CN106347162B - 基于超级电容的电动赛车混合动力电源管理控制系统 - Google Patents

基于超级电容的电动赛车混合动力电源管理控制系统 Download PDF

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Abstract

基于超级电容的电动赛车混合动力电源管理控制系统及方法，属于赛车电源管理领域，用于解决行驶的电动赛车在不同阶段时其电源供电驱动需求不同的问题，技术要点是：驱动模式控制系统通过CAN总线分别与复合电源管理系统和车况、环境信息采集系统连接，复合电源管理系统通过CAN总线分别与动力电池组、双向DC/DC变换器、超级电容连接；所述超级电容与双向DC/DC变换器连接，超级电容通过双向DC/DC变换器与动力电池组并联接入能量输出直流母线。效果是：本发明在数据采集的基础上，选择相应的控制策略，对供电驱动以选择，从而在对供电需求高时，及时切换供电驱动方式。

Description

基于超级电容的电动赛车混合动力电源管理控制系统
技术领域
本发明涉及一种混合动力的电源管理控制系统，具体的说是涉及一种适用于电动赛车的超级电容和锂电池混合动力电源管理控制系统。
背景技术
目前，已有的电源管理控制系统大多为单一储能元件的电源管理系统，在各领域应用最为广泛的是电池电源管理系统，例如锂离电池电源管理系统、铅酸电池电源管理系统。这种传统的电源管理系统通过电压、电流和温度传感器监测电池的工作状态，在充放电过程中若出现过压、过流和温度过高的时候，系统利用声光报警发出危险警告，若警报一段时间内未得到消除，系统主控单元会切断电源保护管理系统和所供电设备，以免烧毁。但是，这种单一储能元件电源管理系统只能适用于需要平稳供电或电源参数要求较低的环境下，在电动赛车上单一储能元件电源管理系统并不适用，无法满足电动赛车起步、上坡时高功率的能量需求，对于电动赛车制动、下坡时产生的能量几乎无法回收，从而影响电动赛车性能。目前可以满足电动赛车能量需求的混合动力电源管理系统尚未见诸于市。
发明内容
为了解决行驶的电动赛车在不同阶段时其电源供电驱动需求不同，而现有技术采用单一供电方式无法满足电动赛车的供电驱动需求的问题，本发明提供如下技术方案：
一种基于超级电容的电动赛车混合动力电源管理控制系统，包括驱动模式控制系统、复合电源管理系统、车况和环境信息采集系统、动力电池组、超级电容和双向DC/DC变换器；所述驱动模式控制系统通过CAN总线分别与复合电源管理系统和车况、环境信息采集系统连接，复合电源管理系统通过CAN总线分别与动力电池组、双向DC/DC变换器、超级电容连接；所述超级电容与双向DC/DC变换器连接，超级电容通过双向DC/DC变换器与动力电池组并联接入能量输出直流母线。
进一步的，所述驱动模式控制系统制定动力输出策略，其主要由模糊控制模块、模式选择模块组成；所述模糊控制模块包括输入模块和输出模块，所述输入模块的输入包括：电机转速、踏板开度及环境湿度，所述输出模块的输出包括混合动力驱动概率系数；模糊控制模块输出的混合动力驱动概率系数作为所述模式选择模块判断供电模式切换的条件，所述混合动力驱动概率系数的隶属度函数输出量包括small、middle、high；当所述混合动力驱动概率系数隶属度函数输出量为middle或high时，供电模式由单独供电驱动切换为联合供电驱动，所述供电模式包括动力电池单独供电驱动、动力电池与超级电容联合供电驱动。
进一步的，所述驱动模式控制系统制定动力输出策略，其主要由模糊控制模块、模式选择模块组成；所述模糊控制模块包括输入模块和输出模块，所述输入模块的输入包括：电机转速、踏板开度及环境湿度，所述输出模块的输出包括混合动力驱动概率系数；模糊控制模块输出的混合动力驱动概率系数作为所述模式选择模块判断供电模式切换的条件，所述混合动力驱动概率系数的隶属度函数输出量包括small、middle、high；当所述混合动力驱动概率系数隶属度函数输出量为 middle或high时，再判断环境湿度(W)、电机转速(ni)、加速踏板开度(ωi) 是否满足以下条件：
