CN107933326A - 一种双源无轨电车电电耦合控制方法及动力装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双源无轨电车电电耦合控制方法及动力装置，利用小波变换功率分流策略将汽车的需求功率分解为高频和低频两部分，充分利用超级电容在提供瞬时的大电流和高频功率的优势，将汽车需求功率的高频部分让超级电容提供，汽车需求功率的低频部分由动力电池或供电线网提供，制动过程利用超级电容的特性首先给超级电容充电。整个系统将动力电池不擅长提供的高频部分能量由超级电容来提供，同时当处于在网工作模式时供电线网可以根据实际行驶状况以及动力电池和超级电容的荷电状态来实时调整能量分配，即给汽车行驶需求提供能量以及给动力电池和超级电容充电情况，而在脱网工作模式时动力电池和超级电容协同工作，提供汽车行驶的功率需求。

Description

一种双源无轨电车电电耦合控制方法及动力装置

技术领域

本发明涉及一种双源无轨电车电电耦合控制方法及动力装置，特别涉及一种以动力电池、超级电容和供电线网为能量源的电动汽车电电耦合控制方法及其动力装置。

技术背景

目前常见的电动汽车动力系统具有以下问题：

(1)制动能量回收效果不好

原因：传统的电动汽车只有动力电池作为车载能量源，在制动回收能量时，由于动力电池的充电功率和充电电流的限制，制动回收时的充电功率和充电电流往往被限制在一个特定的水平，制动发电电机的发电功率和发电电流受到限制，相当一部分制动能量由于不满足动力电池的充电需求而浪费，从而降低了能量回收率。

(2)能量供给系统难以满足行驶需求

原因：传统的电动汽车只有动力电池提供能量，汽车在行驶过程中对功率的需求具有瞬时性即在短时间内需要电池进行大电流放电，而为了保证动力电池的安全和使用寿命，电池的放电电流往往被限制在一定范围内，难以满足汽车行驶需求。同时由于电池储存的能量有限，这又限制的汽车的行驶里程。

(3)动力电池使用寿命短

原因：传统的电动汽车只有动力电池提供能量，汽车在行驶过程中各种工况往往经常变换，汽车在匀速、加速、制动三种工况下的变换反应到电池上的结果就是，电池的供电功率和电流也在高频率的变换，还时常处于充电和放电两种状态间的切换，而动力电池为化学储能原件，电池工作状态的高频率变化使得电池本身的电化学反应处于逆向和正向反应两种状态切换，最终导致电池自身寿命大大缩短。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种采用动力电池、超级电容和供电线网为能量源的双源无轨电车动力装置及电电耦合控制方法。

相比于传统电动汽车系统，本发明通过采用基于小波变换功率分流策略的电电耦合控制方法和超级电容做储能原件，具有以下优点：

(1)合理地管理超级电容、动力电池和供电线网三者在不同运行工况下的电电耦合控制方法，使整车具有更好的经济性、动力性，增加了续航里程和动力电池寿命；

(2)动力电池不再进行大电流放电和高频功率放电以及动力电池的SOC状况有了极大的改善，电池SOC限制在低SOC临界点以上，延长了动力电池的寿命；

(3)采用超级电容作为再生制动时的主要吸能部件，当超级电容充满电以后，而且动力电池没充满电时才考虑给动力电池充电，提高了整车的能量回收效率；

(4)超级电容在提供瞬时的大电流和瞬时功率有十分明显的优势，本发明充分利用超级电容的优势，将原动力电池不擅长提供的部分能量由超级电容来负担，同时制动能量回收时主要由超级电容来吸收，提高了汽车的动力性、经济性、能量回收效率和动力电池的使用寿命。

(5)通过小波变换将暂态功率提取出来分给车载超级电容，并将功率需求的剩余的低频分量分给动力电池或电网，以减小快速变化和浪涌负载对电池和电网的损害，延迟动力电池的衰老化。

