CN202782742U - 燃料电池/锂电池混合动力电动车的速度控制器 - Google Patents

燃料电池/锂电池混合动力电动车的速度控制器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池/锂电池混合动力电动车的速度控制器，属于控制器，本实用新型包括驾驶员意图解释器、PI控制器、规则处理器、电机控制器，所述的驶员意图解释器将油门踏板行程α解释为目标车速Vr，目标车速Vr经由PI控制器计算得到电动机需求的电流值Imr，经过规则处理器和电机控制器后供给电动机控制电动机转速。解决了驾驶员意图识别及速度控制问题；使车辆启动和行驶更平稳，增加了乘坐的舒适性；车辆能自动限速，避免由于驾驶员疏忽带来的超速或速度突变，并且使驾驶员操作更加方便；可以有效地保护电机和电池。

Description

燃料电池/锂电池混合动力电动车的速度控制器
技术领域
本实用新型属于控制器，具体是燃料电池/锂电池混合动力电动车的速度控制器，可以用于燃料电池/锂电池混合动力电动车，或者燃料电池/蓄电池混合动力电动车，电动车类型包括旅游景区用的游览车、电动残疾人车、电动巡逻车，或电动沙滩车等。
背景技术
在混合动力电动车的整车控制中，速度控制是其主要目标，既要使速度平稳、启动时间短，也要使速度的自动调节能力强、不超过景区（市区）限速，同时保证电池的安全工作、使电池工作在最佳状态。
在速度控制的问题上，驾驶员踏板信号的解释是一个关键问题。目前国内外大部分技术都将驾驶员踏板信号解释为功率需求（或电流需求）。例如在《基于马尔可夫决策理论的燃料电池混合动力汽车能量管理策略》（《汽车工程》，vol.28，No.9,2006）中提到：“混合动力汽车的能量管理控制系统首先需要把当前车速下油门踏板或者制动踏板的位置解释成驾驶员期望的功率（即驾驶员需求功率），随后通过能量管理策略把这个驾驶员需求功率分配给燃料电池系统和蓄电池两个能量源”。也就是说，将需求功率（转矩）的大小正比例与驾驶员踏板信号α。这样带来的弊端如下：
（1）当油门加到满度1的时候，表明驾驶员要提高速度，但速度提高后，转矩应当随之下降，否则会造成功率的浪费，不利于速度的自动控制和效率的提高；
（2）若驾驶员较长时间踩踏油门至满度1或者较大的开度，则速度会超过限速，不利于城市或景区的限速控制。同时，燃料电池和锂电池被迫提供大电流，对电池的安全和寿命带来不良影响，严重时会损坏电池，因为锂电池大电流放电有一定的时间限制；
（3）若驾驶员操作不当，频繁变换油门大小，则转矩（电流）也随之频繁变换，会对电池和电机的使用寿命都带来不良影响，因为燃料电池和锂电池都不适宜电流频繁变化。
有的学者注意到了这一问题，例如清华大学的徐梁飞在《燃料电池混合动力参数辨识及整车控制策略优化》（机械工程学报，vol.45,No.2,2009）一文中，在最大油门开度下，把目标转矩Tqdmax与不同速度关联起来，即在不同速度下，根据经验曲线，获取对应的目标转矩Tqdmax。不同的油门开度再乘以相应的踏板信号α。Tqd=Tqdmax*α.目标转矩与转速、油门间的关系如图1所示。
从图1可以看出，该学者已经不把驾驶员意图直接解释为功率或转矩，而是与转速相关起来。但该曲线是依据经验而得，并未给出该非曲线的理论计算公式，也未给出该曲线绘制的依据。其弊端如下：
（1）由于缺乏一定的理论计算，该曲线给出的目标转矩值未必是最优的，也未必能使电动车的效率达到最高并有效地保护电池。
（2）该曲线中，当转速达到6000转以上时，已经达到电动机上限，在行车控制中，无论油门踏板开度多少，此时的目标转矩都应下降到相同数值（巡航转矩），而该曲线图中，不同的油门踏板，其数值不同。
（3）该曲线仅能使用于该课题所采用的电动机型号，对于其它型号的电动机则无法使用，因为缺乏统一的理论计算模式。
实用新型内容
本实用新型的目的是解决驾驶员意图识别及速度控制的技术问题，提供一种燃料电池/锂电池混合动力电动车的速度控制器。
为达到本实用新型的目的，本实用新型燃料电池/锂电池混合动力电动车的速度控制器，其特征是:包括驾驶员意图解释器、PI控制器、规则处理器、电机控制器，所述的驶员意图解释器将油门踏板行程α解释为目标车速Vr，目标车速Vr经由PI控制器计算得到电动机需求的电流值Imr，经过规则处理器和电机控制器后供给电动机控制电动机转速。
