CN104527401A - 混合动力公交车能量管理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针对混合动力公交车的能量管理方法，合理分配车载电池和/或电容的能量，在有效保护电池不受损坏的前提下，尽量充分利用电池电量，进一步加强混合动力公交车节能的目的。包括如下步骤：S1：归纳某一公交路线中回收制动能量E的统计规律；S2：根据步骤S1中得到的统计规律，选取一个概率A，能量E1、E2，能量区域E∈E1,E2范围内每个能量值出现的概率大于A；S3：控制电动机输出能量E′∈E1,E2，其中电动机输出能量E’与电池电量SOC为一一对应关系。

Description

混合动力公交车能量管理方法及装置

技术领域

本发明涉及新能源汽车领域，尤其是一种用于混合动力公交车能量管理的方法。

背景技术

混合动力车辆作为传统燃油汽车的替代车型，具有能量利用充分，污染物排放低等特点。混合动力车辆采取至少两种动力来源，利用发动机与电动机的相互配合，实现能量充分利用。一般情况下，选择在发动机燃油效率较低的区间内，利用电动机驱动车辆，其能量来源于车载电池和/或超级电容。这种车辆一般受制于电池和/或电容的容量、充放电速度和效率等因素，而当前动力电池的能量密度、充放电效率又是一直难以解决的问题。

虽然通过多年的优化设计和处理，混合动力车辆基本上已经可以满足日常行驶需求，国内大多数城市已经认可混合动力车辆作为城市公共交通车型，但是对能源的进一步充分有效利用，对污染物排放的“零容忍”使技术专家们一直在寻找更加有效的能量管理方式。国内混合动力公交车能量管理一般采用“被动式”，受制于车载电池和/或超级电容的容量，在启动电动机驱动前先检测车载电池和/或超级电容的电量，若电量低于下限则控制不启动电动机，以防止电池过度亏电造成损坏，至少在这段时间内是需要发动机低效率运行的。城市公交车具有循环工况，每条线路容易形成模型轨迹，如果能够利用城市公交的这个特点，制定精确的能量控制策略，则可以有目的地释放电能，达到能量利用最大化的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对混合动力公交车的能量管理方法，合理分配车载电池和/或电容的能量，在有效保护电池不受损坏的前提下，尽量充分利用电池电量，进一步加强混合动力公交车节能的目的。

本发明提供的混合动力公交车能量管理方法，包括如下步骤：

S1：归纳某一公交路线中回收制动能量E的统计规律；

S2：根据步骤S1中得到的统计规律，选取一个概率A，能量E1、E2，能量区域E∈E1,E2范围内每个能量值出现的概率大于A；

S3：控制电动机输出能量E'∈E1,E2。

通过控制电动机输出的能量，能够有效控制能量利用方式，保证电池荷电状态SOC的稳定程度，防止电池过放过充以及必要时无法提供电量。

其中，还可以包括设定电池电量下限SOC1和上限SOC2的步骤，控制电动机输出能量E’符合E’＝f(E1，E2，SOC1，SOC2)。

作为一种方式，所述电动机输出能量E’与电池电量SOC为一一对应关系。

作为另一种方式，由(SOC1，E1)和(SOC2，E2)确定SOC-E唯一线性关系，电动机输出的能量E’依照该线性关系确定E’＝E。

所述步骤S1中制动能量E的获取方式包括：获取制动动作前后电动机的电流和电压变化、制动时间，通过积分得到制动能量E。

或者，所述步骤S1中制动能量E的获取方式包括：获取车辆质量m，制动前后速度变化，积分得到制动能量E。

所述方法适用于车辆通过电动机启动时。

本发明还提供混合动力公交车能量管理装置，包括电动机电流传感器，电压传感器，电池电量检测装置，数据采集模块，用于采集制动前后电动机的电流I和电压U并计算制动回收能量E；数据处理模块，利用正态分布规律统计制动回收能量E的上限E1和下限E2；控制模块，用于控制电动机能量E’输出，输出方式按照E’＝f(E1，E2，SOC1，SOC2)；或者按照由(SOC1，E1)和(SOC2，E2)确定SOC-E唯一线性关系，电动机输出的能量E’依照该线性关系确定E’＝E。

