置(3)、高压智能配电器(4)、高压充电器(6)、锂电池单元(11)连接。

2.根据权利要求1所述的串联式混合动力电动车能量管理系统，其特征在于，还包括制动单元(9)，制动单元(9)与电驱动系统(14)连接，制动单元(9)用于，当直流母线电压超过限定值时，接通并联在母线上的制动电阻。

3.根据权利要求2所述的串联式混合动力电动车能量管理系统，其特征在于，还包括超级电容模组(12)、双向功率变换器(7)，所述超级电容模组(12)通过高压直流功率母线与双向功率变换器(7)连接；双向功率变换器(7)、超级电容模组(12)分别通过数据总线与能量管理单元(13)连接；所述双向功率变换器(7)通过高压直流功率母线与高压智能配电器(4)、电驱动系统(14)连接。

4.一种串联式混合动力电动车能量管理方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、判断驱动功率与发电机组(2)输出最大功率的大小关系，如果驱动功率小于发电机组(2)的最大输出功率则执行步骤S2，如果驱动功率大于发电机组(2)的最大输出功率则执行步骤S3；

S2、根据电驱动系统与储能装置对功率的需求，分别得出相应的可估算功率、动态调节功率，从而控制发动机组(2)的输出所需功率，使得P_发电机组＝P_{可估算功率}+P_{动态调节功率}；

S3、控制发电机组(2)工作在最大功率输出状态，同时控制储能装置输出功率供给电驱动系统(14)，使得P_{可估算功率}＝P_{发电机组最大功率}+P_{储能装置功率}，控制动态调节功率为零。

5.根据权利要求4所述的串联式混合动力电动车能量管理方法，其特征在于，在步骤S2中对动态调节功率进行变限幅值的PI闭环调节。

6.根据权利要求5所述的串联式混合动力电动车能量管理方法，其特征在于，所述动态调节功率的幅值满足如下关系式：

P_{动态调节功率正限幅}＜P_{发电机组最大功率}-P_{可估算功率}、P_{动态调节功率负限幅}＞-P_{可估算功率}。