CN112078388A - 一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略 - Google Patents

一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略 Download PDF

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Abstract

一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略属于电动汽车控制领域，其特征在于能够依据车辆、动力电池和基于无级变速式飞轮状态，控制复合能源系统运行于多种驱动模式。大负荷驱动工况下，借助飞轮瞬时大功率释放优势，可以降低动力电池的放电电流，提高动力电池的安全性能、经济性和使用寿命。低负荷工况下，整车控制器控制动力电池输出的电能经电动机转化为机械能后，将满足整车驱动后剩下的一部分机械能传递给飞轮，可提高动力电池的运行效率并保证飞轮的能量状态。

Description

一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制 策略
技术领域
本发明涉及电动汽车控制领域，特别是关于一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略。
背景技术
近年来，随着石油资源的日益短缺以及环境污染的不断加重，世界各国都加快了研究新能源汽车的步伐。随着动力电池技术的不断发展，锂离子动力电池凭借其高能量密度的优势，能够有效提升电动汽车的续驶里程，目前已在电动汽车上得到了广泛的应用。但是，由于锂离子动力电池的功率密度较低，所以其短时间内充放电电流不能过大。在负载突变的驱动工况下，动力电池由于需要短时间内大电流放电，不仅会影响动力电池的使用寿命，还会导致动力电池的工作效率下降。由于基于无级变速式飞轮具有高功率密度的优势，所以可将其设计为车载动力电池的辅助储能装置。在负载突变的驱动工况或车辆高驱动功率的行车需求下，借助合理的系统控制方法，通过控制基于无级变速式飞轮的介入，可以显著提高动力电池的工作效率和使用寿命。
发明内容
本发明提供一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略，用以解决在负载突变的驱动工况或车辆高驱动功率的行车需求下，大电流放电对动力电池工作效率和使用寿命造成的不利影响问题。
本发明技术方案是: 提供一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略，实现该控制算法的控制系统包括整车控制器、离合器、动力电池管理系统、CAN总线。整车控制器执行基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略，依据车辆工况特征，输出与之相适应的控制指令；离合器、动力电池管理系统执行整车控制器发送的控制指令，并反馈部件相关状态信息参数。基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略的特征在于：
（1）控制方法主程序设计用于检测车辆运行于何种状态，通过读取驱动踏板开度数据、制动踏板开度数据、车速信号数据，判断车辆是否运行驱动、制动或故障模式；若运行于驱动模式，则进一步调用驱动控制子程序1；
（2）控制方法子程序1设计用于判断车辆需求驱动功率与动力电池最大允许输出功率、高效功率区间的关系，并选择与之相适应的控制子程序；若车辆需求驱动功率较大，不小于标定倍数的电池峰值功率，则调用子程序2；若车辆需求驱动功率偏大，小于标定倍数的电池峰值功率且不在电池高效功率区间范围内，则调用子程序3；若车辆需求驱动功率在电池高效功率区间范围内，则飞轮不参与运行，由动力电池提供车辆需求驱动功率；若车辆需求驱动功率偏小，小于动力电池高效运行功率区间的最小值，则调用子程序4；
（3）子程序2设计用于判断系统是否运行于单独动力电池参与驱动模式、动力电池和飞轮复合系统限制车辆需求功率运行模式或动力电池和飞轮复合系统不限制车辆需求功率运行模式，并通过所判定的模式，输出与之相适应的控制信号；
（4）子程序3设计用于判断系统是否运行于单独动力电池参与驱动模式或锂动力电池和飞轮复合系统不限制车辆需求功率运行模式，并通过所判定的模式，输出与之相适应的控制信号；
（5）子程序4设计用于判断系统是否运行于单独动力电池参与驱动模式或动力电池即参与驱动又为飞轮补充能量的复合运行模式，并通过所判定的模式，输出与之相适应的控制信号；
本发明的优点在于：
1、本发明通过设计一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略，可借助飞轮瞬时大功率释放优势，降低大负荷驱动工况下动力电池的放电电流，提高动力电池的安全性能、经济性和使用寿命。
2、本发明通过设计一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略，可实现在低负荷工况下，整车控制器控制动力电池输出的电能经电动机转化为机械能后，将满足整车驱动后剩下的一部分机械能传递给飞轮，可提高动力电池的运行效率并保证飞轮的能量状态。
附图说明
图1为基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统结构示意图；
图2为基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略主程序示意图；
图3为基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略子程序1示意图；