本发明的一种双源无轨电车电电耦合控制方法，

双源无轨电车包括供电线网、超级电容、电机和动力电池；

将汽车需求功率分为高频部分和低频部分；

其包括：

在网工作模式，双源无轨电车与供电线网结合；超级电容提供需求功率的所述高频部分，供电线网提供需求功率的所述低频部分；

脱网工作模式，双源无轨电车与供电线网断开；汽车需求功率小于等于动力电池能提供的最大功率时，超级电容提供需求功率的高频部分，动力电池提供需求功率的低频部分。

优选地，脱网工作模式时，当汽车需求功率的所述低频部分大于动力电池能提供的最大功率时，动力电池输出其最大功率，该动力电池输出功率作为所述低频功率的一部分，超级电容提供所述高频部分以及动力电池不能提供的低频功率的另一部分。

优选地，根据汽车需求功率将在网工作模式分为正功率缺口、无功率缺口和负功率缺口，正功率缺口指汽车需求功率大于所述供电线网能提供的最大功率，无功率缺口指汽车需求功率小于等于所述供电线网能提供的最大功率，负功率缺口指汽车不需要线网提供功率；

将动力电池划分为高SOC区间、中SOC区间和低SOC区间；

将超级电容划分为高SOV区间、中SOV区间和低SOV区间。

优选地，动力电池处于低SOC区间以及超级电容处于低SOV区间时两者均不再供电；

动力电池处于高SOC区间以及超级电容处于高SOV区间时两者均不进行充电。

优选地，当动力电池处于高SOC区间或中SOC区间；超级电容处于高SOV区间或中SOV区间，且在网工作模式处于所述正功率缺口时，供电线网和动力电池一同提供所述低频部分。

优选地，当动力电池处于高SOC区间或中SOC区间；超级电容处于高SOV区间或中SOV区间，且在网工作模式处于所述正功率缺口时，供电线网和动力电池一同提供所述低频部分，若汽车需求功率超过供电线网的峰值功率则允许供电线网在预设时长内过载供电。

优选地，在网工作模式时，只有处于负功率缺口或无功率缺口时,供电线网才考虑给动力电池和/或超级电容充电。

优选地，当动力电池处于高SOC区间或中SOC区间；超级电容处于高SOV区间或中SOV区间，且在网工作模式处于所述无功率缺口时，供电线网提供汽车行驶需求功率的低频部分，超级电容提供汽车需求功率高频部分。

优选地，在网工作模式处于所述负功率缺口时，制动回收能量或供电线网给处于中SOC区间的动力电池充电或处于中SOV区间的超级电容充电；当动力电池处于高SOC区间和/或超级电容处于高SOV区间时，不需要给动力电池和/或超级电容充电。

优选地，在网工作模式处于所述负功率缺口时，当动力电池处于中SOC区间，以及超级电容处于中SOV区间时，制动回收能量或供电线网先给超级电容充电，超级电容充满后再给动力电池充电。

优选地，利用小波变换功率分流策略将汽车的需求功率分解为所述高频部分和所述低频部分。

优选地，脱网工作模式时，制动回收能量时首先给超级电容充电，当超级电容充满时再根据动力电池的SOC情况给动力电池充电，当动力电池处于高SOC区间上边界时，不需要给动力电池充电。

