CN110884364A - 一种基于功率跟踪的电动汽车混合电源控制方法 - Google Patents

一种基于功率跟踪的电动汽车混合电源控制方法 Download PDF

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韩肖清
王磊
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杜毅
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Abstract

本发明属于电动汽车混合电源的技术领域，涉及如何控制电动汽车混合电源的能量供应，具体是一种基于功率跟踪的电动汽车混合电源控制方法，解决了背景技术中的技术问题。采用如下技术方案：在超级电容两端增加能耗电阻，在蓄电池与电动汽车的驱动电机之间增加单向的第二DC/DC变换器。本发明提供的电动汽车混合电源控制方法能针对电动汽车需求功率的变化协调控制蓄电池和超级电容能量的输出以及制动时超级电容进行能量回收，能够实现复合电源中蓄电池和超级电容之间功率的合理分配，加快车辆大功率需求时的响应速度；使电动汽车更平稳、更高效的运行。

Description

一种基于功率跟踪的电动汽车混合电源控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车混合电源的技术领域，涉及如何控制电动汽车混合电源的能量供应，具体是一种基于功率跟踪的电动汽车混合电源控制方法。
背景技术
与传统车辆相比，电动汽车具备节能环保的特点，使其成为汽车行业发展的必然趋势。电动汽车的能量供应主要是车载电池。但是因为车载电池的使用寿命有限，使得电动汽车续航里程较短，成本过高，严重限制了电动汽车行业发展的步伐。
近年来超级电容因为能储存大量电荷，充放电速度快的特点得以迅速发展，能够在电动汽车需求功率较大时提供足够高的峰值电流，制动时吸收回馈能量。将超级电容作为蓄电池的辅助电源，能够弥补电动汽车对大功率的需求。蓄电池和超级电容的组合作为电动汽车电源，既保证了电动汽车的续驶里程，又能保证汽车具有良好的加速和制动的性能，实现了超级电容对蓄电池的“削峰填谷”，延长锂电池寿命，提高电动汽车动力性能。
现有的电动汽车混合电源的***结构如图1所示，其包括蓄电池、超级电容、直流母线和功率分配器，其中功率分配器包括由能量管理***控制的第一DC/DC变换器。蓄电池直接连接至直流母线的第一端，超级电容与双向的第一DC/DC变换器相连形成超级电容供电电路，所述超级电容供电电路连接至直流母线的第一端；直流母线的第二端与电动汽车的驱动电机。
其中蓄电池和超级电容组合的电动汽车驱动电机在制动时，电机运行在发电机状态，产生的回馈能量会使蓄电池会受到较大的电流冲击，影响蓄电池使用寿命，为了合理的控制蓄电池和超级电容的功率输出，使电动汽车更高效的运行，如何合理的控制蓄电池和超级电容的能量供应，成为复合电源***控制的主要问题。
为了合理的控制蓄电池和超级电容的功率输出，使电动汽车更高效的运行，如何合理的控制蓄电池和超级电容的能量供应，成为复合电源***控制的主要问题。
发明内容
本发明旨在解决背景技术中的技术问题。为此，本发明提出一种基于功率跟踪的电动汽车混合电源控制方法；该方法是一种针对电动汽车需求功率的变化协调控制蓄电池和超级电容能量的输出以及制动时超级电容进行能量回收，能够实现复合电源中蓄电池和超级电容之间功率的合理分配。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于功率跟踪的电动汽车混合电源控制方法，采用的电动汽车混合电源包括蓄电池、超级电容、直流母线和功率分配器，所述功率分配器包括由能量管理***控制的第一DC/DC变换器；所述蓄电池连接至直流母线的第一端，超级电容与双向的第一DC/DC变换器相连形成超级电容供电电路，所述超级电容供电电路连接至直流母线的第一端；直流母线的第二端连接至电动汽车的驱动电机；包括以下步骤：