图4为基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略子程序2示意图；
图5为基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略子程序3示意图；
图6为基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略子程序4示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1为基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统结构示意图，包括：CAN总线、整车控制器、动力电池及其管理系统、飞轮、离合器和无级变速器；
整车控制器通过CAN总线实时采集车辆、动力电池、离合器状态信号，并依据内置控制方法，确定动力电池、离合器的工作模式，并向动力电池、离合器输出相关控制指令；具体可分为以下控制模式：
（1）控制方法主程序设计用于检测车辆运行于何种状态，通过读取驱动踏板开度数据、制动踏板开度数据、车速信号数据，若检测到车辆要运行于驱动模式，则调用驱动控制子程序1；若检测到车辆运行于故障状态，则调用故障模式子程序；若检测到车辆要运行于制动状态，则调用制动控制子程序；
（2）控制方法子程序1通过读取动力电池状态参数，计算动力电池高效运行功率的参考值Pb1、计算动力电池最大允许输出功率Pbmax、计算车辆需求的驱动功率Pd；进一步读取离合器状态参数，判断Pd是否不小于k1倍Pbmax，其中k1是标定值，若上述条件成立，则调用子程序2；若不成立，进一步判断Pd不小于k2倍Pb1且小于k1倍Pbmax是否成立，其中，k2是标定值，若上述条件成立，则调用子程序3；若不成立，进一步判断Pd大于k3倍Pb1且小于k2倍Pb1是否成立，其中，k3是小于k2的标定值，若上述条件不成立，则调用子程序4；若成立，则进一步依据Pd计算动力电池放电电流I；进一步判断离合器是否处于分离状态，若其处于分离状态，则输出离合器状态保持以及动力电池放电电流为I的控制指令，复合储能系统仅动力电池参与运行；若离合器处于结合状态，则输出离合器状态分离以及动力电池放电电流为I的控制指令，复合储能系统仅动力电池参与运行；
（3）子程序2通过读取飞轮状态参数，计算飞轮允许输出功率Pf；进一步判断Pf大于设定的最小允许功率值是否成立，若不成立，说明飞轮无法参与运行，则修正车辆的需求功率为a倍的Pd，其中，a为小于1的标定值，依据a倍的Pd值计算动力电池放电电流I；然后判断离合器是否分离，若其处于分离状态，则输出离合器状态保持以及动力电池放电电流为I的控制指令，复合储能系统仅动力电池参与运行；若离合器处于结合状态，则输出离合器状态分离以及动力电池放电电流为I的控制指令，复合储能系统仅动力电池参与运行；若Pf大于设定的最小允许功率值成立，说明飞轮可以参与运行，进一步判断Pf与k1倍Pbmax的和是否大于Pd，若大于Pd，说明复合储能系统可以满足车辆实际功率需求，则依据Pd与Pf的差计算动力电池放电电流I，并进一步判断离合器是否处于分离状态，若离合器处于分离状态，则输出离合器结合以及动力电池放电电流为I的控制指令，此时复合储能系统中飞轮和动力电池同时参与运行；若离合器结合，则输出离合器状态保持以及动力电池放电电流为I的控制指令，此时复合储能系统中飞轮和动力电池同时参与运行；若Pf与k1倍Pbmax的和不大于Pd，说明复合储能系统无法满足车辆实际功率需求，则修正车辆需求功率Pd为Pf与k1倍Pbmax之和；依据k1倍Pbmax计算锂动力电池放电电流I，并进一步判断离合器是否处于分离状态，若离合器处于分离状态，则输出离合器结合以及动力电池放电电流为I的控制指令，此时复合储能系统中飞轮和动力电池同时参与运行；若离合器处于结合状态，则输出离合器状态保持以及动力电池放电电流为I的控制指令，此时复合储能系统中飞轮和动力电池同时参与运行；
（4）子程序3通过读取飞轮状态参数，计算飞轮允许输出功率Pf；进一步判断Pf是否大于设定的最小允许功率，若其不大于最小允许功率，说明飞轮无法参与运行，则依据Pd计算动力电池放电电流I；进一步判断离合器是否分离，若离合器处于分离状态，则输出离合器状态保持以及动力电池放电电流为I的控制指令；若离合器处于结合状态，则输出离合器分离以及动力电池放电电流为I的控制指令；若Pf大于设定的最小允许功率成立，则依据Pd与Pf的差计算动力电池放电电流I；进一步判断离合器是否分离，若离合器处于分离状态，则输出离合器结合以及动力电池放电电流为I的控制指令，此时复合储能系统中飞轮和动力电池同时参与运行；若离合器处于结合状态，则输出离合器状态保持以及动力电池放电电流为I的控制指令，此时复合储能系统中飞轮和锂动力电池同时参与运行；
（5）子程序4读取飞轮状态参数，计算飞轮允许输出功率Pf；进一步判断Pf是否小于设定的最大允许功率Pfmax，若Pf不小于Pfmax，说明飞轮不参与运行，则依据Pd计算动力电池放电电流I，并进一步判断离合器是否处于分离状态，若离合器处于分离状态，则输出离合器状态保持以及动力电池放电电流为I的控制指令，此时复合储能系统中仅动力电池参与运行；若离合器未分离，则输出离合器分离以及动力电池放电电流为I的控制指令，此时复合储能系统中仅动力电池参与运行；若Pf小于Pfmax，则依据Pd与Pfmax之和减去Pf的值计算动力电池的放电电流I；进一步判断离合器是否处于分离状态，若离合器处于分离状态，则输出离合器结合以及动力电池放电电流为I的控制指令，此时动力电池不仅为为车辆提供需求功率，而且还将满足整车驱动后剩余的能量传递给飞轮，对飞轮进行充能；若离合器处于结合状态，则输出离合器状态保持以及动力电池放电电流为I的控制指令，动力电池不仅为车辆提供需求功率，而且还将满足整车驱动后剩余的能量传递给飞轮，对飞轮进行充能。

