CN107199894B - 一种纯电动汽车复合电源分层控制方法 - Google Patents

一种纯电动汽车复合电源分层控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种纯电动汽车复合电源分层控制方法，涉及纯电动汽车复合电源领域，解决现有技术存在的复合电源功率损失大、蓄电池或超级电容单方面过度放电的问题，该纯电动汽车复合电源分层控制方法包括以下步骤：步骤S1，车辆状态识别；步骤S2，超级电容状态识别与模式选择；步骤S3，蓄电池状态识别与模式选择；步骤S4，寻优输出模式下功率分流。本发明优点在于通过合理组合蓄电池与超级电容荷电状态区间，并针对每种组合分配合理的复合电源工作模式，能够克服蓄电池与超级电容单方面过度放电的缺点，实现两者的电量平衡；采用寻优输出模式进行功率分配，能够极大的减少复合电源功率损失，提高复合电源工作效率，能有效提升复合电源的工作性能。

Description

一种纯电动汽车复合电源分层控制方法
技术领域
本发明涉及纯电动汽车复合电源领域，特别涉及一种纯电动汽车复合电源分层控制方法。
背景技术
纯电动汽车是当今汽车行业的一大发展趋势。纯电动汽车中，最典型的问题是车载蓄电池的性能问题，诸如寿命短、内阻高、功率密度低等。针对该问题，国内外众多学者提出将蓄电池与超级电容并联组成复合电源的解决方案，充分发挥超级电容功率密度大、蓄电池能量密度大的优势，从而改善车载能量源的综合性能。
纯电动汽车复合电源的控制方法，主要包括基于规则的控制方法和基于能耗最优的控制方法。基于规则的控制，即根据复合电源的需求功率、蓄电池的荷电状态、超级电容的荷电状态制定控制规则，依据规则确定复合电源的输出模式。该控制方法过程简单，但是未考虑各部件的功率损失状况，不能实现能量最优分配。基于能耗最优的控制方法，即通过合理的数学算法来分配蓄电池和超级电容的功率，从而使得复合电源的功率损失最小。该控制方法能够实现能量最优分配，但是容易造成蓄电池或超级电容单方面过度放电。
现有一些专利如中国专利公开号为CN105480101A，公布日为2016年4月13日，发明名称为“一种复合电源电动汽车的功率分配方法及装置”，该发明首先依据蓄电池与超级电容的温度与电压特性曲线计算两者的荷电状态，继而依据两者的荷电状态进行复合电源功率分流，该发明明确提出蓄电池与超级电容的荷电状态计算方法，但是未提出具体的功率分流方法。中国专利公开号为CN104477045A，公布日为2015年4月1日，发明名称为“能源效率最大化优化下的混合动力汽车复合电源及方法”，该发明基于混合动力汽车构型，遵循复合电源功率损失最小的原则进行功率分流，该分流方法易造成蓄电池或超级电容单方面过度放电。中国专利公开号为CN103072492A，公布日为2013年5月1日，发明名称为“一种纯电动客车用主动控制式复合电源控制及其方法”，该发明依据超级电容期望电压的大小判断蓄电池是否需要对超级电容充电，对复合电源的功率分流并未提出明确的控制方法。综上所述，现有的复合电源控制方法的专利主要集中在对蓄电池或超级电容的状态辨识，而对于复合电源整体的功率分流控制，尚无相关专利。
发明内容
本发明是为克服现有技术复合电源功率损失大、蓄电池或超级电容单方面过度放电的问题，提出一种合理的、兼顾功率损失与电量平衡的纯电动汽车复合电源分层控制方法。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
提供一种纯电动汽车复合电源分层控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，车辆状态识别。读取车辆总线上复合电源需求功率信号，若该信号小于零，说明车辆正工作于制动能量回收状态，此时，采用超级电容单独回收模式；若该信号大于零，说明车辆工作于驱动状态，此时，需要通过步骤S2进一步确定复合电源工作模式。