W<70％，ni<0.6nmax，ωi>0.5ωmax；
满足上述条件的，供电模式由单独供电驱动切换为联合供电驱动，所述供电模式包括动力电池单独供电驱动、动力电池与超级电容联合供电驱动。
进一步的，复合电源管理系统是由主处理器以及与其分别连接的信号采集处理电路、KEY键盘、LCD显示屏、绝缘报警模块、SD卡、双向DC/DC变换器、电机驱动器和至少两种储能元件组成。
进一步的，信号采集处理电路包括：
若干对的锂离蓄电池、对超级电容的电压、电流和温度参数中至少一种进行测量的传感器组；
若干组对加速踏板和/或制动踏板的倾角测量的倾角传感器，对信号进行放大的信号放大器和AD转换器。
进一步的，复合电源管理系统包括动力电池组SOC监测模块、超级电容SOC 监测模块、绝缘监测模块和LCD显示模块和数据存储模块，所述动力电池组SOC 监测模块和超级电容SOC监测模块通过实时检测电池、超级电容的电压、电流和温度信号估算剩余电量；绝缘监测模块用于监测储能元件在充放电过程中是否发生漏电，若检测值达到设定上限，立刻切断整车电源；LCD显示模块用于实时显示车况、环境、供电模式、电源参数信息；数据存储模块用于储存车辆运行中采集的各类信号值。
进一步的，车况和环境信息采集系统是用于采集电动机转速，动力电池和超级电容的电压、电流和温度，赛车姿态，环境温度和湿度信息的传感器组，其通过CAN总线将采集数据传输给驱动模式控制系统。
进一步的，双向DC/DC变换器控制超级电容充放电状态，当双向DC/DC变换器升压Boost模式打开时，超级电容处于放电状态；当双向DC/DC变换器降压 Buck模式打开时，超级电容处于充电状态。
一种基于超级电容的电动赛车混合动力电源管理控制方法，其特征在于，基于超级电容的混合动力电动赛车的动力输出模式，包括动力电池单独供电驱动和动力电池与超级电容联合供电驱动两种，采用基于模糊逻辑的动力输出控制策略以对两种供电驱动以模糊选择。
所述模糊逻辑的动力输出控制策略为下述两种中的一种：
驱动模式控制系统制定动力输出策略，其主要由模糊控制模块、模式选择模块组成；所述模糊控制模块包括输入模块和输出模块，所述输入模块的输入包括：电机转速、踏板开度及环境湿度，所述输出模块的输出包括混合动力驱动概率系数；模糊控制模块输出的混合动力驱动概率系数作为所述模式选择模块判断供电模式切换的条件，所述混合动力驱动概率系数的隶属度函数输出量包括 small、middle、high；当所述混合动力驱动概率系数隶属度函数输出量为middle 或high时，供电模式由单独供电驱动切换为联合供电驱动；
所述驱动模式控制系统制定动力输出策略，其主要由模糊控制模块、模式选择模块组成；所述模糊控制模块包括输入模块和输出模块，所述输入模块的输入包括：电机转速、踏板开度及环境湿度，所述输出模块的输出包括混合动力驱动概率系数；模糊控制模块输出的混合动力驱动概率系数作为所述模式选择模块判断供电模式切换的条件，所述混合动力驱动概率系数的隶属度函数输出量包括small、 middle、high；当所述混合动力驱动概率系数隶属度函数输出量为middle或high 时，再判断环境湿度(W)、电机转速(ni)、加速踏板开度(ωi)是否满足以下条件：
W<70％，ni<0.6nmax，ωi>0.5ωmax；
满足上述条件的，供电模式由单独供电驱动切换为联合供电驱动。
有益效果：本发明将驱动模式控制与电源管理相结合，将车况和环境信息作为供电驱动的原始采集数据，即所述的驱动模式控制系统、复合电源管理系统、车况和环境信息采集系统的组合，使得在数据采集的基础上，可以选择相应的控制策略，对供电驱动以选择，从而在对供电需求高时，及时切换供电驱动方式，而在供电需求低时，不至于产生供电浪费，可以将多于电量通过双向DC/DC变换器回收于超级电容存储，提高了电动赛车性能和续航里程。
附图说明
图1为隶属度函数图，其中：图1中a是电机转速隶属度函数图、图1中b 是加速踏板开度隶属度函数图，图1中c是环境湿度隶属度函数图；图中纵坐标均是混合动力驱动概率系数，图1中a的横坐标是电机转速，电机转速的横坐标是加速踏板开度，图1中c的横坐标是加速踏板开度。