本发明还涉及一种双源无轨电车，其特征在于使用如上所述的控制方法。

本发明还涉及一种动力装置，其特征在于使用如上所述的控制方法。

附图说明

图1表示本发明双源无轨电车动力系统结构图。

图2表示，在网工作模式时，当供电线网处于正功率缺口，动力电池、超级电容和供电线网共同提供汽车需求功率示意图。

图3表示，在网工作模式时，当供电线网处于无功率缺口，超级电容和供电线网共同提供汽车需求功率示意图。

图4表示，在网工作模式时，当供电线网处于负功率缺口，整车无能量流动示意图。

图5表示，在网工作模式时，当供电线网处于负功率缺口，供电线网或制动回收能量给动力电池充电示意图。

图6表示，在网工作模式时，当供电线网处于负功率缺口，供电线网或制动回收能量给超级电容充电示意图。

图7表示，在网工作模式时，当供电线网处于负功率缺口，供电线网或制动回收能量给动力电池和超级电容充电示意图。

图8表示，脱网工作模式时，汽车需求功率小于等于动力电池最大功率时，动力电池和超级电容共同提供汽车需求功率示意图。

图9表示，脱网工作模式时，汽车需求功率大于动力电池最大功率时，动力电池和超级电容共同提供汽车需求功率示意图。

图10表示，脱网工作模式时，制动回收能量给超级电容充电。

具体实施方式：

本发明使用SOV代表超级电容荷电状态，SOC代表电池荷电状态。

现有技术书籍《车辆能量管理：建模、控制与优化》127-143页介绍了功率的高频部分和低频部分。本领域技术人员根据动力电池和超级电容充放电特性和或电车动力输出需求确定。

本发明所述的双源无轨电车动力系统结构如图1所示，图中展示了动力系统的内部结构，驱动电机运转产生的动力通过传动轴、主减速器传递到车轮，本系统中还包括整车能量控制器、集电系统、隔离DC/DC、动力电池、超级电容、电机逆变器、传动轴和主减速器和车轮部件。

供电线网1主要作用是提供汽车行驶需求功率的低频部分同时还是给动力电池5和超级电容7充电的能量源，其输出电流为直流电；集电系统2实现在网工作模式时双源无轨电车与供电线网1结合，电流从供电线网1经过集电系统2流向双源无轨电车，脱网工作模式时双源无轨电车与供电线网1断开。

整车能量控制器4是整车能量管理的核心部分，其根据储存在内部的电电耦合控制策略来控制各个部件间的能量流动，组成动力系统的各个部件按照电电耦合控制策略设定的工作模式进行工作。隔离DC/DC 3将供电线网1输出的直流电变压后传递给电电耦合单元6；动力电池5实现储存能量和提供汽车功率需求的低频部分；电电耦合单元6实现电流的耦合与分流；超级电容7实现提供汽车需求功率的高频部分和吸收制动能量；电机逆变器8实现在驱动时将电电耦合单元6传递过来的直流电转换为交流电并传递给驱动电机9，在制动时将驱动电机9发的交流电转换为直流电并传递给电电耦合单元6；驱动电机9实现驱动时提供汽车行驶的动力，制动时作为发电机将汽车动能转换为电能；传动轴与主减速器10实现驱动时将电机的动力进行减速增扭后传递给车轮11，制动时将汽车动能传递给驱动电机9；车轮11是汽车的行驶机构。

以上各个部件之间的能量流动关系如图1中箭头所示。在网工作模式时，供电线网1的电流经过集电系统2传递到隔离DC/DC 3，隔离DC/DC 3将供电线网1的直流电变压后再传递给电电耦合单元6，整车能量控制器4根据整车的运行状态和动力电池5以及超级电容7的荷电状态来控制供电线网1、动力电池5和超级电容7的能量流动；脱网工作模式时，整车能量控制器4根据整车的运行状态和动力电池5以及超级电容7的荷电状态来控制动力电池5和超级电容7的能量流动。

根据超级电容自身特性，在其荷电状态SOV上找到两个分界点分别为低SOV分界点LV和高SOV分界点HV。分界点LV和分界点HV的大小根据超级电容特性不同而不同，本领域技术人员根据超级电容特性确定。分界点LV和分界点HV将超级电容的SOV分为三种状态：