步骤S2，超级电容状态识别与模式选择。读取车辆总线上超级电容荷电状态信号，若超级电容荷电状态小于0.2，说明超级电容存储电量过低，此时，采用蓄电池单独输出模式；若超级电容荷电状态大于0.8，说明超级电容存储电量充足，此时，采用超级电容单独输出模式，若超级电容荷电状态在0.2与0.8之间，说明超级电容存储电量相对均衡，此时，需通过步骤S3进一步确定复合电源工作模式。
步骤S3，蓄电池状态识别与模式选择。读取车辆总线上蓄电池荷电状态信号，若蓄电池荷电状态小于0.2，说明蓄电池存储电量过低，此时，采用超级电容单独输出模式；若蓄电池荷电状态大于0.8，说明蓄电池存储电量充足，此时，采用蓄电池单独输出模式，若蓄电池荷电状态在0.2与0.8之间，说明蓄电池存储电量相对均衡，此时，采用寻优输出模式,需通过步骤S4进一步确定复合电源的功率分流。
步骤S4，寻优输出模式下功率分流。寻优输出模式下，将复合电源需求功率合理分配给蓄电池与超级电容，实现复合电源的总功率损失最小。
根据本发明所提供的纯电动汽车复合电源分层控制方法，步骤S4具体包括以下步骤：
1)确定驱动过程中，总线对复合电源需求功率的最大值Pmax_req,并在0与Pmax_req之间等距离散出n个点，分别为P1，P2，P3，…，Pn，为提高计算精确性，n不应取值过小。
2)初始化i＝1,其中i作为计数变量，可能为1,2,3，…，n序列中的某一值。在进行之后步骤前，需要检验i≤n是否成立，若成立，则进行之后的步骤；若不成立，则证明P1，P2，P3，…，Pn的计算已经完成，此时，得到复合电源每一个需求功率值Pi下，应当分配给蓄电池的功率值Pi_bat，将P1，P2，P3，…，Pn与对应的P1_bat，P2_bat，P3_bat，…，Pn_bat做成数表。寻优输出模式下，基于复合电源需求功率，采用在该数表中插值计算的方法确定蓄电池的需求功率，复合电源需求功率与蓄电池需求功率之差即为超级电容需求功率。
3)在0与Pi之间等距离散出m个点，分别为Pi_1，Pi_2，Pi_3，…，Pi_m,为提高计算精确性，m不应过小。
4)初始化k＝1,其中k作为计数变量，可能为1,2,3，…，m序列中的某一值。在进行之后步骤前，需要检验k≤m是否成立，若成立，则进行之后的步骤；若不成立，则证明当复合电源需求功率值为Pi时，在Pi_1，Pi_2，Pi_3，…，Pi_m中已经确定应当分配给蓄电池的最优值Pi_bat，使得复合电源的总功率损失Ploss最小。
5)计算当复合电源需求功率为Pi，且分配给蓄电池的功率为Pi_k时，蓄电池的功率损失Pbat。此时分配给超级电容支路的功率为Pi-Pi_k,对应的DC-DC的功率损失为PDC-DC,对应的超级电容的功率损失为Puc，因此，复合电源总功率损失Ploss＝Pbat+PDC-DC+Puc。之后，k自加1，计算当复合电源需求功率为Pi，且分配给蓄电池的功率为Pi_k+1时，复合电源的总功率损失Ploss。并以此循环，直至不满足k≤m。在Pi_1，Pi_2，Pi_3，…，Pi_m中取对应的Ploss最小时的Pi_k值，作为复合电源需求功率Pi时，应当分配给蓄电池的最优功率值Pi_bat。
6)i自加1，计算复合电源需求功率Pi+1时，应当分配给蓄电池的最优功率值Pi+1_bat，以此循环，直至不满足i≤n。从而得到P1，P2，P3，…，Pn所有情况下，应当分配给蓄电池的最优功率值P1_bat，P2_bat，P3_bat，…，Pn_bat。将P1，P2，P3，…，Pn与对应的P1_bat，P2_bat，P3_bat，…，Pn_bat做成数表。寻优输出模式下，基于复合电源需求功率，采用在该数表中插值计算的方法确定蓄电池的需求功率，复合电源需求功率与蓄电池需求功率之差即为超级电容需求功率。