具体的: 燃料电池通过DC/DC变换器、电机控制器向电动机供电，锂电池通过电机控制器向电动机供电，所述的燃料电池、DC/DC变换器、锂电池、电机控制器受控于该速度控制器并通过CAN总线与速度控制器通讯。该速度控制器上连接操作控制器，操作控制器上连接LED显示器、按键与控制模块。
本实用新型的有益效果是：
1. 解决了驾驶员意图识别问题，将驾驶员意图解释为可变的目标车速，而不是直接解释为目标转矩，这样可以实现车辆的速度优化控制，同时对车辆电池寿命形成保护；
2.解决了速度控制问题，以目标车速为输入参考值，对电机转矩（电流）进行控制，使车辆平稳启动、稳定行驶、自动限速、保护电池。
进而使本实用新型具有以下优点：
（1）使车辆启动和行驶更平稳，增加了乘坐的舒适性：本实用新型中提出将驾驶员意图解释为需求车速，并根据负载大小调整限速的数值。使得速度调节更加智能化；
（2）本实用新型中车辆能自动限速，避免由于驾驶员疏忽带来的超速或速度突变，并且使驾驶员操作更加方便：本实用新型中电机电流能自动调节、自动限速，车辆自动不会超过设定的限速，同时，驾驶员的操作更加方便和安全，只需将踏板踩到一定位置，控制器便会自动实现速度的调节，减少驾驶员的操作麻烦；
（3）本实用新型可以有效地保护电机和电池：本实用新型中根据设定速度进行电机电流调节，避免驾驶员长踩大油门造成电池电流过大，并且当负载增大时，自动减小最大速度数值，使控制器计算输出的电流值自动减小，从而对电机和电池使用寿命带来很大的好处。
附图说明
图1是目标转矩与转速关联经验曲线图；
图2是本实用新型速度控制器的结构框图；
图3是本实用新型所涉控制算法流程图；
图4是包含本实用新型速度控制器的燃料电池/锂电池混合动力电动车的系统总体结构图；
图5是实测燃料电池效率曲线图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本实用新型做进一步说明。
本实用新型的燃料电池/锂电池混合动力电动车的速度控制器，如图2所示，其包括驾驶员意图解释器、PI控制器、规则处理器、电机控制器，驶员意图解释器将油门踏板行程α解释为目标车速Vr，目标车速Vr经由PI控制器计算得到电动机需求的电流值Imr，经过规则处理器和电机控制器后供给电动机控制电动机转速。
具体的，参见图4，燃料电池通过DC/DC变换器、电机控制器向电动机供电，锂电池通过电机控制器向电动机供电，燃料电池、DC/DC变换器、锂电池、电机控制器受控于该速度控制器并通过CAN总线与速度控制器通讯。该速度控制器上连接操作控制器，操作控制器上连接LED显示器、按键与控制模块。
以下详细说明驾驶员意图解释器：
油门踏板行程为α，考虑到需求速度不宜频繁且敏感地变化，在计算时对α进行一定的非敏感处理。
需求速度与α间成正比例关系如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure 2012203148577100002DEST_PATH_IMAGE004
是在额定负载时的最大速度，可根据景区（市区）相应地段所要求的限速值进行调整，例如杭州景区游览车，
Figure 2012203148577100002DEST_PATH_IMAGE006
。则无论驾驶员油门踏板踩到最大多久，需求速度的上限值就是
Figure 513500DEST_PATH_IMAGE006
，这对于景区限速有极大的好处，避免驾驶员误操作带来的损失。当
Figure 2012203148577100002DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 2012203148577100002DEST_PATH_IMAGE010
，则控制器按照需求速度为15km/h进行电动机转矩（电流）的调节，使电机速度迅速达到驾驶员需求的速度。
上述公式中的
Figure 991493DEST_PATH_IMAGE004
是在额定负载时的最大速度
Figure 2012203148577100002DEST_PATH_IMAGE014
，当电动车的负载发生较大变化时，也应当有所变化。例如上坡时，汽车负载增加，如果最高时速仍然设定为30km，则电机驱动转矩及电池供电力不能达到，对电机和电池都会造成损害。因此，在负载增大时，应适当减小最高时速，设减小以后的最高时速为
Figure 2012203148577100002DEST_PATH_IMAGE016
，则
Figure 2012203148577100002DEST_PATH_IMAGE018