低SOV区间V1，当超级电容的SOV小于等于LV时，范围为(0,LV]；

中SOV区间V2，当超级电容的SOV大于LV同时小于等于HV时，范围为(LV,HV]；

高SOV区间V3，当超级电容的SOV值大于HV时,范围为(HV，100％]。

为了保证超级电容7不受到损害，应限制超级电容7的荷电状态。当超级电容处于V1区间时，由于超级电容SOV过低，此时放电会损害超级电容，应停止其供电，避免超级电容处于低SOV区间V1状态。当超级电容处于V2区间时，此时超级电容SOV处于正常工作范围，超级电容的充放电效率高，应尽可能让超级电容工作在这个区域；当超级电容处于V3区间,此时超级电容SOV过高，超级电容的充电效率低，应避免采用供电线网1对其充电，制动能量回收充电不受影响。

(2)根据动力电池自身特性，在其荷电状态SOC上找到两个分界点分别为低SOC分界点LC和高SOC分界点HC。分界点LC和HC的大小根据动力电池特性不同而不同，本领域技术人员根据动力电池特性确定。分界点LC和分界点HC将动力电池的SOC分为三种状态：

低SOC区间C1，当动力电池的SOC小于等于LC时，范围为(0,LC]；

中SOC区间C2，当动力电池的SOC大于LC同时小于等于HC时，范围为(LC,HC]；

高SOC区间C3，当动力电池的SOC大于HC时,范围为(HC，100％]。

当动力电池处于C1区间时，此时动力电池的SOC过低，进行放电会损害电池，因此避免动力电池处于这个区域内放电；当动力电池处于C2区间时，此时动力电池SOC处于正常工作范围，其充放电效率高，应尽可能让动力电池工作在这个区域；当动力电池处于C3区间,此时动力电池SOC过高，动力电池的充电效率低，应尽可能避免动力电池在这个区域内充电，即避免采用供电线网1对其充电，尽量减少制动能量给动力电池5充电。

在网工作时，此时供电线网1既要考虑给汽车供电还要考虑给动力电池5和超级电容7充电，为了合理的管理供电线网1的能量流动，根据汽车需求功率的情况将供电线网1的工作状态分为正功率缺口、无功率缺口和负功率缺口三种状态，正功率缺口指汽车需要的功率大于供电线网1能提供的最大功率，无功率缺口指汽车需要的功率小于等于供电线网1能提供的最大功率，负功率缺口指汽车不需要供电线网1提供功率，此时汽车处于制动状态或空挡状态。

使用小波变换功率分流策略将汽车的需求功率分解为高频功率分量(即高频部分)和功率需求的剩余的低频功率分量(即低频部分)，小波变换具有局部化属性，非常适用于非稳态和暂态信号的分析。对于复合电源来说，超级电容在暂态加载上具有明显优势，因此，处理暂态快速功率需求对于超级电容来说非常简单，所以通过小波变换将暂态功率提取出来分给车载超级电容，并将功率需求的剩余的低频分量分给动力电池或电网，以减小快速变化和浪涌负载对电池和电网的损害，延迟动力电池的衰老。

本发明还涉及对系统中能量流动进行控制，因此针对能量流动过程析，详细说明本系统的电电耦合控制策略。

本发明的在网工作模式时电电耦合控制策略包括：

1)超级电容7提供需求功率的高频部分，供电线网1提供需求功率的低频部分；

2)只有处于负功率缺口或无功率缺口时,供电线网1才考虑给动力电池5及超级电容7充电。

3)若汽车需求功率过高，则可以允许供电线网1短时间过载供电，但时间不超过1min

脱网工作模式时电电耦合控制策略包括：

超级电容7提供需求功率的高频部分，动力电池5提供需求功率的低频部分。

在网模式和脱网模式均要遵守的电电耦合控制策略包括：

1)动力电池5处于C1区间以及超级电容7处于V1区间时两者均不再供电；

2)动力电池5处于C3区间以及超级电容7处于V3区间时两者均不进行充电；

3)制动回收能量时主要给超级电容7充电，当超级电容7充满后才考虑给动力电池5充电。

结合动力系统的电电耦合控制策略，对本发明系统的电电耦合控制策略进行详细阐述。

一、当处于在网工作模式且动力电池5处于C3区间，超级电容7处于V3区间：

A正功率缺口，如图2所示，供电线网1和动力电池5一同提供汽车行驶需求功率的低频部分，若汽车需求功率过高，则可以允许供电线网1短时间过载供电，但时间不超过1min，超级电容7提供汽车需求功率高频部分；