Claims (1)

1.一种基于无级变速式飞轮与动力电池的复合系统驱动控制策略，其特征在于能够依据车辆、动力电池和基于无级变速式飞轮状态，控制复合能源系统运行于多种驱动模式，具体控制步骤为：
（1）主程序控制步骤为：
步骤S01执行读取驱动踏板开度数据；
步骤S02执行读取制动踏板开度数据；
步骤S03执行读取车速信号数据；
步骤S04判断是否驱动踏板开度大于0且制动踏板开度等于0，若上述条件成立，则执行步骤S05，若不成立，则执行步骤S06；
步骤S05执行调用子程序1控制指令；
步骤S06判断是否驱动踏板开度大于0且制动踏板开度同时大于0，若上述条件成立，则执行步骤S07，若不成立，则执行步骤S08；
步骤S07执行车辆运行故障模式；
步骤S08判断是否驱动踏板开度为0且制动踏板开度大于0，若上述条件成立，则执行步骤S09，若不成立，则执行步骤S010；
步骤S09执行调用制动控制子程序指令；
步骤S010判断是否驱动踏板开度为0且制动踏板开度同时为0，若上述条件成立，则执行步骤S011，若不成立，则执行步骤S04；
步骤S011判断车速是否大于给定值，若大于，则执行步骤S012，若不大于，则执行步骤S04；
步骤S012执行调用制动控制子程序指令；
（2）子程序1控制步骤为：
步骤S11执行读取动力电池状态参数指令；
步骤S12执行计算动力电池高效运行功率参考值的指令；
步骤S13执行计算动力电池最大允许输出功率值的指令；
步骤S14执行计算车辆需求驱动功率值的指令；
步骤S15执行读取离合器状态参数的指令；
步骤S16判断车辆需求驱动功率是否不小于标定倍数k1倍的动力电池最大允许输出功率，若上述条件成立，则执行步骤S17，若不成立则执行步骤S18；
步骤S17执行调用控制子程序2的指令；
步骤S18判断车辆需求驱动功率是否小于标定倍数k1倍的动力电池最大允许输出功率且不小于标定倍数k2倍的动力电池高效运行功率参考值，若上述条件成立，则执行步骤S19，若不成立，则执行步骤S110；
步骤S19执行调用子程序3的控制指令；
步骤S110判断车辆需求驱动功率是否小于标定倍数k2倍的动力电池高效运行功率参考值且大于标定倍数k3倍的动力电池高效运行功率参考值，若上述条件成立，则执行步骤S111，若不成立，则执行步骤S112；
步骤S111执行依据车辆需求驱动功率计算动力电池放电电流I的指令；
步骤S112执行调用子程序4的控制指令；
步骤S113判断离合器状态是否分离，若离合器分离，则执行步骤S114，若离合器未分离，则执行步骤S115；
步骤S114执行输出离合器状态保持、动力电池放电电流为I的控制指令；
步骤S115执行离合器分离、动力电池放电电流为I的控制指令；
（3）子程序2控制步骤为：
步骤S21执行读取飞轮状态参数的指令；
步骤S22执行计算飞轮允许输出功率值的指令；
步骤S23判断飞轮允许输出功率是否大于设定的最小值，若上述条件成立，则执行步骤S24，若不成立则执行步骤S214；
步骤S24判断飞轮允许输出功率与标定倍数k1倍的动力电池最大允许输出功率之和是否大于车辆需求驱动功率，若上述条件成立则执行步骤S25，若不成立，则执行步骤S29；
步骤S25执行依据车辆需求驱动功率和飞轮允许输出功率的差计算动力电池放电电流I的指令；
步骤S26判断离合器是否分离，若离合器分离，则执行步骤S27，若离合器未分离，则执行步骤S28；
