CN107957720A

CN107957720A - 基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统

Info

Publication number: CN107957720A
Application number: CN201610913894.2A
Authority: CN
Inventors: 陈梦; 岑雅贤; 司徒立新
Original assignee: Hong Kong Productivity Council
Current assignee: Hong Kong Productivity Council
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2016-10-17
Publication date: 2018-04-24

Abstract

本发明公开一种基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统，包括基于dSPACE的能量管理控制器、车用电机试验台、动力电池组、动力电池管理模块、超级电容组、超级电容管理模块、双向DC/DC直流变压器。基于dSPACE的能量管理控制器分别连接动力电池管理模块、超级电容管理模块、双向DC/DC直流变压器以及车用电机试验台上的被测电机控制器；双向DC/DC直流变压器的一端连接超级电容组，另一端连接动力电池组和被测电机的直流供电端子。该系统能简单、灵活地实现各种能量管理控制策略，便于测试各种典型工况下能量管理控制器在各个储能器件间的能量分配以及能量的利用效能。

Description

基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统

技术领域

本发明属于汽车电子领域，尤其涉及一种基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统。

背景技术

现今，环境污染和能源短缺是世界各国都面临的巨大难题，电动汽车以其绿色、环保的特点越来越受到青睐，加之各国政府纷纷推出优惠政策，吸引了各大汽车制造商投入大量的资金进行电动汽车相关技术的开发。

动力电池因其具有高能量密度的特点，成为电动汽车的主要储能介质。其主要缺点在于循环寿命短、充电时间长、温度范围窄。另一方面，超级电容功率密度高，能提供瞬时大电流，且充电时间非常短、循环寿命长、工作温度范围广。显见，动力电池和超级电容在电特性方面具有极强的互补性，因此可将两者组合起来作为电动汽车的混合储能介质。

公开文献中关于动力电池及超级电容组成的混合储能系统的研究很多，大体可分为两类，一类是基于动力电池和超级电容模型（物理的、化学的、电特性的等）或试验数据的算法研究，一类是在产品级的实物基础上，在MCU/PLC上实现控制算法。对于前一类，不论是以何种方式建立的模型都有其局限性、不确定性、不完整性。对于后一类，在MCU/PLC上实现的控制策略，如果要实现不同的算法，比较各控制策略之间的优劣，就需要经过代码修改、代码调试、实车测试等步骤，而在MCU/PLC上这一过程很繁复，需要花费相当的时间。另一方面，当控制器设计好之后，最终要进行实车测试，实车测试成本高，安全性也难以保证。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一个基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统。本发明在真实产品级的动力电池组及其管理模块、超级电容组及其管理模块、双向DC/DC直流变压器的基础上，利用dSPACE快速原型的设计理念及其强大的硬件接口板，实现车用混合储能控制系统的设计。另外，车用电机试验台可以模拟各种典型的车辆测试工况（如NEDC, UDDS等）。因此该车用混合储能控制系统不仅能简单、灵活地实现各种混合储能控制策略，同时便于测试各种工况下，能量管理控制器在各个储能器件间的能量分配以及能量的利用效能。进一步的，该系统具有开放性和通用性，利用这个平台可以设计、整合、集成其他的控制功能。

本发明提供一种基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统，包括基于dSPACE的能量管理控制器、车用电机试验台、动力电池组、动力电池管理模块、超级电容组、超级电容管理模块和双向DC/DC直流变压器。

所述基于dSPACE的能量管理控制器分别连接动力电池管理模块、超级电容管理模块、双向DC/DC直流变压器以及车用电机试验台上的被测电机控制器，以进行信息传递；所述动力电池管理模块与动力电池组相连，进行信息传递；所述超级电容管理模块与超级电容组相连，进行信息传递；所述双向DC/DC直流变压器的一端连接超级电容组，另一端连接动力电池组，该另一端同时与车用电机试验台上被测电机的直流供电端子相并联。