S1：在超级电容的两端并联能耗电阻R2，在所述蓄电池与直流母线的第一端之间连接双环控制的单向的第二DC/DC变换器，其中混合电源***等效电路中把超级电容等效为电容串联电阻的模型，USC为超级电容的开路电压，CSC为超级电容的等效电容，R1为超级电容的等效串联电阻；Ubatt为蓄电池的开路电压；电感L1、开关管S1和S2构成第一DC/DC变换器；电感L2、开关管S3和S4构成第二DC/DC变换器；S5-S8和电机M构成H桥型逆变器和电动汽车的驱动电机***；S2：计算车辆需求功率Pload以及超级电容荷电状态SOC，其中，
Pload＝[(A+B·v+C·v2)+m·a]·v，
其中，v是车辆速度，km/h；m是整车质量，kg；a是车辆加速度，m/s2；A、B、C均是通过拟合得到的结果；
Figure BDA0002307000860000031
其中，超级电容电压达到满电电压的一半视为电量耗尽，则超级电容荷电状态SOC的有效工作区间为[0.25，1]，为了防止超级电容过度放电和过度充电，需留有一定裕度,将超级电容荷电状态控制在[0.4,0.9],故超级电容荷电状态最小值为0.4，超级电容荷电状态最大值为0.9，USC为超级电容的开路电压，USC-min为超级电容两端电压的上限值，USC-max为超级电容两端电压的下限值；
S3：判断车辆需求功率Pload是否大于零；若Pload>0，则继续判断车辆需求功率Pload是否大于蓄电池最大放电功率设定值Peq，若Pload>Peq，则判断超级电容荷电状态SOC是否大于超级电容荷电状态最小值，若SOC>0.4，则能量管理***控制蓄电池和超级电容共同为车辆提供能量，即Pbatt+Psc＝Pload；若SOC≤0.4，则能量管理***控制蓄电池为车辆单独提供驱动能量，即Pbatt＝Pload且Psc＝0；若Pload≤Peq，则能量管理***控制蓄电池为车辆单独提供驱动能量，即Pbatt＝Pload且Psc＝0，其中Pbatt为蓄电池输出功率，Psc为超级电容输出功率；若Pload≤0，则判断超级电容荷电状态SOC是否小于超级电容荷电状态最大值,若SOC<0.9，则能量管理***控制超级电容回收车辆制动能量，即Pload＝Psc；若SOC≥0.9，则能量管理***控制能耗电阻R2消耗制动能量，即Pload＝PR2；
S4：控制结束。
进一步的，第二DC/DC变换器通过电压环将直流母线参考电压Udc-ref与直流母线电压Udc的差值输入到第一比例积分调节器得到蓄电池的参考电流Ibatt-ref，然后再通过电流环将蓄电池的参考电流Ibatt-ref与流过电感L2的电流IL2作差后经过再经过第二比例积分调节器产生控制信号，第二比例积分调节器将得到的控制信号输入到第一PWM脉冲发生器中得到控制蓄电池输出功率Pbatt的PWM脉冲信号。通过控制流过电感L2的电流IL2，来控制蓄电池的电流值Ibatt，从而使直流母线电压稳定，以达到汽车平稳运行。本发明中，蓄电池仅正向向汽车提供能量，而不反向回收汽车制动能量，从而有效减少蓄电池的充放电次数以及电流对蓄电池的冲击，达到延长蓄电池寿命的目的。
进一步的，第一DC/DC变换器根据采集的车辆速度v，计算出车辆需求功率Pload，根据车辆需求功率Pload查表得出超级电容和蓄电池的电流总和参考值Iref，通过将超级电容和蓄电池的电流总和参考值Iref与流过电感L2的电流IL2作差得到电感L1电流参考值IL1-ref，再将电感L1电流参考值IL1-ref与流过电感L1的电流IL1作差得到电感L1电流参考值IL1-ref与电感L1实际电流值IL1的差值，再将电感L1电流参考值IL1-ref与电感L1实际电流值IL1的差值输入到第三比例积分调节器产生控制信号，比例积分调节器将得到的控制信号输入到第二PWM脉冲发生器中得到控制超级电容输出功率Psc的PWM脉冲信号。使得超级电容实际电流值始终跟踪超级电容电流参考值。
在本发明中，采用能量管理***根据所采集到的车辆需求功率Pload和超级电容荷电状态SOC判断车辆的工作模式，从而控制电动汽车混合电源的功率分配，进而保证了蓄电池和超级电容能够对工作模式变化过程中功率需求做出快速响应，且为避免超级电容因过度充电而受损，当充电量达到上限时，***的回馈能量由并联的能耗电阻消耗。
