本發(fā)明涉及一種混合動力的電源管理控制系統(tǒng)，具體的說是涉及一種適用于電動賽車的超級電容和鋰電池混合動力電源管理控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，已有的電源管理控制系統(tǒng)大多為單一儲能元件的電源管理系統(tǒng)，在各領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是電池電源管理系統(tǒng)，例如鋰離電池電源管理系統(tǒng)、鉛酸電池電源管理系統(tǒng)。這種傳統(tǒng)的電源管理系統(tǒng)通過電壓、電流和溫度傳感器監(jiān)測電池的工作狀態(tài)，在充放電過程中若出現(xiàn)過壓、過流和溫度過高的時候，系統(tǒng)利用聲光報警發(fā)出危險警告，若警報一段時間內(nèi)未得到消除，系統(tǒng)主控單元會切斷電源保護(hù)管理系統(tǒng)和所供電設(shè)備，以免燒毀。但是，這種單一儲能元件電源管理系統(tǒng)只能適用于需要平穩(wěn)供電或電源參數(shù)要求較低的環(huán)境下，在電動賽車上單一儲能元件電源管理系統(tǒng)并不適用，無法滿足電動賽車起步、上坡時高功率的能量需求，對于電動賽車制動、下坡時產(chǎn)生的能量幾乎無法回收，從而影響電動賽車性能。目前可以滿足電動賽車能量需求的混合動力電源管理系統(tǒng)尚未見諸于市。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決行駛的電動賽車在不同階段時其電源供電驅(qū)動需求不同，而現(xiàn)有技術(shù)采用單一供電方式無法滿足電動賽車的供電驅(qū)動需求的問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于超級電容的電動賽車混合動力電源管理控制系統(tǒng)，包括驅(qū)動模式控制系統(tǒng)、復(fù)合電源管理系統(tǒng)、車況和環(huán)境信息采集系統(tǒng)、動力電池組、超級電容和雙向DC/DC變換器；所述驅(qū)動模式控制系統(tǒng)通過CAN總線分別與復(fù)合電源管理系統(tǒng)和車況、環(huán)境信息采集系統(tǒng)連接，復(fù)合電源管理系統(tǒng)通過CAN總線分別與動力電池組、雙向DC/DC變換器、超級電容連接；所述超級電容與雙向DC/DC變換器連接，超級電容通過雙向DC/DC變換器與動力電池組并聯(lián)接入能量輸出直流母線。

進(jìn)一步的，所述驅(qū)動模式控制系統(tǒng)制定動力輸出策略，其主要由模糊控制模塊、模式選擇模塊組成；所述模糊控制模塊包括輸入模塊和輸出模塊，所述輸入模塊的輸入包括：電機(jī)轉(zhuǎn)速、踏板開度及環(huán)境濕度，所述輸出模塊的輸出包括混合動力驅(qū)動概率系數(shù)；模糊控制模塊輸出的混合動力驅(qū)動概率系數(shù)作為所述模式選擇模塊判斷供電模式切換的條件，所述混合動力驅(qū)動概率系數(shù)的隸屬度函數(shù)輸出量包括small、middle、high；當(dāng)所述混合動力驅(qū)動概率系數(shù)隸屬度函數(shù)輸出量為middle或high時，供電模式由單獨供電驅(qū)動切換為聯(lián)合供電驅(qū)動，所述供電模式包括動力電池單獨供電驅(qū)動、動力電池與超級電容聯(lián)合供電驅(qū)動。

進(jìn)一步的，所述驅(qū)動模式控制系統(tǒng)制定動力輸出策略，其主要由模糊控制模塊、模式選擇模塊組成；所述模糊控制模塊包括輸入模塊和輸出模塊，所述輸入模塊的輸入包括：電機(jī)轉(zhuǎn)速、踏板開度及環(huán)境濕度，所述輸出模塊的輸出包括混合動力驅(qū)動概率系數(shù)；模糊控制模塊輸出的混合動力驅(qū)動概率系數(shù)作為所述模式選擇模塊判斷供電模式切換的條件，所述混合動力驅(qū)動概率系數(shù)的隸屬度函數(shù)輸出量包括small、middle、high；當(dāng)所述混合動力驅(qū)動概率系數(shù)隸屬度函數(shù)輸出量為middle或high時，再判斷環(huán)境濕度(W)、電機(jī)轉(zhuǎn)速(n_i)、加速踏板開度(ω_i)是否滿足以下條件：

W<70％，n_i<0.6n_max，ω_i>0.5ω_max；

滿足上述條件的，供電模式由單獨供電驅(qū)動切換為聯(lián)合供電驅(qū)動，所述供電模式包括動力電池單獨供電驅(qū)動、動力電池與超級電容聯(lián)合供電驅(qū)動。

進(jìn)一步的，復(fù)合電源管理系統(tǒng)是由主處理器以及與其分別連接的信號采集處理電路、KEY鍵盤、LCD顯示屏、絕緣報警模塊、SD卡、雙向DC/DC變換器、電機(jī)驅(qū)動器和至少兩種儲能元件組成。