图2是本发明的基于超级电容的电动赛车混合动力电源管理控制系统的结构示意图。
图3是本发明的复合电源管理系统原理图。
图4是本发明实施例1中的驱动模式逻辑判断示意图。
图5为干燥环境下轮胎在柏油路面滚动时所受滚动摩擦力示意图。
图6为环境湿度较大时轮胎在柏油路面滚动时所受滚动摩擦力示意图。
具体实施方式
实施例1：一种基于超级电容的电动赛车混合动力电源管理控制系统，包括驱动模式控制系统、复合电源管理系统、车况和环境信息采集系统、动力电池组、超级电容和双向DC/DC变换器；所述驱动模式控制系统通过CAN总线分别与复合电源管理系统和车况、环境信息采集系统连接，复合电源管理系统通过CAN 总线分别与动力电池组、双向DC/DC变换器、超级电容连接；所述超级电容与双向DC/DC变换器连接，超级电容通过双向DC/DC变换器与动力电池组并联接入能量输出直流母线。
其中,关于该控制系统的硬件部分：
驱动模式控制系统，其用于判定并选择赛车的电源驱动模式，通过对车况和环境信息的判断分析选择最佳动力输出模式(即电源驱动模式)，提高赛车性能，该部分主要是由控制器组成。
复合电源管理系统包括动力电池组SOC监测模块、超级电容SOC监测模块、绝缘监测模块和LCD显示模块和数据存储模块。电池组SOC监测模块和超级电容 SOC监测模块通过实时检测的电池和超级电容的电压、电流和温度信号仅估算剩余电量，确保储能元件在健康状态下工作；绝缘监测模块用于监测储能元件在充放电过程中是否发生漏电，若检测值达到设定上限，立刻切断整车电源，防止赛车起火保证，车手安全；LCD显示模块用于实时显示车况、环境、运动模式、电源参数等信息；数据存储模块用于储存车辆运行中采集的各类信号值，为分析赛车性能提供参考。作为一种实施例，复合电源管理系统是由主处理器以及与其分别连接的信号采集处理电路、KEY键盘、LCD显示屏、绝缘报警模块、SD卡、双向DC/DC变换器、电机驱动器和至少两种储能元件组成。
双向DC/DC变换器控制超级电容充放电状态。当变换器升压Boost模式打开时，超级电容处于放电状态；当变换器降压Buck模式打开时，超级电容处于充电状态，所需能量大部分来自于赛车刹车与滑行时电动机产生的能量。
车况和环境信息采集系统用于采集电动机转速，动力电池和超级电容的电压、电流和温度，赛车姿态，环境温度和湿度信息。通过CAN总线讲数据传输给运动模式控制系统。
所述驱动模式控制系统执行基于超级电容的电动赛车混合动力电源管理控制策略：
基于超级电容的混合动力电动赛车基本的动力输出模式分为动力电池单独供电驱动和动力电池与超级电容联合供电驱动两种。这两种动力输出模式的选择受多种因素的影响，例如：电机转速，加速踏板开度，轮胎摩擦力等，其中对轮胎摩擦力影响最大的是环境湿度，多种因素的共同作用决定了动力输出的模式。
本发明采用基于模糊逻辑的动力输出控制策略，主要由两个模块组成，第一个模块为模糊推理器模糊控制器模块，有三个输入和一个输出，输入分别为电机转速、加速踏板行程以及轮胎摩擦力，输出为混合动力驱动概率系数。第二个模块是模式选择模块，根据模糊模糊推理器模糊控制器模块的输出判断是否切换供电模式。模糊模糊推理器模糊控制器模块的三个输入量分别是电机转速、加速踏板行程以及环境湿度，这三个量的模糊化为后面模糊规则的解释和实施提供了先决条件。虽然轮胎摩擦力是为模式选择的一个重要因素，然而轮胎摩擦力无法直接测量获得，或者其获取的难度较大，而环境湿度对轮胎摩擦力的影响非常大，用环境湿度作为模式切换的一个主要影响因素，同样可以达到模式选择的目的，为此，本实施例使用空气湿度作为判断条件，而这种因素替换，对于本实施例的模式选择来说，判断的准确率并无明显下降。
滑动摩擦力的大小和彼此接触物体的相互间的正压力成正比：即f＝μN，其中μ为比例常数叫“滑动摩擦系数”，也被称为“动摩擦因数”它是一个没有单位的数值。滑动摩擦系数与接触物体的材料、表面光滑程度、干湿程度、表面温度、相对运动速度等都有关系。图5和图6为湿度对滑动摩擦力影响的示意图。
图5为干燥环境下轮胎在柏油路面滚动时所受滚动摩擦力示意图，由于路面较为粗糙，轮胎受到的滚动摩擦力f较大；图6为环境湿度较大时轮胎在柏油路面滚动时所受滚动摩擦力示意图，柏油路面会覆盖一层水膜，对柏油路面的凹凸表面进行填充，阻碍了轮胎与粗糙地面的直接接触，水膜相当于一层润滑剂，轮胎受到的滚动摩擦力f较小。