本发明与现有技术相比，有益效果如下：
1.本发明所述的纯电动汽车复合电源分层控制方法通过合理组合蓄电池与超级电容荷电状态区间，并针对每种组合分配合理的复合电源工作模式，能够克服蓄电池与超级电容单方面过度放电的缺点，实现两者的电量平衡。
2.本发明所述的纯电动汽车复合电源分层控制方法通过在蓄电池与超级电容中等荷电状态时，采用寻优输出模式进行功率分配，能够极大的减少复合电源功率损失，提高复合电源工作效率。
3.本发明所述的纯电动汽车复合电源分层控制方法过程简单，控制效果理想，能有效提升复合电源的工作性能。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为纯电动汽车的动力系统结构示意图；
图2为超级电容单独回收模式下能量流动示意图；
图3为蓄电池单独输出模式下能量流动示意图；
图4为超级电容单独输出模式下能量流动示意图；
图5为寻优输出模式下能量流动示意图；
图6为本发明所述的纯电动汽车复合电源分层控制方法的流程框图；
图7为寻优输出模式下复合电源功率分流的流程框图；
图8为超级电容单独输出模式下功率分流效果图；
图9为蓄电池单独输出模式下功率分流效果图；
图10为寻优输出模式下功率分流效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
参阅图1，本发明所述的纯电动汽车复合电源分层控制方法适用于纯电动汽车动力系统，该动力系统中，超级电容与DC-DC串联，再与蓄电池并联组成复合电源，复合电源经过电机控制器对电机供电，电机输出动力经由主减速器传递到后轴与车轮，从而驱动车辆行驶。整车控制器通过复合电源控制器实现对复合电源的控制，通过电机控制器实现对电机的控制。
参阅图2、图3、图4、图5，所述的纯电动汽车复合电源包括四种工作模式，超级电容单独回收模式、蓄电池单独输出模式、超级电容单独输出模式、寻优输出模式。参阅图2，超级电容单独回收模式下，能量从负载经由DC-DC传递到超级电容进行存储，蓄电池不参与工作。参阅图3，蓄电池单独输出模式下，能量直接从蓄电池传递到负载进行输出，超级电容不参与工作。参阅图4，超级电容单独输出模式下，能量经由DC-DC传递到负载进行输出，蓄电池不参与工作。参阅图5，寻优输出模式下，蓄电池输出能量，同时超级电容经由DC-DC输出能量，两者共同为负载供电。
参阅图6，本发明所述的纯电动汽车复合电源分层控制方法包括以下步骤：
步骤S1，车辆状态识别。读取车辆总线上复合电源需求功率信号，若该信号小于零，说明车辆正工作于制动能量回收状态，此时，采用超级电容单独回收模式；若该信号大于零，说明车辆工作于驱动状态，此时，需要通过步骤S2进一步确定复合电源工作模式。
步骤S2，超级电容状态识别与模式选择。读取车辆总线上超级电容荷电状态信号，若超级电容荷电状态小于0.2，说明超级电容存储电量过低，此时，采用蓄电池单独输出模式；若超级电容荷电状态大于0.8，说明超级电容存储电量充足，此时，采用超级电容单独输出模式，若超级电容荷电状态在0.2与0.8之间，说明超级电容存储电量相对均衡，此时，需通过步骤S3进一步确定复合电源工作模式。
步骤S3，蓄电池状态识别与模式选择。读取车辆总线上蓄电池荷电状态信号，若蓄电池荷电状态小于0.2，说明蓄电池存储电量过低，此时，采用超级电容单独输出模式；若蓄电池荷电状态大于0.8，说明蓄电池存储电量充足，此时，采用蓄电池单独输出模式，若蓄电池荷电状态在0.2与0.8之间，说明蓄电池存储电量相对均衡，此时，采用寻优输出模式,需通过步骤S4进一步确定复合电源的功率分流。
步骤S4，寻优输出模式下功率分流。参阅图7，寻优输出模式下，将复合电源需求功率合理分配给蓄电池与超级电容，实现复合电源的总功率损失最小。寻优输出模式包括以下步骤：