以及提供一种混合动力公交车，设置有如上所述的能量管理装置，并利用如上述的能量管理方法。

附图说明

图1是一条普通城市公交路线的制动能量分布的一种统计规律图。

图2是一条普通城市公交路线的制动能量分布的另一种统计规律图

图3是本发明第一实施方式确定的电动机能量输出确定方式。

图4是本发明第二实施方式确定的电动机能量输出确定方式。

具体实施方式

混合动力公交车具有发动机、电动机、诸如动力电池或超级电容的高压电源模块、控制模块、各种传感器等等。其中动力电池可能是可以外接充电设备的可充电电池。但是在车辆行驶中，动力电池存储一定的电量，以供给车辆电动机运行，提供主要或者辅助的输出动力。事实上，动力电池的电量在车辆行驶中是一直变化的，不仅仅是由于电动机消耗电量使电量不断减少，在减速工况下，电动机回收车辆动能，转化成电能存储于动力电池中。由于动力电池自身的特性，过充或者过放都会损坏电池的寿命，所以在电池管理系统中一般设置电池电量上限阈值和下限阈值，当高于上限阈值时认为该电池电量已满，不宜再进行充电，当低于下限阈值时认为该电池电量已空，不宜再进行放电。经统计发现，由于城市公交路况中存在频繁的刹车、减速动作，所以电动机回收的动能成为维持动力电池电量保持安全范围的主要来源。

在固定公交路线下，同一驾驶员的驾驶习惯一般也是保持一定规律的，即在该公交路线中，每一个循环工况下，如无特殊情况(如突发交通事故等)到达某一特定公交站点前驾驶员刹车开始时的车辆状态(如车速)变化不大。收集该条线路的多个循环工况，可以统计出司机的驾驶习惯，如车辆启动时的油门踏板深度、刹车时的车速、刹车时间等等。在刹车过程中，通过收集到的车辆状态信息能够计算出电动机通过刹车制动回收的能量，该能量被电动机转化成电能存储至车载电池或者超级电容，用于通过电动机进行能量输出。当电池能量收(制动能量回收)--支(电动机能量输出)平衡时，电池将保持在最安全稳定并被有效利用的状态。

本发明根据城市公交路况的特点，结合混合动力公交车中电动机部分参与驱动，能够灵活协调电动机与发动机的能量分配，采用大量收集公交车能量回收数据并进行统计的方式，统计出某一特定公交路线中能量回收规律，应用于控制车辆在纯电动机驱动状态下的能量输出，以实现电池电量的收支平衡。对公交路线制动回收能量E的收集可以是多次循环工况，以形成数据统计规律。例如，从该路线公交站的起点到终点共有20站，其中经过交通灯15次，那么在一次统计中，可能会有20次与站点相关的制动能量回收过程，以及少于或等于15次的与交通灯相关的制动能量回收过程。假设每次制动回收的能量大小都不相同，则在一次收集的公交路线中制动能量数据中，每一种制动能量数据出现的次数都为1；经过多次(收集周期为几个月或几年)收集该数据，基于驾驶员在每一站的制动习惯不可能完全相同，以及公交路况、交通灯的情况不可能完全相同，多次收集的回收能量数据将呈现出频次的规律性变化。由于公交路况中较少存在急刹车(回收能量较多)或者刚起步即停车(回收能量较少)的情况，多数的制动回收发生在公交车进站停车时，所以容易理解，理想情况下，当多数收集该任意路线公交车制动回收时，该数据呈现出类似于如图1所示的正态分布的规律。对于实际的公交路线，该数据可能出现沿能量坐标轴向左或者向右的偏差，甚至不对称的负偏态分布，如图2所示。需要说明的是，收集的该统计数据也可能呈现其它类型的分布，但是必定是呈规律性的分布，具体的分布规律对于实现本发明的方法是没有影响的。