B无功率缺口，如图3所示，供电线网1提供汽车行驶需求功率的低频部分，超级电容7提供汽车需求功率高频部分；

C负功率缺口，如图4所示，此时汽车处于制动状态或空挡状态，供电线网1不需要提供任何功率，也不需要给动力电池5和超级电容7充电。

二、当处于在网工作模式且动力电池5处于C2区间，超级电容7处于V3区间：

A正功率缺口，如图2所示，供电线网1和动力电池5一同提供汽车行驶需求功率的低频部分，若汽车需求功率过高，则可以允许供电线网1短时间过载供电，但时间不超过1min，超级电容7提供汽车需求功率高频部分；

B无功率缺口，如图3所示，供电线网1提供汽车行驶需求功率的低频部分，超级电容7提供汽车需求功率高频部分；

C负功率缺口，如图5所示，此时汽车处于制动状态或空挡状态，制动回收能量或供电线网1给动力电池5充电。

三、当处于在网工作模式且动力电池5处于C3状态，超级电容7处于V2状态：

A正功率缺口，如图2所示，供电线网1和动力电池5一同提供汽车行驶需求功率的低频部分，若汽车需求功率过高，则可以允许供电线网1短时间过载供电，但时间不超过1min，超级电容7提供汽车需求功率高频部分；

B无功率缺口，如图3所示，供电线网1提供汽车行驶需求功率的低频部分，超级电容7提供汽车需求功率高频部分；

C负功率缺口，如图6所示，此时汽车处于制动状态或空挡状态，制动回收能量或供电线网1给超级电容7充电。

四、当处于在网工作模式且动力电池5处于C2状态，超级电容7处于V2状态：

A正功率缺口，如图2所示，供电线网1和动力电池5一同提供汽车行驶需求功率的低频部分(若汽车需求功率过高，则可以允许供电线网1短时间过载供电，但时间不超过1min)，超级电容7提供汽车需求功率高频部分；

B无功率缺口，如图3所示，供电线网1提供汽车行驶需求功率的低频部分，超级电容7提供汽车需求功率高频部分；

C负功率缺口，如图7所示，此时汽车处于制动状态或空挡状态，制动回收能量或供电线网1先给超级电容7充电，超级电容7充满后再给动力电池5充电。超级电容的快速充放电能力能保证制动能量被最大限度地回收，从而降低整车能耗。

五、当汽车处于脱网工作模式时，如图8所示，汽车需求功率小于等于动力电池5能提供的最大功率时，动力电池5提供汽车行驶需求功率的低频部分，超级电容7提供汽车需求功率高频部分。

六、当汽车处于脱网工作模式时，如图9所示，汽车需求功率大于动力电池5能提供的最大功率时，动力电池5输出自身最大功率(将该功率作为汽车需求功率中低频功率的一部分)，超级电容7提供汽车需求功率高频部分以及动力电池5不能提供的另一部分低频功率。

七、当汽车处于脱网工作模式时，如图10所示，汽车制动回收能量时首先给超级电容7充电，当超级电容7充满时再根据动力电池5的SOC情况考虑给动力电池5充电，当动力电池5处于C3上边界时，不需要给动力电池5充电。