1)确定驱动过程中，总线对复合电源需求功率的最大值Pmax_req,并在0与Pmax_req之间等距离散出n个点，分别为P1，P2，P3，…，Pn，为提高计算精确性，n不应取值过小。
2)初始化i＝1,其中i作为计数变量，可能为1,2,3，…，n序列中的某一值。在进行之后步骤前，需要检验i≤n是否成立，若成立，则进行之后的步骤；若不成立，则证明P1，P2，P3，…，Pn的计算已经完成，此时，得到复合电源每一个需求功率值Pi下，应当分配给蓄电池的功率值Pi_bat，将P1，P2，P3，…，Pn与对应的P1_bat，P2_bat，P3_bat，…，Pn_bat做成数表。寻优输出模式下，基于复合电源需求功率，采用在该数表中插值计算的方法确定蓄电池的需求功率，复合电源需求功率与蓄电池需求功率之差即为超级电容需求功率。
3)在0与Pi之间等距离散出m个点，分别为Pi_1，Pi_2，Pi_3，…，Pi_m,为提高计算精确性，m不应过小。
4)初始化k＝1,其中k作为计数变量，可能为1,2,3，…，m序列中的某一值。在进行之后步骤前，需要检验k≤m是否成立，若成立，则进行之后的步骤；若不成立，则证明当复合电源需求功率值为Pi时，在Pi_1，Pi_2，Pi_3，…，Pi_m中已经确定应当分配给蓄电池的最优值Pi_bat，使得复合电源的总功率损失Ploss最小。
5)计算当复合电源需求功率为Pi，且分配给蓄电池的功率为Pi_k时，蓄电池的功率损失Pbat。此时分配给超级电容支路的功率为Pi-Pi_k,对应的DC-DC的功率损失为PDC-DC,对应的超级电容的功率损失为Puc，因此，复合电源总功率损失Ploss＝Pbat+PDC-DC+Puc。之后，k自加1，计算当复合电源需求功率为Pi，且分配给蓄电池的功率为Pi_k+1时，复合电源的总功率损失Ploss。并以此循环，直至不满足k≤m。在Pi_1，Pi_2，Pi_3，…，Pi_m中取对应的Ploss最小时的Pi_k值，作为复合电源需求功率Pi时，应当分配给蓄电池的最优功率值Pi_bat。
6)i自加1，计算复合电源需求功率Pi+1时，应当分配给蓄电池的最优功率值Pi+1_bat，以此循环，直至不满足i≤n。从而得到P1，P2，P3，…，Pn所有情况下，应当分配给蓄电池的最优功率值P1_bat，P2_bat，P3_bat，…，Pn_bat。将P1，P2，P3，…，Pn与对应的P1_bat，P2_bat，P3_bat，…，Pm_bat做成数表。寻优输出模式下，基于复合电源需求功率，采用在该数表中插值计算的方法确定蓄电池的需求功率，复合电源需求功率与蓄电池需求功率之差即为超级电容需求功率。
下面介绍本发明所述的纯电动汽车复合电源分层控制方法一实施例：
参阅图8，200s-240s时间范围内，由于超级电容的荷电状态大于0.8，所以采用超级电容单独输出模式，此时，蓄电池输出功率为0，超级电容单独驱动车辆。
参阅图9，455s-480s时间范围内，由于超级电容荷电状态位于0.2与0.8之间，而蓄电池的荷电状态大于0.8，此时，采用蓄电池单独输出模式，超级电容输出功率为0，蓄电池单独驱动车辆。
参阅图10，940s-970s时间范围内，由于超级电容与蓄电池的荷电状态均位于0.2与0.8之间，此时，采用寻优输出模式，蓄电池与超级电容均参与驱动车辆，且满足复合电源功率损失最小。

Claims (1)

1.一种纯电动汽车复合电源分层控制方法，其特征在于，控制时通过复合电源控制器实现对复合电源的控制，该复合电源包括四种工作模式，分别为超级电容单独回收模式、蓄电池单独输出模式、超级电容单独输出模式以及寻优输出模式，按照以下步骤控制：
步骤S1、车辆状态识别：读取车辆总线上复合电源需求功率信号，若该信号小于零，说明车辆正工作于制动能量回收状态，此时采用超级电容单独回收模式；若该信号大于零，说明车辆工作于驱动状态，此时需要通过步骤S2进一步确定复合电源工作模式；