图1分别是为输入量电机转速、加速踏板开度、环境湿度以及输出变量混合动力驱动概率系数设计的隶属度函数。
如图1a所示，模糊子集low代表电机转速低，例如在起步或者刹车制动时；模糊子集middle表示当前车速属于中等行驶速度，例如在车速不高行驶时；而模糊子集high则表示车速比较高的时候，例如在高速直线行驶时。如图1b所示，模糊子集low代表加速踏板开合度小，对赛车加速要求较小或者车辆滑行的时候；模糊子集middle表示对加速性能要求一般；而模糊子集high则表示对加速性能要求高的时候，例如在刹车后的加速阶段或者起步时。如图1c所示，模糊子集low代表空气湿度交小，此时轮胎摩擦力较大；模糊子集middle表示环境湿度较大，此时轮胎摩擦力中等；而模糊子集high则表示环境湿度非常大，此时轮胎摩擦力非常小。
制定供电模式切换模糊规则时，既要提升赛车加速性能，又要兼顾赛车的安全性，保证赛车安全运行。根据实际经验和大量的仿真实验，兼顾上述对加速性能和安全性能的保障，总结出如表1的模糊规则表，共有27条规则。
表1模糊规则表
由于输出值为模糊量，而实际判定需要确切的选择指令，根据模糊规则表和三输入量隶属度函数图制定入下判定标准：当同时满足：W<70％，ni<0.6nmax，ωi>0.5ωmax(环境湿度(W)、电机转速(ni)、加速踏板开度(ωi))时，动力输出模式切换到混合动力输出模式，动力电池和超级电容共同向电动机供能，提高赛车瞬时加速度。当以上三个条件有任意一个不满足时，动力输出模式均为动力电池单一供电，超级电容处于备用状态。
由于输出值为模糊量，而实际判定需要确切的选择指令，根据模糊规则表和三输入量隶属度函数图制定如下判定标准：当同时满足：W<70％，ni<0.6nmax，ωi>0.5ωmax时(环境湿度(W)、电机转速(ni)、加速踏板开度(ωi))，动力输出模式切换到混合动力输出模式，动力电池和超级电容共同向电动机供能，提高赛车瞬时加速度。
其中环境湿度W<70％这个指标通过以下实验数据得出：
在实验室环境中，模拟赛车轮胎在柏油赛道上行驶，向车轴施加水平向前的，改变实验环境的湿度，观测轮胎滚动中是否出现滑动，测得图5所示数据，如图 5，通过实验数据可知，当环境湿度达到70％左右时，轮胎出现滑动的次数快速增加，是出现滑动的明显分界点，所以选择70％湿度作为判断指标。
其中ni<0.6nmax这个指标根据日常试验中对电机转速与功率输出的对应关系得到，当电机转速大于60％额定转速时，电机的在加速性能不明显，功率输出提升不大，所以选择0.6nmax作为判断指标。
加速踏板开度ω取值范围在15°—65°，在数组试验中发现，当驾驶员判断需要加速时，85％的情况下加速踏板的开度大于40°，所以选择0.5ωmax作为判断指标。
与现有技术相比，发明的有益效果：发明实现了多种动力源管理，可以为电动赛车在不同运行状态时提供充足的能量供给，提升了电动赛车的加速度，同时对赛车制动时产生的能量得到了有效回收进行二次利用，从而提升了蓄电池的寿命，增加了电动赛车的续航里程，发明结构较为简单，成本低。
本实施例的驱动模式分为单独驱动与联合驱动两种。通过灵活的切换两种驱动模式，既可以大幅度提示赛车性能，也可以保证赛车高速运行时的安全。单独驱动是动力电池单独驱动电动机运转，适用于赛车对加速性能要求不高的场合，如匀速行驶、车轮抓地力过小、电动机转速稳定在高速区间等情形。联合驱动是动力电池与超级电容联合驱动电动机运转，在赛车需要提高瞬时加速度时提供高功率能量供给，例如在赛车启动、过弯后减速后的加速、上坡等情形。
作为一种实施例，如图3所示，复合电源管理系统具体是由主处理器以及与其连接的信号采集处理电路、KEY键盘、7寸LCD显示屏、绝缘报警模块、SD卡、 DC/DC双向变换器、电机驱动器和两种储能元件组成。