本发明利用小波变换功率分流策略将汽车的需求功率分解为高频和低频两部分，充分利用超级电容能够提供瞬时的大电流和瞬态功率的优势，将汽车需求功率的高频部分让超级电容提供，汽车需求功率的低频部分由动力电池或供电线网提供，制动过程利用超级电容能大电流充放电的特性首先给超级电容充电。整个系统将汽车功率需求中对动力电池耐久性和可靠性有负面影响的暂态功率需求由超级电容来负担，同时当双源无轨电车处于在网工作模式时，供电线网可以根据实际行驶状况以及动力电池和超级电容的荷电状态合理的进行能量分配，即给汽车行驶需求提供能量以及给动力电池和超级电容充电情况；在脱网工作模式时，动力电池和超级电容分别提供高频和低频两部分来满足双源无轨电车的行驶需求，同时发挥了超级电容在瞬态加载方面的优势，并保护动力电池免受瞬态功率，大电流放电的危害，延长动力电池寿命。本发明优化了整车的动力性、经济性、提高了动力电池的使用寿命，优化城市公交线路和供电线网分布。

Claims (10)

1.一种双源无轨电车电电耦合控制方法，

双源无轨电车包括供电线网、超级电容、电机和动力电池；

将汽车需求功率分为高频部分和低频部分；

其包括：

在网工作模式，双源无轨电车与供电线网结合；超级电容提供需求功率的所述高频部分，供电线网提供需求功率的所述低频部分；

脱网工作模式，双源无轨电车与供电线网断开；汽车需求功率小于等于动力电池能提供的最大功率时，超级电容提供需求功率的高频部分，动力电池提供需求功率的低频部分。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：

脱网工作模式时，当汽车需求功率的所述低频部分大于动力电池能提供的最大功率时，动力电池输出其最大功率，该动力电池输出功率作为所述低频功率的一部分，超级电容提供所述高频部分以及动力电池不能提供的低频功率的另一部分。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：

根据汽车需求功率将在网工作模式分为正功率缺口、无功率缺口和负功率缺口，正功率缺口指汽车需求功率大于所述供电线网能提供的最大功率，无功率缺口指汽车需求功率小于等于所述供电线网能提供的最大功率，负功率缺口指汽车不需要线网提供功率；

将动力电池划分为高SOC区间、中SOC区间和低SOC区间；

将超级电容划分为高SOV区间、中SOV区间和低SOV区间。

4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于：

动力电池处于低SOC区间以及超级电容处于低SOV区间时两者均不再供电；

动力电池处于高SOC区间以及超级电容处于高SOV区间时两者均不进行充电。

5.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于：

当动力电池处于高SOC区间或中SOC区间；超级电容处于高SOV区间或中SOV区间，且在网工作模式处于所述正功率缺口时，供电线网和动力电池一同提供所述低频部分。

6.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于：

当动力电池处于高SOC区间或中SOC区间；超级电容处于高SOV区间或中SOV区间，且在网工作模式处于所述正功率缺口时，供电线网和动力电池一同提供所述低频部分，若汽车需求功率超过供电线网的峰值功率则允许供电线网在预设时长内过载供电。

7.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于：

在网工作模式时，只有处于负功率缺口或无功率缺口时,供电线网才考虑给动力电池和/或超级电容充电。

8.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于：

当动力电池处于高SOC区间或中SOC区间；超级电容处于高SOV区间或中SOV区间，且在网工作模式处于所述无功率缺口时，供电线网提供汽车行驶需求功率的低频部分，超级电容提供汽车需求功率高频部分。

9.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于：

在网工作模式处于所述负功率缺口时，制动回收能量或供电线网给处于中SOC区间的动力电池充电或处于中SOV区间的超级电容充电；当动力电池处于高SOC区间和/或超级电容处于高SOV区间时，不需要给动力电池和/或超级电容充电。

10.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于：

在网工作模式处于所述负功率缺口时，当动力电池处于中SOC区间，以及超级电容处于中SOV区间时，制动回收能量或供电线网先给超级电容充电，超级电容充满后再给动力电池充电。