所述基于dSPACE的能量管理控制器包括dSPACE软件部分和硬件部分，硬件部分受dSPACE软件驱动和控制。dSPACE软件部分采用现有软件，主要包括MATLAB/Simulink/Stateflow、RTI、ControlDesk等。硬件部分主要是指MicroAutoBox，MicroAutoBox包括各种功能接口（包括CAN、RS232、A/D、D/A等，为接口板），dSPACE软件利用MATLAB/Simulink/Stateflow实现能量管理算法；利用RTI可以用图形化方式对硬件中所有功能接口进行设置，并可将框图模型自动地在硬件上运行；ControlDesk用于设置运行参数及显示实时系统运行的结果。所述基于dSPACE的能量管理控制器的硬件部分分别与动力电池管理模块、超级电容管理模块、车用电机试验台、双向DC/D直流变压器之间进行连接并通信，当控制算法下载到MicroAutoBox之后，基于dSPACE的能量管理控制器就成为一个实时控制器。

所述车用电机试验台由加载电机、加载电机驱动电路、被测电机、被测电机控制器、台架机械部分、台架测控系统、数据采集模块等部分组成。所述加载电机驱动电路与加载电机连接，被测电机与被测电机控制器连接；所述的台架机械部分包括加载电机的底座、被测电机的底座、传动轴系、扭矩传感器等，它们之间是主要是机械连接，所述加载电机设置于加载电机的底座上，所述被测电机设置于被测电机的底座上，被测电机通过传动轴系连接扭矩传感器，扭矩传感器连接加载电机；所述数据采集模块分别与被测电机控制器、加载电机驱动电路、扭矩传感器等相连接，完成试验过程中被测电机和加载电机的各种电压、电流、转速、转矩、温升的数据采集；所述台架测控系统分别与数据采集模块、加载电机驱动电路相连接，其主要作用是控制试验过程中的各种工作模式，实现对加载电机的有效控制，实时采集数据，并且完成数据的处理和分析等。车用电机试验台的工作过程为：当加载电机作为负载时，处于发电机状态运行，加载电机从被测电机取得能量转化为电能，向电网回馈符合并网要求的交流电；当加载电机呈电动机运行状态时，从电网取得能量，驱动被测电机运转，被测电机处于发电状态（类似于电动车处于再生制动），将向储能系统（超级电容组）回馈能量。

所述的动力电池组包括多个动力电池单体，根据实际需要它们之间进行串联、并联或混联，其连接动力电池管理模块。动力电池管理模块负责采集动力电池组中各动力电池单体的电压、电流、温度信号，估算各动力电池单体的荷电状态SOC_b，监控整个动力电池组的工作情况，必要时对各动力电池单体进行均衡控制。该动力电池管理模块与基于dSPACE的能量管理控制器连接并进行通讯。

所述的超级电容组包括多个超级电容单体，根据实际需要它们之间进行串联、并联或混联，其连接超级电容管理模块。超级电容管理模块负责采集超级电容组中各超级电容单体的电压、电流、温度信号，计算各超级电容单体的荷电状态SOC_uc，监控整个超级电容组的工作情况，必要时对各超级电容单体进行均衡控制。该超级电容管理模块与基于dSPACE的能量管理控制器连接进行通讯。

所述的双向DC/DC直流变压器可实现能量的双向流动。超级电容组可以通过双向DC/DC直流变压器向被测电机提供能量，而当被测电机处于再生制动时，回馈的能量又可以通过双向DC/DC直流变压器存储到超级电容组里。另外，当超级电容组的SOC低于设定值时，在一定条件下，动力电池组可以通过双向DC/DC直流变压器给超级电容组充电。该双向DC/DC直流变压器接受基于dSPACE的能量管理控制器的指令，可以实时改变工作模式及运行参数。

所述的基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统的工作过程如下：车用电机试验台上运行典型的车辆测试工况（如NEDC, UDDS等）或者自定义的测试程序（可自定义被测电机的转速或转矩profile），基于dSPACE的能量管理控制器根据输入信号判断电动车处于何种工作状态（驱动、制动、停车），然后根据动力电池管理模块、超级电容管理模块所报告动力电池组及超级电容组的状况（电压、电流、SOC、温度），dSPACE软件部分的控制算法决定当前的能量分配策略，同时发出相应的指令给双向DC/DC直流变压器来实现能量的流动分配；另一方面，基于dSPACE的能量管理控制器发送指令给被测电机控制器，相关指令包括包括电机工作模式、目标扭矩或转速等。

