CN106828125A - 永磁电力驱动车辆供电***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种永磁电动驱动车辆供电***及其控制方法，通过对超级电容器的荷电状态进行调整，以充分有效的实现超级电容器对发电机的功率补偿，然后基于超级电容器的荷电状态，对超级电容器的参考电流进行优化，以提高超级电容器的利用率，有效降低了发电机电流的幅值和波动范围，进而保护发电机。

Description

永磁电力驱动车辆供电***及其控制方法

技术领域

本发明涉及永磁电动驱动车辆供电技术领域，更具体地，涉及一种永磁电动驱动车辆供电***及其控制方法。

背景技术

由于环境污染的日益严重和能源危机的日益加深，混合动力汽车凭借其节能、环保的优势已经发展成为一种必然趋势。混合动力汽车环保节能理论的核心是利用储能***对工况需求功率进行“削峰填谷”，回收制动时的动能，使得整个动力***效率更高。在过去的十多年中，混合动力汽车(HEV)已经在商用和民用中得到了很好的发展。

尽管如此，混合动力汽车的性能和使用范围仍然没有达到以天然气为动力源的传统汽车。导致这种问题的原因是蓄电池储能***比功率较低、循环寿命短，主要体现在HEV在瞬时启动和加速时电池难以满足负载高功率密度需求以及在快速制动时的能量充分回收，从而限制了HEV的快速发展。为此，有必要增加辅助电源来提供峰值功率和快速回收制动能量。超级电容器凭借其高比功率和循环寿命长无疑为最佳选择，将蓄电池和超级电容器混合使用构成复合电源，可充分发挥两者的自身优势，同时最大限度地限制单一电源的不足，将大大提高HEV储能***的效率。

针对上述的技术问题，在中国专利CN201410080123.0中提供了一种自适应滤波器功率分流控制的混合动力车复合电源及方法，该复合电源由蓄电池和超级电容器组成，为充分发挥超级电容器比功率大和蓄电池比能量大的优点，同时为了根据混合动力汽车行驶工况的变化及时调度超级电容器对蓄电池进行功率补偿，在蓄电池和超级电容器之间添加一个DC/DC变换器，通过控制DC/DC变换器开关管的导通与关断，从而实现蓄电池和超级电容器之间功率的合理分配。

其虽然解决蓄电池和超级电容器之间功率的合理分配问题，但是，由于发电机电流的幅值和波动，导致超级电容器的利用率较低，当发电机电流过大时，很容易致使发电机受损。

发明内容

本发明提供一种永磁电动驱动车辆供电***及其控制方法，以解决现有永磁电动驱动车辆供电***发电机电流幅值和波动较大所引起的超级电容器利用效率低的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种永磁电动驱动车辆供电***，包括：发电机、超级电容器、DC变流器和功率总线，所述发电机与所述功率总线相连，且所述超级电容器通过所述DC变流器与所述功率总线电性连接。

在上述方案基础上优选，所述功率总线上装设有与所述发电机输出端连接的整流器、与该整流器输出端连接的直流母线和与所述直流母线连接的逆变器，所述DC变流器的输出端与所述直流母线相连并与所述整流器并联。

本发明还提供了一种永磁电动驱动车辆供电***的控制方法，其包括以下步骤：基于电机需求功率，调节低通滤波器的时间常数，以获取负载需求功率的平均功率和负载需求功率的峰值功率；

超级电容器提供负载需求功率的峰值功率；发电机提供负载需求功率的平均功率。

在上述方案基础上优选，所述低通滤波器的时间常数的获取方法包括，

基于超级电容器的参考电流、超级电容器的工作电流和超级电容器的矫正电流，以获取低通滤波器的时间常数。

在上述方案基础上优选，所述超级电容器的参考电流获取方法包括以下步骤：

基于电容参考电压调整模型，以获取超级电容器的参考电压；

根据超级电容器的工作电压和超级电容器的参考电压，以获取超级电容器的参考电流。

在上述方案基础上优选，所述电容参考电压调整模型表达式为：

其中，U_uc-ref表示超级电容器的参考电压，表示超级电容器的最小输出电压，表示超级电容器的最大输出电压，v表示汽车的运行速度；v^max为汽车的最大运行速度。