本发明的有益效果是：本发明提供一种基于功率跟踪的电动汽车混合电源控制方法能针对电动汽车需求功率的变化协调控制蓄电池和超级电容能量的输出以及制动时超级电容进行能量回收，能够实现复合电源中蓄电池和超级电容之间功率的合理分配，能够满足不同时刻电动汽车对不同功率的需求，加快车辆大功率需求时的响应速度；蓄电池单独供电时，直流母线电压基本稳定，能够满足电动汽车平稳运行时对动态稳定性的要求；相较于蓄电池单独供电，超级电容的加入，对蓄电池能够起到“削峰填谷”的作用；与蓄电池连接的第二DC/DC变换器是单向的，保证了蓄电池仅正向向汽车提供能量，而不反向回收汽车制动能量，从而减少蓄电池的充放电次数以及电流对蓄电池的冲击，达到延长蓄电池寿命的目的，本发明所述的方法在电动汽车混合电源中超级电容的两端并联了能耗电阻，为避免超级电容因过度充电而受损，当充电量达到上限时，***的回馈能量由并联的能耗电阻消耗，通过本发明所述方法能合理的控制蓄电池和超级电容的功率输出，使电动汽车更高效的运行。
附图说明
图1是背景技术中的电动混合电源的***结构示意图；
图2是本发明中所述电动混合电源的***结构示意图；
图3是本发明中所述电动混合电源的***等效电路图；
图4是本发明所涉及的混合电源***控制流程图；
图5是本发明所涉及的第一DC/DC变换器控制框图；
图6是本发明所涉及的第二DC/DC变换器控制框图；
图7是本发明所涉及的直流母线电压随着车辆运行状态不断变化的电压波形图；
图8是为车辆运行状态不断变化情况下本发明所涉及的蓄电池电流波形图的电流波形；
图9是为车辆运行状态不断变化情况下本发明所涉及的超级电容电流波形图的电流波形；
图10是本发明所涉及的超级电容荷电状态变化图；
图11是本发明所涉及的蓄电池荷电状态变化图。
具体实施方式
参照图1至图11，对本发明的一种基于功率跟踪的电动汽车混合电源控制方法进行详细说明。
一种基于功率跟踪的电动汽车混合电源控制方法，采用的电动汽车混合电源包括蓄电池、超级电容、直流母线和功率分配器，所述功率分配器包括由能量管理***控制的第一DC/DC变换器；所述蓄电池连接至直流母线的第一端，超级电容与双向的第一DC/DC变换器相连形成超级电容供电电路，所述超级电容供电电路连接至直流母线的第一端；直流母线的第二端连接至电动汽车的驱动电机；包括以下步骤：
S1：在超级电容的两端并联能耗电阻R2，在所述蓄电池与直流母线的第一端之间连接双环控制的单向的第二DC/DC变换器，具体如图2所示，其中混合电源***等效电路中把超级电容等效为电容串联电阻的模型，USC为超级电容的开路电压，CSC为超级电容的等效电容，R1为超级电容的等效串联电阻；Ubatt为蓄电池的开路电压；电感L1、开关管S1和S2构成第一DC/DC变换器；电感L2、开关管S3和S4构成第二DC/DC变换器；S5-S8和电机M构成H桥型逆变器和电动汽车的驱动电机***，具体如图3所示；
S2：计算车辆需求功率Pload以及超级电容荷电状态SOC，其中，
Pload＝[(A+B·v+C·v2)+m·a]·v，
其中，v是车辆速度，km/h；m是整车质量，kg；a是车辆加速度，m/s2；A、B、C均是通过拟合得到的结果；
Figure BDA0002307000860000071
其中，超级电容电压达到满电电压的一半视为电量耗尽，则超级电容荷电状态SOC的有效工作区间为[0.25，1]，为了防止超级电容过度放电和过度充电，需留有一定裕度,将超级电容荷电状态控制在[0.4,0.9],故超级电容荷电状态最小值为0.4，超级电容荷电状态最大值为0.9，USC为超级电容的开路电压，USC-min为超级电容两端电压的上限值，USC-max为超级电容两端电压的下限值；
S3：判断车辆需求功率Pload是否大于零；若Pload>0，则继续判断车辆需求功率Pload是否大于蓄电池最大放电功率设定值Peq，若Pload>Peq，则判断超级电容荷电状态SOC是否大于超级电容荷电状态最小值，若SOC>0.4，则能量管理***控制蓄电池和超级电容共同为车辆提供能量，即Pbatt+Psc＝Pload；若SOC≤0.4，则能量管理***控制蓄电池为车辆单独提供驱动能量，即Pbatt＝Pload且Psc＝0；若Pload≤Peq，则能量管理***控制蓄电池为车辆单独提供驱动能量，即Pbatt＝Pload且Psc＝0，其中Pbatt为蓄电池输出功率，Psc为超级电容输出功率；若Pload≤0，则判断超级电容荷电状态SOC是否小于超级电容荷电状态最大值,若SOC<0.9，则能量管理***控制超级电容回收车辆制动能量，即Pload＝Psc；若SOC≥0.9，则能量管理***控制能耗电阻R2消耗制动能量，即Pload＝PR2，具体如图4所示，；S4：控制结束。