本发明的具体措施如下：首先，收集公交车行驶数据，并归纳某一选定的公交路线中回收的制动能量E。一般情况下，制动能量E是一个计算结果，真正收集的是用于计算制动能量E的基础数据。根据计算方式不同，收集的基础数据可以是每一次车辆制动开始和结束时流经电动机的电流I、电压U的变化以及制动时间t，积分后得到制动能量E：

$E=\begin{array}{cccccc}{\∫}_{t2}^{t1}& u& t& i& t& \mathrm{dt}\end{array}$

其中流经电动机的电流I、电压U分别通过设置于电动机上的电流传感器和电压传感器获得。

也可以通过采集车辆的质量m、制动开始和结束时车速v的变化得到制动能量E：

其中车辆质量m可以是通过设置于车体上的重量传感器获得，也可以通过建立车辆动力学模型，根据模型分析的方式估算获得；车速v通过设置于车轮或驱动桥上的速度传感器获得，电机系统效率η_电机系统、整车效率η_整车可以通过测功机和转鼓试验台测试得到。

在获得制动能量E的统计规律后，根据该统计规律可以得到某一能量值出现的频次，同样可以得到某一频次范围内的能量数值范围。根据统计学原理，可以选取一个概率A，选取出现概率大于A的能量E的下限E1和上限E2。

根据图1和图2进一步解释。图1所示的是假设收集的制动能量E统计规律为正态分布规律，回收能量E的下限E1和上限E2设定规则为，图1所示的为假设制动能量E服从正态分布规律，置信区间为[E1,E2](满足该置信区间可以是适合实际应用的任何概率A)，得到制动能量E数据的置信区间[E1,E2]后，可以认为在大多数时间内(概率大于A)车辆制动回收的能量数值满足E∈E1,E2，这些回收的能量将被通过电动机转化存储于动力电池之中。当需要电动机驱动车辆时，从动力电池中将电能输出转化成机械能，如果想保持动力电池始终保持收支平衡的状态，则最好控制电动机每一次输出的能量E’都保持E'∈E1,E2。该电动机的输出能量E’是随机的，取决于驾驶员通过油门踏板的踩踏深度所体现出的能量需求，例如，当通过油门踏板所体现出的能量需求大于E2时，限制电动机能量输出最多为E2。这种方式可能导致不好的驾驶体验，比如车辆动力不足。为了使本发明的方法更好地服务于车辆驱动，应当使用更加合理的方式确定能量E’的具体数值。

在保持电动机输出能量E’满足E'∈E1,E2的前提下，可以通过各种条件确定电动机输出能量的具体数值。其中一种方式是通过电池电量SOC检测，根据电量SOC的值确定电机输出能量E’值。具体方式为：设定电池电量安全下限SOC1和安全上限SOC2，即当电量SOC低于下限SOC1时电池不应再输出能量；当SOC高于上限SOC2时不应再输入能量，以保持电池的安全稳定。控制电动机输出能量E’可以是符合与制动能量E的上下限E1、E2和电池安全电量SOC上下限SOC1、SOC2的相关函数，E’＝f(E1，E2，SOC1，SOC2)，该函数中E’与变量(E1，E2，SOC1，SOC2)应当是相互对应的关系，即E’对应一组变量(E1，E2，SOC1，SOC2)且一组变量(E1，E2，SOC1，SOC2)对应一个E’。具体地，可以由(SOC1，E1)和(SOC2，E2)确定SOC-E唯一线性关系，电动机输出的能量E’依照该线性关系确定E’＝E(SOC)，如图3所示。由(SOC1，E1)和(SOC2，E2)确定电动机能量输出直线的两个端点，在该两个端点范围内形成直线关系，对于某一电池电量SOC，有确定的E’＝E与之对应。即当检测到电池电量SOC时后，由该线性关系找到对应的E，则电动机能量输出E’确定。