总体而言，通过本发明所构建的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明使用的是真实产品级的动力电池组、动力电池管理模块、超级电容组、超级电容管理模块、双向DC/DC直流变压器，因此不存在对这些部件进行建模所带来的不确定性和局限性。利用dSPACE快速原型的设计理念，将主要是由软件实现的能量管理控制策略用MATLAB/Simulink/Stateflow来实现，因此修改简单，实现方便灵活。同时dSPACE所提供的强大的工具便于比较各种控制策略的优劣。车用电机试验台可以模拟各种典型的车辆测试工况（如NEDC, UDDS等），因此该系统便于测试各种工况下，能量管理控制器在各个储能器件间的能量分配以及能量的利用效能。进一步的，该系统具体开放性和通用性，利用这个平台可以设计、整合、集成其他的控制功能。

附图说明

图1 是本发明提供的基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统的整体结构示意图；

图2 是本发明中车用电机试验台的结构示意图；

图3 是本发明中基于dSPACE的能量管理控制器的控制方法流程图（被测电机处于驱动状态）；

图4是本发明中基于dSPACE的能量管理控制器的控制方法流程图（被测电机处于制动或减速状态）；

图5是本发明中基于dSPACE的能量管理控制器的控制方法流程图（被测电机处于停车状态）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明提供的基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统，如图1所示，为该系统的整体结构示意图，包括基于dSPACE的能量管理控制器1、车用电机试验台2、动力电池组3、动力电池管理模块4、超级电容组5、超级电容管理模块6、双向DC/DC直流变压器7。所述基于dSPACE的能量管理控制器1分别连接动力电池管理模块4、超级电容管理模块6、双向DC/DC直流变压器7以及车用电机试验台2上的被测电机控制器，以进行信息传递；所述动力电池管理模块4与动力电池组3相连，进行信息传递；所述超级电容管理模块6与超级电容组5相连，进行信息传递；所述双向DC/DC直流变压器7的一端连接超级电容组5，另一端连接动力电池组3，该另一端同时与车用电机试验台2上被测电机的直流供电端子相并联。

如图2所示，为车用电机试验台的结构示意图，由加载电机21、加载电机驱动电路22（主要包括整流/回馈单元、逆变/整流单元）、被测电机23、被测电机控制器24、台架测控系统25（包括硬件、软件部分，采用现有的自动化控制系统既可以实现，如采用南通常测机电设备有限公司的车用电机试验台）、数据采集系统26（包括数据采集箱和测试传感器等）、台架机械部分（主要包括传动轴系27和扭矩传感器28）、台架辅助及试验环境保证系统等部分组成。

车用电机试验台是个可编程的自动测试系统，为现有产品，在此不再赘述，可模拟各种典型的车辆测试循环工况（如NEDC, UDDS等）或者自定义的测试程序。在上位机中输入事先设定好的一系列车辆的运行数据（如转速或扭矩），之后通过自动化测试和控制系统来实现对被测电机和加载电机的有效控制。该测试台除怠速、起动、停止外，还有如下组合控制方式：

控制方式	被测电机控制方式	加载电机控制方式
			1	0	0（怠速）
2	恒转速	恒扭矩
			3	恒扭矩	恒转速
4	恒转速或恒扭矩	用户自定义
			5	恒转速	用户自定义函数

其主要的技术参数如下：

参数	最大吸收功率	最大制动扭矩	恒功率转速范围	最高转速
					单位	kW	Nm	rpm	rpm
数值	200	500	3470-6000	6000

所述的动力电池组是由45个磷酸锂铁电池单体（额定容量和电压分别为66Ah、3.2V）串联而成。动力电池管理模块负责采集各单体动力电池的电压、电流、温度信号，估算各单体动力电池的SOC，监控整个电池组的工作情况，必要时对各电池进行均衡控制，并与能量管理控制器连接并进行通讯。

所述的超级电容组是由2个超级电容单体（额定容量和电压分别为165F、48V）串联而成。超级电容管理模块负责采集各单体超级电容的电压、电流、温度信号，计算各单体超级电容的SOC，监控整个超级电容组的工作情况，必要时对各电容进行均衡控制，并与能量管理控制器连接并进行通讯。

所述的双向DC/DC直流变压器采用标准的RS232通讯，其主要的技术参数如下：

额定功率	25KW
		A端电压范围	0-200V
A端电流范围	0-200A
		B端电压范围	0-150V (使用时小于A端电压最小值)
B端电流范围	0-200A
		控制方式	恒压限流 (A端或B端)