步骤S27执行输出离合器结合、动力电池放电电流为I的控制指令；
步骤S28执行输出离合器状态保持、动力电池放电电流为I的控制指令；
步骤S29执行修正车辆需求驱动功率的指令，修正值为飞轮允许输出功率与标定倍数k1倍的动力电池最大允许输出功率之和；
步骤S210执行依据标定倍数k1倍的动力电池最大允许输出功率计算动力电池放电电流I的指令；
步骤S211判断离合器是否分离，若离合器分离，则执行步骤S212，若离合器未分离，则执行步骤S213；
步骤S212执行输出离合器结合、动力电池放电电流为I的控制指令；
步骤S213执行输出离合器状态保持、动力电池放电电流为I的控制指令；
步骤S214执行修正车辆需求功率的指令，修正值为标定倍数a倍的车辆需求驱动功率；
步骤S215执行依据标定倍数a倍的车辆需求驱动功率计算动力电池放电电流I的指令；
步骤S216判断离合器是否分离，若离合器分离，则执行步骤S217，若离合器不分离，则执行步骤S218；
步骤S217执行输出离合器状态保持、动力电池放电电流为I的控制指令；
步骤S218执行输出离合器分离、动力电池放电电流为I的控制指令；
（4）子程序3控制步骤为：
步骤S31执行读取飞轮状态参数的指令；
步骤S32执行计算飞轮允许输出功率的指令；
步骤S33判断飞轮允许输出功率是否大于给定的最小值，若上述条件成立，则执行步骤S34，若上述条件不成立，则执行步骤S38；
步骤S34执行依据车辆需求驱动功率和飞轮允许输出功率的差计算动力电池放电电流I的指令；
步骤S35判断离合器是否分离，若离合器分离，则执行步骤S36，若离合器未分离，则执行步骤S37；
步骤S36执行输出离合器结合、动力电池放电电流为I的控制指令；
步骤S37执行输出离合器状态保持、动力电池放电电流为I的控制指令；
步骤S38执行依据车辆需求驱动功率计算动力电池放电电流I的指令；
步骤S39判断离合器是否分离，若离合器分离，则执行步骤S310，若离合器未分离，则执行步骤S311；
步骤S310执行输出离合器状态保持、动力电池放电电流为I的控制指令；
步骤S311输出离合器分离、动力电池放电电流为I的控制指令；
（5）子程序4控制步骤为：
步骤S41执行读取飞轮状态参数的指令；
步骤S42执行计算飞轮允许输出功率的指令；
步骤S43判断飞轮允许输出功率是否小于给定的最大允许输出功率值，若上述条件成立，则执行步骤S44，若不成立，则执行步骤S48；
步骤S44执行依据车辆需求驱动功率与飞轮最大允许输出功率之和减去飞轮允许输出功率的差计算动力电池放电电流I的指令；
步骤S45判断离合器是否分离，若离合器分离，则执行步骤S46，若离合器未分离，则执行步骤S47；
步骤S46执行输出离合器结合、动力电池放电电流为I的控制指令；
步骤S47执行输出离合器状态保持、动力电池放电电流为I的控制指令；
步骤S48执行依据车辆需求驱动功率计算动力电动放电电池I的指令；
步骤S49判断离合器状态是否分离，若离合器分离，则执行步骤S410，若离合器未分离，则执行步骤S411；
步骤S410执行输出离合器状态保持、动力电池放电电流为I的控制指令；
步骤S411执行输出离合器分离、动力电池放电电流为I的控制指令。
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