在一种更加精确的方式中，制动能量E与电池电量SOC不是线性关系，因为在电池电量较少的情况下，应当更加严格限制电动机输出的能量，以保证电池电量充足；相反在电池电量较多的情况下，可以适当灵活地增加电动机可以输出的能量，以更好地满足车辆驱动动力性需求。在这种思想指导下，使电动机输出能量E’呈曲线趋势，尤其是斜率K逐渐增大的曲线，如图4所示。由(SOC1，E1)和(SOC2，E2)确定电动机能量输出曲线的两个端点，所形成的曲线的斜率K逐渐增大，即在靠近(SOC1，E1)处的一点斜率K1小于靠近(SOC2，E2)处的一点斜率K2。但是对于某一电池电量SOC，有确定的E’＝E与之对应，即当检测到电池电量SOC时后，由该线性关系找到对应的E，则电动机能量输出E’可以确定。

通过本发明的方法，可以有效控制电动机输出能量，以保证电池的充足电量供应，保证车辆的安全可靠。该方法尤其适用于纯电驱动模式下，针对混合动力车辆，通过电动机使车辆由静止在纯电模式下启动，通过计算电动机能够提供的能量来判断发动机介入点，或者结合变速箱适当的挡位调整发动机的介入点，始终保持车辆纯电启动的状态以及适当的纯电驱动，提高车辆节能性。该方法也适用于电动机提供助力扭矩与发动机并驱的模式，不过该模式一般是需要车辆爬坡或者加速，使用该方法可能会由于电动机能量输出的限制使车辆显得动力不足，影响驾驶舒适性，不是优选的方法。

本发明还提供了用于混合动力公交车能量管理的装置，包括电动机电流传感器，电压传感器，电池电量检测装置；数据采集模块，用于采集制动前后电动机的电流I和电压U并计算制动回收能量E；数据处理模块，利用采集的数据计算制动回收能量E并确定其上限E1和下限E2；控制模块，用于控制电动机能量E’输出，输出方式按照E’＝f(E1，E2，SOC1，SOC2)；或者按照由(SOC1，E1)和(SOC2，E2)确定SOC-E唯一线性关系，电动机输出的能量E’依照该线性关系确定E’＝E。

本发明还提供一种车辆，使用上述的能量管理的装置并能量管理方法。虽然本发明所提供的方法非常适用于城市公交车，但是同样适用于具有固定行驶路线的循环工况车辆。

Claims (9)

1.混合动力公交车能量管理方法，包括如下步骤：

S1：归纳某一公交路线中回收制动能量E的统计规律；

S2：根据步骤S1中得到的统计规律，选取一个概率A，能量

E1、E2，能量区域E∈E1,E2范围内每个能量值出现的概率大于A；

S3：控制电动机输出能量E'∈E1,E2。

2.根据权利要求1所述的管理方法，其特征在于，还包括设定电池电量下限SOC1和上限SOC2的步骤，控制电动机输出能量E’符合E’＝f(E1，E2，SOC1，SOC2)。

3.根据权利要求2所述的能量管理方法，其特征在于，所述电动机输出能量E’与电池电量SOC为一一对应关系。

4.根据权利要求3所述的能量管理方法，其特征在于，由(SOC1，E1)和(SOC2，E2)确定SOC-E唯一线性关系，电动机输出的能量E’依照该线性关系确定E’＝E。

5.根据权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，所述步骤S1中制动能量E的获取方式包括：获取制动动作前后电动机的电流和电压变化、制动时间，通过积分得到制动能量E。

6.根据权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，所述步骤S1中制动能量E的获取方式包括：获取车辆质量m，制动前后速度变化，积分得到制动能量E。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的能量管理方法，其特征在于，所述方法适用于车辆通过电动机启动时。

8.混合动力公交车能量管理装置，包括

电动机电流传感器，电压传感器，电池电量检测装置，数据采集模块，用于采集制动前后电动机的电流I和电压U并计算制动回收能量E；

数据处理模块，利用正态分布规律统计制动回收能量E的上限E1和下限E2；

控制模块，用于控制电动机能量E’输出，输出方式按照E’＝f(E1，E2，SOC1，SOC2)；或者按照由(SOC1，E1)和(SOC2，E2)确定SOC-E唯一线性关系，电动机输出的能量E’依照该线性关系确定E’＝E。

9.混合动力公交车，设置有如权利要求8所述的能量管理装置，并利用如权利要求1～7所述的能量管理方法。