所述的dSPACE的MiroAutoBox提供两个符合CAN协议2.0B标准的通讯接口，可灵活配置CAN bus，本系统用其中一个CAN接口与各能量管理模块、车用电机试验台之间进行通讯，速率为250kb/s。接口板提供了串口通讯功能，该系统用RS232串口通讯与双向DC/D直流变压器之间进行通讯。

所述的基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统的工作过程如下：车用电机试验台上运行典型的车辆测试工况（如NEDC, UDDS等）或者自定义的测试程序，基于dSPACE的能量管理控制器根据输入信号判断电动车处于何种工作状态（驱动、制动、停车），然后根据动力电池管理模块、超级电容管理模块所报告的各储能单元状况（电压、电流、SOC、温度），控制算法决定当前的能量分配策略，分别如图3-图5所示，同时发出相应的指令给双向DC/DC直流变压器来实现能量的流动分配；另一方面，能量管理控制器发送指令给被测电机控制器，包括电机工作模式、目标扭矩或转速等。

本发明中实施例中具体的控制策略如下：

当被测电机（电动车）处于驱动状态，如图3所示。

能量管理控制器根据被测电机控制器反馈的信息判断被测电机所需能量是否小于功率设定值。当所需能量小于功率设定值时，此时被测电机处于低功率需求状态，如车辆在低速行驶或巡航。如果动力电池组满足SOC_b≤SOC_{b_min}，系统处于模式5运行；如果动力电池组及超级电容组满足：SOC_b>SOC_{b_min}且SOC_uc>SOC_{uc_min}，则系统处于模式1运行；如果满足：SOC_b>SOC_{b_min}且SOC_uc≤SOC_{uc_min}，系统处于模式2运行。

当被测电机所需能量大于功率设定值时，此时被测电机处于高功率需求状态，如车辆起动、加速行驶或爬坡。如果动力电池组的SOC_b≤SOC_{b_min}，系统处于模式5运行；如果动力电池组及超级电容组满足：SOC_b>SOC_{b_min}且SOC_uc>SOC_{uc_min}，则系统处于模式3运行；如果满足：SOC_b>SOC_{b_min}且SOC_uc≤SOC_{uc_min}，系统处于模式4运行。

当被测电机（电动车）处于制动或减速状态，如图4所示。

能量管理控制器根据被测电机控制器反馈的信息判断被测电机处于制动或减速时，如果SOC_uc<SOC_{uc_max}，系统处于模式6运行；反之，系统处于模式7运行。

当被测电机（电动车）处于停车状态，如图5所示。

能量管理控制器根据被测电机控制器反馈的信息判断被测电机处于停车时，如果动力电池组的SOC_b≤SOC_{b_min}，系统处于模式5运行；如果动力电池组及超级电容组满足SOC_b>SOC_{b_min}且SOC_uc>SOC_{uc_min}，则系统处于模式8运行；如果满足SOC_b>SOC_{b_min}且SOC_uc≤SOC_{uc_min}，系统处于模式9运行。

其中，功率设定值是根据被测电机的额定功率、动力电池组的标称容量和标称电压，以及车辆通常的行使路况来决定的。SOC_{b_min}是动力电池组SOC_b的下限，一个优选值取0.4。SOC_{uc_min}是超级电容组SOC_uc的下限，一个优选值取0.25；SOC_{uc_max}是超级电容组SOC_uc的上限，一个优选值取0.85。

各运行模式中，双向DC/DC直流变压器的状态、被测电机工作状态、动力电池组及超级电容组的充放电情况如下：

模式1：双向DC/DC直流变压器关闭；被测电机工作在电动状态，低功率需求；由动力电池组单独供电驱动被测电机。

模式2：双向DC/DC直流变压器开启；被测电机工作在电动状态，低功率需求；由动力电池组单独供电驱动被测电机；并且超级电容组的SOC_uc低于设定的下限，动力电池组通过双向DC/DC直流变压器给超级电容组充电。