步骤S2、超级电容状态识别与模式选择：读取车辆总线上超级电容荷电状态信号，若超级电容荷电状态小于0.2，说明超级电容存储电量过低，此时采用蓄电池单独输出模式；若超级电容荷电状态大于0.8，说明超级电容存储电量充足，此时采用超级电容单独输出模式，若超级电容荷电状态在0.2与0.8之间，说明超级电容存储电量相对均衡，此时需通过步骤S3进一步确定复合电源工作模式；
步骤S3、蓄电池状态识别与模式选择：读取车辆总线上蓄电池荷电状态信号，若蓄电池荷电状态小于0.2，说明蓄电池存储电量过低，此时采用超级电容单独输出模式；若蓄电池荷电状态大于0.8，说明蓄电池存储电量充足，此时采用蓄电池单独输出模式，若蓄电池荷电状态在0.2与0.8之间，说明蓄电池存储电量相对均衡，此时采用寻优输出模式,需通过步骤S4进一步确定复合电源的功率分流；
步骤S4，寻优输出模式下功率分流：寻优输出模式下，将复合电源需求功率合理分配给蓄电池与超级电容，实现复合电源的总功率损失最小；
所述步骤S4寻优输出模式下功率分流包括以下步骤：
1）确定驱动过程中总线对复合电源需求功率的最大值Pmax_req,并在0与Pmax_req之间等距离散出n个点，分别为P1，P2，P3，…，Pn；
2）初始化i=1,其中i作为计数变量，可能1，2，3，…，n序列中的某一值；在进行之后步骤前，需要检验i≤n是否成立，若成立，则进行之后的步骤；若不成立，则证明P1，P2，P3，…，Pn的计算已经完成，此时，得到复合电源每一个需求功率值Pi下，应当分配给蓄电池的功率值Pi_bat，将P1，P2，P3，…，Pn与对应的P1_bat，P2_bat，P3_bat，…，Pn_bat做成数表；寻优输出模式下，基于复合电源需求功率，采用在该数表中插值计算的方法确定蓄电池的需求功率，复合电源需求功率与蓄电池需求功率之差即为超级电容需求功率；
3）在0与Pi之间等距离散出m个点，分别为Pi_1，Pi_2，Pi_3，…，Pi_m；
4）初始化k=1,其中k作为计数变量，可能为1,2,3，…，m序列中的某一值；在进行之后步骤前，需要检验k≤m是否成立，若成立，则进行之后的步骤；若不成立，则证明当复合电源需求功率值为Pi时，在Pi_1，Pi_2，Pi_3，…，Pi_m中已经确定应当分配给蓄电池的最优值Pi_bat，使得复合电源的总功率损失Ploss最小；
5）计算当复合电源需求功率为Pi，且分配给蓄电池的功率为Pi_k时，蓄电池的功率损失Pbat；此时分配给超级电容支路的功率为Pi-Pi_k,对应的DC-DC的功率损失为PDC-DC,对应的超级电容的功率损失为Puc，因此，复合电源总功率损失Ploss=Pbat+PDC-DC+Puc；之后，k自加1，计算当复合电源需求功率为Pi，且分配给蓄电池的功率为Pi_k+1时，复合电源的总功率损失Ploss；并以此循环，直至不满足k≤m；在Pi_1，Pi_2，Pi_3，…，Pi_m中取对应的Ploss最小时的Pi_k值，作为复合电源需求功率Pi时，应当分配给蓄电池的最优功率值Pi_bat；
6）i自加1，计算复合电源需求功率Pi+1时，应当分配给蓄电池的最优功率值Pi+1_bat，以此循环，直至不满足i≤n；从而得到P1，P2，P3，…，Pn所有情况下，应当分配给蓄电池的最优功率值P1_bat，P2_bat，P3_bat，…，Pn_bat；将P1，P2，P3，…，Pn与对应的P1_bat，P2_bat，P3_bat，…，Pn_bat做成数表；寻优输出模式下，基于复合电源需求功率，采用在该数表中插值计算的方法确定蓄电池的需求功率，复合电源需求功率与蓄电池需求功率之差即为超级电容需求功率。
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