主处理器采用意法半导体公司生产的STM32F103ZET6芯片。主处理器能够接收KEY键盘和空气开关的输入信号，实现对各种所需参数的设定；接收信号采集处理模块输入的电压、电流、温度、加速和制动数据，对接受的数据进行分析处理，实时计算电池SOC，并根据接收的加速和制动信号控制混合电源的工作模式，利用LCD显示屏将实时监测数据和电源工作状态进行显示，若检测数据有异常将控制报警模块发出危险信号，同时自动将运行时的阶段数据存储到SD卡中。信号采集模块包括14对锂离蓄电池和超级电容的电压、电流和温度等参数进行测量的传感器组，2组对加速踏板和制动踏板的倾角测量的倾角传感器，对信号进行放大的信号放大器和AD转换器。
以上所述，仅为发明较佳的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在发明揭露的技术范围内，根据发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于超级电容的电动赛车混合动力电源管理控制系统，其特征在于，包括驱动模式控制系统、复合电源管理系统、车况和环境信息采集系统、动力电池组、超级电容和双向DC/DC变换器；所述驱动模式控制系统通过CAN总线分别与复合电源管理系统、车况和环境信息采集系统连接，复合电源管理系统通过CAN总线分别与动力电池组、双向DC/DC变换器、超级电容连接；所述超级电容与双向DC/DC变换器连接，超级电容通过双向DC/DC变换器与动力电池组并联接入能量输出直流母线；所述驱动模式控制系统制定动力输出策略，其主要由模糊控制模块、模式选择模块组成；所述模糊控制模块包括输入模块和输出模块，所述输入模块的输入包括：电机转速、加速踏板开度及环境湿度，所述输出模块的输出包括混合动力驱动概率系数；模糊控制模块输出的混合动力驱动概率系数作为所述模式选择模块判断供电模式切换的条件，所述混合动力驱动概率系数的隶属度函数输出量包括small、middle、high；当所述混合动力驱动概率系数隶属度函数输出量为middle或high时，再判断环境湿度W、电机转速ni、加速踏板开度ωi是否满足以下条件：
W<70％，ni<0.6nmax，ωi>0.5ωmax；
满足上述条件的，供电模式由单独供电驱动切换为联合供电驱动，所述供电模式包括动力电池组单独供电驱动、动力电池组与超级电容联合供电驱动。
2.如权利要求1所述的基于超级电容的电动赛车混合动力电源管理控制系统，其特征在于，复合电源管理系统是由主处理器以及与其分别连接的信号采集处理电路、KEY键盘、LCD显示屏、绝缘报警模块、SD卡组成。
3.如权利要求2所述的基于超级电容的电动赛车混合动力电源管理控制系统，其特征在于，信号采集处理电路包括：
若干分别对的动力电池组、对超级电容的电压、电流和温度参数中至少一种进行测量的传感器组；
若干组对加速踏板的倾角测量的倾角传感器，对信号进行放大的信号放大器和AD转换器。
4.如权利要求1所述的基于超级电容的电动赛车混合动力电源管理控制系统，其特征在于，复合电源管理系统包括动力电池组SOC监测模块、超级电容SOC监测模块、绝缘监测模块和LCD显示模块和数据存储模块，所述动力电池组SOC监测模块和超级电容SOC监测模块通过实时检测动力电池组以及超级电容的电压、电流和温度信号估算剩余电量；绝缘监测模块用于监测动力电池组、超级电容在充放电过程中是否发生漏电，若检测值达到设定上限，立刻切断整车电源；LCD显示模块用于实时显示车况、环境、供电模式、电源参数信息；数据存储模块用于储存车辆运行中采集的各类信号值。
5.如权利要求1所述的基于超级电容的电动赛车混合动力电源管理控制系统，其特征在于，车况和环境信息采集系统是用于采集电动机转速，动力电池组和超级电容的电压、电流和环境湿度信息的传感器组，其通过CAN总线将采集数据传输给驱动模式控制系统。
6.如权利要求1-5任一项所述的基于超级电容的电动赛车混合动力电源管理控制系统，其特征在于，双向DC/DC变换器控制超级电容充放电状态，当双向DC/DC变换器升压Boost模式打开时，超级电容处于放电状态；当双向DC/DC变换器降压Buck模式打开时，超级电容处于充电状态。
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