在上述方案基础上优选，所述超级电容器的最小输出电压和超级电容器的获取步骤包括：

基于目标函数

约束条件：

且

其中，0<i<1，0<j<1，表示发电机最大电流、表示超级电容器的最大电流，表示发电机电流的最大波动幅度，表示超级电容器的最大电压，T为运行时间，τ表示低通滤波器的时间常数；α、β为权衡系数，t表示时间变量，I_G表示发电机的电流，I_M表示负载的电流，U_uc-ref表示超级电容器的参考电压，U_uc表示超级电容器的工作电压，C_uc表示超级电容器的电容，表示发电机电流的最大波动幅度。

在上述方案基础上优选，基于超级电容器的参考电压U_uc-ref，以获取发电机的电流I_G和超级电容器的电流I_uc，迭代代入优化目标函数，得到目标函数最小值时的超级电容器的参考电流I_uc-ref。

在上述方案基础上优选，所述优化目标函数表达式为：

式中γ为权衡系数，其定义为

本申请提出一种永磁电动驱动车辆供电***的控制方法，通过对超级电容器的荷电状态进行调整，以充分有效的实现超级电容器对发电机的功率补偿，然后基于超级电容器的荷电状态，对超级电容器的参考电流进行优化，以提高超级电容器的利用率，有效降低了发电机电流的幅值和波动范围，进而保护发电机。

附图说明

图1为本发明的一种永磁电动驱动车辆供电***的结构示意图；

图2为本发明的一种永磁电动驱动车辆供电***的控制原理图；

图3为本发明的超级电容器的电流的获取原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参阅图1所示，本发明提供了一种永磁电动驱动车辆供电***，其包括：发电机、超级电容器、DC变流器和功率总线，发电机与功率总线相连，且超级电容器通过所述DC变流器与功率总线电性连接。

其中，本发明的功率总线上装设有与发电机输出端连接的整流器、与该整流器输出端连接的直流母线和与直流母线连接的逆变器，DC变流器的输出端与直流母线相连，并使DC变流器与整流器并联。

请参阅图2所示，本发明还提供了一种控制永磁电力驱动车辆供电***的方法，其包括，

基于电机需求功率，调节低通滤波器的时间常数，以获取负载需求功率的平均功率和负载需求功率的峰值功率；

超级电容器提供负载需求功率的峰值功率；发电机提供负载需求功率的平均功率。

工作时，发电机为主要动力源，在稳定电压的状态下提供车辆所需的主要动力；超级电容器和DC变流器组成辅助动力源，当车辆处于启动和加速时提供辅助动力。同时，当车辆处于制动状态时，超级电容器仍然能够快速吸收再生制动能量。永磁发电机决定母线电压，直接对电动机和其他负载输出功率，能量转换效率高；而超级电容器通过DC变流器自动调节自身电压与发电机匹配工作，有效地保护了发电机。使发电机处于一种恒定功率输出工作下，电压调控更加容易实现。

请参阅图2所示，为本发明一种控制永磁电力驱动车辆供电***的方法原理图，即利用超级电容器来提供负载中大量的瞬时功率需求，充分回收制动时的再生能量，从而对发电机进行功率补偿。但其前提是超级电容器能被充分利用，尽量避免发电机频繁的处于大电流高电压工作的状态。由图2可见，本发明一种永磁电力驱动车辆供电***的控制方法原理是利用低通滤波器将负载需求功率分成两部分—峰值功率P_uc和平均功率P_G。其中，滤波器选取线性低通滤波器，负载需求功率P经过低通滤波器后得到平均功率P_G，平均功率主要由发电机来提供；将需求总功率与平均功率相减就可以得到峰值功率P_uc，峰值功率主要由超级电容器来提供。从能源管理结构以及其控制原理的设计可以得出，超级电容器是控制的主要对象；另外，滤波器时间常数τ的设置是该控制方法的核心，因此，需要根据超级电容器参数的变化对τ进行自适应选择。