由以下公式得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE022
由下式计算可得：根据
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，及
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，得到
根据以上公式，可以计算得到
Figure 41806DEST_PATH_IMAGE016
的值。当电动车处于下坡时，虽然检测到负载减轻，但是考虑到景区的限速，下坡时更危险，所以
Figure 541664DEST_PATH_IMAGE016
仍然维持在
Figure DEST_PATH_IMAGE030
的大小不变。
以下说明速度控制算法：
混合动力汽车一般采用无刷直流电机作为驱动电机，是具有迟滞特性的一阶惯性环节，并不复杂。考虑到电池本身的限流特性，采用积分分离的PI控制器。在偏差较大时，采用P控制，确保上升速度；当偏差较小时，采用PI控制，确保进一步接近设定值并消除静差。PI参数可根据仿真调试进行适当调整，可采取常规的Z-N法，或者利用拉盖尔级数进行整定，此方法简单可靠。PI控制算法的流程图如图3所示。
以16座燃料电池/锂电池混合游览车为例，系统的硬件结构如图4所示。
其中，各部分参数如下：
（1）燃料电池：最大输出功率5kw，输出电压Ufc为68～120V，输出电流为0～70A，超过70A则自动保护，根据输出功率自动调节输入功率，其工作效率随输出功率发生变化，效率曲线如图5所示。
（2）锂电池：与燃料电池一起，向电机提供驱动电流，其额定驱动电流100A，电压48V左右。最大电流可达10C（1000A），大电流时其放电时间受限制，具体见锂电池出厂参数说明。
（3）DC/DC变换器：由于燃料电池的输出电压随电流而发生较大变化，不能直接用于锂电池充电或电机驱动，因此通过DC/DC变换器输出电压稳定（48V左右）的直流电，其变换效率约0.9。
（4）无刷直流电机及电机控制器：游览车采用三相无刷直流电机（BLDCM）作为动力装置。其电压方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
式中 uA、uB、uC 为三相输入电压，iA、iB、iC 为三相定子电流， eA、 eB、 eC 为三相电动势。
Figure DEST_PATH_IMAGE036
从功率角度来看，则有：
Figure DEST_PATH_IMAGE038
其中，Ea：反电动势幅值
      IDC：相绕组电流幅值
      CT：转矩常数
其运动方程如下：
Figure 114859DEST_PATH_IMAGE024
其中，B为阻尼系数，J为转动惯量，本系统中的电机参数为：额定功率5 kW，额定转速 1500 r/ min，额定输入电压48V，转动惯量=0.05 kgm2，额定转矩Te =80Nm。
电机控制器输入值为IDC，通过控制逆变器的导通状况，生成各项方波电流，从而控制电机的电磁转矩。
（5）速度控制器：通过CAN总线与系统各部件进行通讯，并通过控制算法和规则决定输出电流（Im、Id、Ib），实现对电机的控制。
（6）控制参数的选择：通过N-S方法对PI参数进行调节，一组典型的参数是kp=1.5，Ki=0.1，在这组参数控制下，上升时间小于2s，超调量几乎等于0。

Claims (3)

1.燃料电池/锂电池混合动力电动车的速度控制器，其特征是:包括驾驶员意图解释器、PI控制器、规则处理器、电机控制器，所述的驶员意图解释器将油门踏板行程α解释为目标车速Vr，目标车速Vr经由PI控制器计算得到电动机需求的电流值Imr，经过规则处理器和电机控制器后供给电动机控制电动机转速。
2.根据权利要求1所述的燃料电池/锂电池混合动力电动车的速度控制器，其特征是: 燃料电池通过DC/DC变换器、电机控制器向电动机供电，锂电池通过电机控制器向电动机供电，所述的燃料电池、DC/DC变换器、锂电池、电机控制器受控于该速度控制器并通过CAN总线与速度控制器通讯。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池/锂电池混合动力电动车的速度控制器，其特征是: 该速度控制器上连接操作控制器，操作控制器上连接LED显示器、按键与控制模块。
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