进一步的，作为本发明所述一种基于功率跟踪的电动汽车混合电源控制方法的具体实施方式，第二DC/DC变换器通过电压环将直流母线参考电压Udc-ref与直流母线电压Udc的差值输入到第一比例积分调节器得到蓄电池的参考电流Ibatt-ref，然后再通过电流环将蓄电池的参考电流Ibatt-ref与流过电感L2的电流IL2作差后经过再经过第二比例积分调节器产生控制信号，第二比例积分调节器将得到的控制信号输入到第一PWM脉冲发生器中得到控制蓄电池输出功率Pbatt的PWM脉冲信号，具体为图5所示的控制过程，该控制过程即为图2中所述的双环控制，通过传统的双环控制蓄电池的能量输出，以保证车辆平稳运行时的动态稳定性。通过控制流过电感L2的电流IL2，来控制蓄电池的电流值Ibatt，从而使直流母线电压稳定，以达到汽车平稳运行。本发明中，蓄电池仅正向向汽车提供能量，而不反向回收汽车制动能量，从而减少蓄电池的充放电次数以及电流对蓄电池的冲击，达到延长蓄电池寿命的目的。
进一步的，作为本发明所述一种基于功率跟踪的电动汽车混合电源控制方法的具体实施方式，第一DC/DC变换器根据采集的车辆速度v，计算出车辆需求功率Pload，根据车辆需求功率Pload查表得出超级电容和蓄电池的电流总和参考值Iref，通过将超级电容和蓄电池的电流总和参考值Iref与流过电感L2的电流IL2作差得到电感L1电流参考值IL1-ref，再将电感L1电流参考值IL1-ref与流过电感L1的电流IL1作差得到电感L1电流参考值IL1-ref与电感L1实际电流值IL1的差值，再将电感L1电流参考值IL1-ref与电感L1实际电流值IL1的差值输入到第三比例积分调节器产生控制信号，比例积分调节器将得到的控制信号输入到第二PWM脉冲发生器中得到控制超级电容输出功率Psc的PWM脉冲信号。使得超级电容实际电流值始终跟踪超级电容电流参考值，具体为图6所示，通过功率跟踪控制超级电容的能量输出，以实现超级电容在大功率需求时为车辆行驶提供能量。
在本发明中，采用能量管理***根据所采集到的车辆需求功率Pload和超级电容荷电状态SOC判断车辆的工作模式，从而控制电动汽车混合电源的功率分配，进而保证了蓄电池和超级电容能够对工作模式变化过程中功率需求做出快速响应，且为避免超级电容因过度充电而受损，当充电量达到上限时，***的回馈能量由并联的能耗电阻消耗。
由图7可得，当蓄电池单独供电时，电压值波动较小，基本稳定在300V，此时电动汽车的运行较稳定，当汽车进入加速或者爬坡等大功率运行状态时，超级电容立即参与供电，为汽车的运行提供瞬时大电流响应，电流变化幅度较大，此时直流母线电压明显上升。
由图8和图9可得，超级电容的电流波形能够准确跟随超级电容的电流参考值，车辆在大功率需求时，超级电容加入供电，充分发挥了超级电容功率密度大的特点，短时间内紧随运行状态变化而变化，能够及时进行功率补偿。流过蓄电池的电流明显降低，有效减少了蓄电池的冲击。
由图10可得，超级电容功率密度大，荷电状态变化速度快，端电压随着能量的减少降低幅度较大，充放电过程较快，能够满足复合电源快速性的需求。
由图11可得，蓄电池能量密度较大，同时因为辅助电源-超级电容响应大功率需求，使得蓄电池的端电压变化较小，蓄电池荷电状态下降较平缓。
以上具体结构和尺寸数据是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种基于功率跟踪的电动汽车混合电源控制方法，采用的电动汽车混合电源包括蓄电池、超级电容、直流母线和功率分配器，所述功率分配器包括由能量管理***控制的第一DC/DC变换器；所述蓄电池连接至直流母线的第一端，超级电容与双向的第一DC/DC变换器相连形成超级电容供电电路，所述超级电容供电电路连接至直流母线的第一端；直流母线的第二端连接至电动汽车的驱动电机；其特征在于，包括以下步骤：