以下将详细介绍本发明获取滤波器时间常数τ的方法。

首先，根据超级电容器的工作电压U_uc和超级电容器的参考电压U_uc-ref，通过PI控制器以获取超级电容器的参考电流I_uc-ref。

经超级电容器的参考电流I_uc-ref与超级电容器的工作电流I_uc比较，并引入超级电容器的矫正电流I_uc-corr作为矫正，以获取三者的合并电流，通过PI调节，以得到滤波器时间常数τ。

其中，超级电容器的矫正电流I_uc-corr是通过引入工况后，获取超级电容器的荷电状态参考值SOC_uc-ref，将超级电容器的荷电状态参考值SOC_uc-ref与超级电容器的荷电状态SOC比较，通过PI调节以得到超级电容器的矫正电流I_uc-corr。

本发明为了实现超级滤波器的充分利用，以提高其利用效率，本发明对超级电容器的荷电状态进行了优化，具体优化步骤如下：

首先，定义超级电容器的瞬时电压为U_uc(t)，U_uc(t)的表达式如下：

其中，I_uc表示超级电容器的工作电流，C_uc表示超级电容电荷量。

工作过程中，当负载电机电流为I_M(t)，当I_M(t)>0时，说明***再向负载供电，当I_M(t)<0时，说明负载在向***馈送再生制动能量。

第一步，为了充分有效的实现超级电容器对发电机进行功率补偿，超级电容器应根据工况运行情况合理进行充放电，所以，需要对超级电容器荷电状态(SOCuc)进行设置与调整，而与SOCuc关系最密切的是超级电容器的工作电压Uuc。SOCuc与Uuc的变化趋势基本相同，所以Uuc-ref参数的选择直接影响着SOCuc和Uuc的变化范围，因此，对SOCuc调整可等效为对Uuc-ref参数的选择与调整，优化问题可以描述如下:

设定目标函数：

约束条件：

且

其中，0<i<1，0<j<1，表示发电机最大电流、表示超级电容器的最大电流，表示超级电容器的最大电压，T为运行时间，τ表示低通滤波器的时间常数；α、β为权衡系数，t表示时间变量，I_G表示发电机的电流，I_M表示负载的电流，U_uc-ref表示超级电容器的参考电压，U_uc表示超级电容器的工作电压，C_uc表示超级电容器的电容，表示发电机电流的最大波动幅度。

调整过程中，设定决策变量为发电机的电流I_G(t)、超级电容器的工作电流I_uc(t)、超级电容器的工作电压U_uc和超级电容器的工作电压U_uc-ref，控制原理和优化设计的总目标都是通过超级电容器的工作电压U_uc对发电机进行功率补偿，优化发电机发电过程，大电流幅度变化，尽量使得发电机以恒流方式工作，减少谐波的产生，因此，这里优化的目标函数，首先最小化发电机电流的总和，然后最小化发电机电流波动范围的总和。

也就说，首先，求取当上述设定的设定目标函数公式(1)最小时的发电机的电流I_G值，然后，结合第一个约束条件公式(2)和第二个约束条件(3)以求取超级电容器的最小输出电压而本发明超级电容器的最大输出电压则是根据循环工况中能量需求、平均功率需求以及峰值功率需求人为的来配置。

其中，电容参考电压调整式子为：

其中，U_uc-ref表示超级电容器的参考电压，表示超级电容器的最小输出电压，表示超级电容器的最大输出电压，v表示汽车的运行速度；v^max为汽车的最大运行速度。