模式3：双向DC/DC直流变压器开启；被测电机工作在电动状态，高功率需求；由动力电池组和超级电容组共同作用驱动电机。

模式4：双向DC/DC直流变压器关闭；被测电机工作在电动状态，高功率需求；由动力电池组单独驱动电机，此时被测电机工作在能量受限的状态。

模式5：双向DC/DC直流变压器关闭；被测电机处于停止状态；动力电池组、超级电容组停止工作；能量管理控制器报警，应立即给动力电池组充电。

模式6：双向DC/DC直流变压器开启；被测电机工作在发电状态；被测电机给超级电容组充电。

模式7：双向DC/DC直流变压器关闭；被测电机工作在发电状态；被测电机给动力电池组充电。

模式8：双向DC/DC直流变压器关闭；被测电机不工作；动力电池组、超级电容组不工作。

模式9：双向DC/DC直流变压器开启；被测电机不工作；动力电池组通过双向DC/DC直流变压器给超级电容组充电。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统，其特征在于，包括基于dSPACE的能量管理控制器、车用电机试验台、动力电池组、动力电池管理模块、超级电容组、超级电容管理模块、双向DC/DC直流变压器,其中，所述基于dSPACE的能量管理控制器分别连接动力电池管理模块、超级电容管理模块、双向DC/DC直流变压器以及车用电机试验台上的被测电机控制器；所述动力电池管理模块与动力电池组相连；所述超级电容管理模块与超级电容组相连；所述双向DC/DC直流变压器的一端连接超级电容组，另一端连接动力电池组，该另一端同时与车用电机试验台上被测电机的直流供电端子相并联。

2.根据权利要求1所述的基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统，其特征在于，所述基于dSPACE的能量管理控制器包括软件部分和硬件部分，软件部分包括MATLAB/Simulink/Stateflow、RTI、ControlDesk，硬件部分采用MicroAutoBox，采用接口板提供各种功能接口，能够分别与动力电池管理模块、超级电容管理模块、车用电机试验台以及双向DC/D直流变压器之间进行通信。

3.根据权利要求1所述的基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统，其特征在于，所述车用电机试验台包括加载电机、加载电机驱动电路、被测电机、被测电机控制器、台架测控系统、数据采集模块以及台架机械部分；所述加载电机驱动电路与加载电机连接，被测电机与被测电机控制器连接；所述的台架机械部分包括加载电机的底座、被测电机的底座、传动轴系以及扭矩传感器，所述加载电机设置于加载电机的底座上，所述被测电机设置于被测电机的底座上，被测电机通过传动轴系连接扭矩传感器，扭矩传感器连接加载电机；所述数据采集模块分别与被测电机控制器、加载电机驱动电路、扭矩传感器相连接，所述台架测控系统分别与数据采集模块、加载电机驱动电路相连接,当加载电机作为负载时，处于发电机状态运行，加载电机从被测电机取得能量转化为电能，向电网回馈符合并网要求的交流电；当加载电机呈电动机运行状态时，从电网取得能量，驱动被测电机运转，被测电机处于发电状态，将向超级电容组回馈能量。

4.根据权利要求1所述的基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统，其特征在于，所述动力电池组连接动力电池管理模块，包括相互进行串联、并联或混联的多个动力电池单体，动力电池管理模块负责采集动力电池组中各动力电池单体的信号，估算各单体动力电池的荷电状态，监控动力电池组的工作情况，对各动力电池单体进行均衡控制。

5.根据权利要求1所述的基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统，其特征在于，所述超级电容组连接超级电容管理模块，包括相互进行串联、并联或混联的多个超级电容单体，超级电容管理模块负责采集超级电容组中各超级电容单体的信号，计算各超级电容单体的荷电状态，监控超级电容组的工作情况，对各超级电容单体进行均衡控制。

6.根据权利要求1所述的基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统，其特征在于，所述双向DC/DC直流变压器能够实现能量的双向流动，超级电容组通过双向DC/DC直流变压器向被测电机提供能量，而当被测电机处于再生制动时，回馈的能量能够通过双向DC/DC直流变压器存储到超级电容组里。

7.根据权利要求1所述的基于dSPACE和电机试验台的车用混合储能控制系统，其特征在于，车用电机试验台上运行车辆测试工况或测试程序，基于dSPACE的能量管理控制器根据输入信号判断被测电机所处的工作状态，并根据动力电池组管理模块和超级电容组管理模块报告的各储能单元状况，决定当前的能量分配策略，发出相应的指令给双向DC/DC变压器来实现能量的流动分配，基于dSPACE的能量管理控制器还发送指令给所述车用电机试验台的被测电机控制器，包括电机工作模式、目标扭矩或转速。