S1：在超级电容的两端并联能耗电阻R2，在所述蓄电池与直流母线的第一端之间连接双环控制的单向的第二DC/DC变换器，其中混合电源***等效电路中把超级电容等效为电容串联电阻的模型，USC为超级电容的开路电压，CSC为超级电容的等效电容，R1为超级电容的等效串联电阻；Ubatt为蓄电池的开路电压；电感L1、开关管S1和S2构成第一DC/DC变换器；电感L2、开关管S3和S4构成第二DC/DC变换器；S5-S8和电机M构成H桥型逆变器和电动汽车的驱动电机***；
S2：计算车辆需求功率Pload以及超级电容荷电状态SOC，其中，
Pload＝[(A+B·v+C·v2)+m·a]·v，
其中，v是车辆速度，km/h；m是整车质量，kg；a是车辆加速度，m/s2；A、B、C均是通过拟合得到的结果；
Figure FDA0002307000850000011
其中，超级电容电压达到满电电压的一半视为电量耗尽，则超级电容荷电状态SOC的有效工作区间为[0.25，1]，为了防止超级电容过度放电和过度充电，需留有一定裕度，将超级电容荷电状态控制在[0.4，0.9]，故超级电容荷电状态最小值为0.4，超级电容荷电状态最大值为0.9，USC为超级电容的开路电压，USC-min为超级电容两端电压的上限值，USC-max为超级电容两端电压的下限值；
S3：判断车辆需求功率Pload是否大于零；若Pload＞0，则继续判断车辆需求功率Pload是否大于蓄电池最大放电功率设定值Peq，若Pload＞Peq，则判断超级电容荷电状态SOC是否大于超级电容荷电状态最小值，若SOC＞0.4，则能量管理***控制蓄电池和超级电容共同为车辆提供能量，即Pbatt+Psc＝Pload；若SOC≤0.4，则能量管理***控制蓄电池为车辆单独提供驱动能量，即Pbatt＝Pload且Psc＝0；若Pload≤Peq，则能量管理***控制蓄电池为车辆单独提供驱动能量，即Pbatt＝Pload且Psc＝0，其中Pbatt为蓄电池输出功率，Psc为超级电容输出功率；若Pload≤0，则判断超级电容荷电状态SOC是否小于超级电容荷电状态最大值，若SOC＜0.9，则能量管理***控制超级电容回收车辆制动能量，即Pload＝Psc；若SOC≥0.9，则能量管理***控制能耗电阻R2消耗制动能量，即Pload＝PR2；
S4：控制结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于功率跟踪的电动汽车混合电源控制方法，其特征在于：第二DC/DC变换器通过电压环将直流母线参考电压Udc-ref与直流母线电压Udc的差值输入到第一比例积分调节器得到蓄电池的参考电流Ibatt-ref，然后再通过电流环将蓄电池的参考电流Ibatt-ref与流过电感L2的电流IL2作差后经过再经过第二比例积分调节器产生控制信号，第二比例积分调节器将得到的控制信号输入到第一PWM脉冲发生器中得到控制蓄电池输出功率Pbatt的PWM脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于功率跟踪的电动汽车混合电源控制方法，其特征在于：第一DC/DC变换器根据采集的车辆速度v，计算出车辆需求功率Pload，根据车辆需求功率Pload查表得出超级电容和蓄电池的电流总和参考值Iref，通过将超级电容和蓄电池的电流总和参考值Iref与流过电感L2的电流IL2作差得到电感L1电流参考值IL1-ref，再将电感L1电流参考值IL1-ref与流过电感L1的电流IL1作差得到电感L1电流参考值IL1-ref与电感L1实际电流值IL1的差值，再将电感L1电流参考值IL1-ref与电感L1实际电流值IL1的差值输入到第三比例积分调节器产生控制信号，比例积分调节器将得到的控制信号输入到第二PWM脉冲发生器中得到控制超级电容输出功率Psc的PWM脉冲信号。
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