然后，根据超级电容器的工作电压U_uc和超级电容器的参考电压U_uc-ref比较，通过PI调节以获取超级电容器的参考电流I_uc-ref。

第二步，对发电机电流的优化，将第一步中优化后的超级电容器的参考电压U_uc-ref作为优化的输入量，以实现对发电机电流的优化。

首先，设计目标函数为：

约束条件：

式中γ为权衡系数，其定义为

第二步的目标函数相比于第一步的目标函数多了个Uuc(t)和Uuc-ref的差值，该差值不仅反映了超级电容器的工作电压Uuc的变化范围，同时还体现了超级电容器的最大充放电深度，也就是SOCuc的变化范围。发电机和超级电容器的参数是根据循环工况中能量需求、平均功率需求以及峰值功率需求来配置的，配置后的发电机和超级电容器参数决定了发电机的最大电流、超级电容器的最大电压等参数，从而得到优化算法中的约束条件。可以得出：

将得到的发电机电流，电容电流反复迭代代入目标函数，在所得一系列目标函数数值中，取使目标函数值最小时的发电机电流I_G，电容电流I_uc，则此时我们所得的优化后的发电机参考电流I_G-ref，和电容参考电流I_uc-ref。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种永磁电动驱动车辆供电***，其特征在于，其包括：发电机、超级电容器、DC变流器和功率总线，所述发电机与所述功率总线相连，且所述超级电容器通过所述DC变流器与所述功率总线电性连接。

2.如权利要求1所述的一种永磁电动驱动车辆供电***，其特征在于，其包括：所述功率总线上装设有与所述发电机输出端连接的整流器、与该整流器输出端连接的直流母线和与所述直流母线连接的逆变器，所述DC变流器的输出端与所述直流母线相连并与所述整流器并联。

3.一种控制如权利要求1所述永磁电力驱动车辆供电***的方法，其特征在于，其包括，

基于电机需求功率，调节低通滤波器的时间常数，以获取负载需求功率的平均功率和负载需求功率的峰值功率；

超级电容器提供负载需求功率的峰值功率；发电机提供负载需求功率的平均功率。

4.如权利要求3所述的一种控制永磁电力驱动车辆供电***的方法，其特征在于，所述低通滤波器的时间常数的获取方法包括，

基于超级电容器的参考电流、超级电容器的工作电流和超级电容器的矫正电流，以获取低通滤波器的时间常数。

5.如权利要求4所述的一种控制永磁电力驱动车辆供电***的方法，其特征在于，所述超级电容器的参考电流获取方法包括以下步骤：

基于电容参考电压调整模型，以获取超级电容器的参考电压；

根据超级电容器的工作电压和超级电容器的参考电压，以获取超级电容器的参考电流。

6.如权利要求5所述的一种控制永磁电力驱动车辆供电***的方法，其特征在于，所述电容参考电压调整模型表达式为：

$U_{uc-ref}=\frac{U_{uc}^{\min }-U_{uc}^{\max }}{v^{max}}v+U_{uc}^{\max };$

其中，U_uc-ref表示超级电容器的参考电压，表示超级电容器的最小输出电压，表示超级电容器的最大输出电压，v表示汽车的运行速度；v^max为汽车的最大运行速度。

7.如权利要求6所述的一种控制永磁电力驱动车辆供电***的方法，其特征在于，所述超级电容器的最小输出电压和超级电容器的获取步骤包括：

基于目标函数

约束条件：

且

其中，0<i<1，0<j<1，表示发电机最大电流、表示超级电容器的最大电流，表示超级电容器的最大电压，T为运行时间，τ表示低通滤波器的时间常数；α、β为权衡系数，t表示时间变量，I_G表示发电机的电流，I_M表示负载的电流，U_uc-ref表示超级电容器的参考电压，U_uc表示超级电容器的工作电压，C_uc表示超级电容器的电容，表示发电机电流的最大波动幅度。

8.如权利要求7所述的一种控制永磁电力驱动车辆供电***的方法，其特征在于，基于超级电容器的参考电压U_uc-ref，以获取发电机的电流I_G和超级电容器的电流I_uc，迭代代入优化目标函数，得到目标函数最小值时的超级电容器的参考电流I_uc-ref。

9.如权利要求8所述的一种控制永磁电力驱动车辆供电***的方法，其特征在于，所述优化目标函数表达式为：

式中γ为权衡系数，其定义为且0≤k≤1。