進(jìn)一步的，信號采集處理電路包括：

若干對的鋰離蓄電池、對超級電容的電壓、電流和溫度參數(shù)中至少一種進(jìn)行測量的傳感器組；

若干組對加速踏板和/或制動踏板的傾角測量的傾角傳感器，對信號進(jìn)行放大的信號放大器和AD轉(zhuǎn)換器。

進(jìn)一步的，復(fù)合電源管理系統(tǒng)包括動力電池組SOC監(jiān)測模塊、超級電容SOC監(jiān)測模塊、絕緣監(jiān)測模塊和LCD顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊，所述動力電池組SOC監(jiān)測模塊和超級電容SOC監(jiān)測模塊通過實時檢測電池、超級電容的電壓、電流和溫度信號估算剩余電量；絕緣監(jiān)測模塊用于監(jiān)測儲能元件在充放電過程中是否發(fā)生漏電，若檢測值達(dá)到設(shè)定上限，立刻切斷整車電源；LCD顯示模塊用于實時顯示車況、環(huán)境、供電模式、電源參數(shù)信息；數(shù)據(jù)存儲模塊用于儲存車輛運(yùn)行中采集的各類信號值。

進(jìn)一步的，車況和環(huán)境信息采集系統(tǒng)是用于采集電動機(jī)轉(zhuǎn)速，動力電池和超級電容的電壓、電流和溫度，賽車姿態(tài)，環(huán)境溫度和濕度信息的傳感器組，其通過CAN總線將采集數(shù)據(jù)傳輸給驅(qū)動模式控制系統(tǒng)。

進(jìn)一步的，雙向DC/DC變換器控制超級電容充放電狀態(tài)，當(dāng)雙向DC/DC變換器升壓Boost模式打開時，超級電容處于放電狀態(tài)；當(dāng)雙向DC/DC變換器降壓Buck模式打開時，超級電容處于充電狀態(tài)。

一種基于超級電容的電動賽車混合動力電源管理控制方法，其特征在于，基于超級電容的混合動力電動賽車的動力輸出模式，包括動力電池單獨供電驅(qū)動和動力電池與超級電容聯(lián)合供電驅(qū)動兩種，采用基于模糊邏輯的動力輸出控制策略以對兩種供電驅(qū)動以模糊選擇。

所述模糊邏輯的動力輸出控制策略為下述兩種中的一種：

驅(qū)動模式控制系統(tǒng)制定動力輸出策略，其主要由模糊控制模塊、模式選擇模塊組成；所述模糊控制模塊包括輸入模塊和輸出模塊，所述輸入模塊的輸入包括：電機(jī)轉(zhuǎn)速、踏板開度及環(huán)境濕度，所述輸出模塊的輸出包括混合動力驅(qū)動概率系數(shù)；模糊控制模塊輸出的混合動力驅(qū)動概率系數(shù)作為所述模式選擇模塊判斷供電模式切換的條件，所述混合動力驅(qū)動概率系數(shù)的隸屬度函數(shù)輸出量包括small、middle、high；當(dāng)所述混合動力驅(qū)動概率系數(shù)隸屬度函數(shù)輸出量為middle或high時，供電模式由單獨供電驅(qū)動切換為聯(lián)合供電驅(qū)動；

所述驅(qū)動模式控制系統(tǒng)制定動力輸出策略，其主要由模糊控制模塊、模式選擇模塊組成；所述模糊控制模塊包括輸入模塊和輸出模塊，所述輸入模塊的輸入包括：電機(jī)轉(zhuǎn)速、踏板開度及環(huán)境濕度，所述輸出模塊的輸出包括混合動力驅(qū)動概率系數(shù)；模糊控制模塊輸出的混合動力驅(qū)動概率系數(shù)作為所述模式選擇模塊判斷供電模式切換的條件，所述混合動力驅(qū)動概率系數(shù)的隸屬度函數(shù)輸出量包括small、middle、high；當(dāng)所述混合動力驅(qū)動概率系數(shù)隸屬度函數(shù)輸出量為middle或high時，再判斷環(huán)境濕度(W)、電機(jī)轉(zhuǎn)速(n_i)、加速踏板開度(ω_i)是否滿足以下條件：

W<70％，n_i<0.6n_max，ω_i>0.5ω_max；

滿足上述條件的，供電模式由單獨供電驅(qū)動切換為聯(lián)合供電驅(qū)動。

有益效果：本發(fā)明將驅(qū)動模式控制與電源管理相結(jié)合，將車況和環(huán)境信息作為供電驅(qū)動的原始采集數(shù)據(jù)，即所述的驅(qū)動模式控制系統(tǒng)、復(fù)合電源管理系統(tǒng)、車況和環(huán)境信息采集系統(tǒng)的組合，使得在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，可以選擇相應(yīng)的控制策略，對供電驅(qū)動以選擇，從而在對供電需求高時，及時切換供電驅(qū)動方式，而在供電需求低時，不至于產(chǎn)生供電浪費(fèi)，可以將多于電量通過雙向DC/DC變換器回收于超級電容存儲，提高了電動賽車性能和續(xù)航里程。

附圖說明

圖1為隸屬度函數(shù)圖，其中：圖1a是電機(jī)轉(zhuǎn)速隸屬度函數(shù)圖、圖1b是加速踏板開度隸屬度函數(shù)圖，圖1c是環(huán)境濕度隸屬度函數(shù)圖；圖中縱坐標(biāo)均是混合動力驅(qū)動概率系數(shù)，圖1a的橫坐標(biāo)是電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速的橫坐標(biāo)是加速踏板開度，圖1c的橫坐標(biāo)是加速踏板開度。

圖2是本發(fā)明的基于超級電容的電動賽車混合動力電源管理控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的復(fù)合電源管理系統(tǒng)原理圖。

圖4是本發(fā)明實施例1中的驅(qū)動模式邏輯判斷示意圖。

圖5為干燥環(huán)境下輪胎在柏油路面滾動時所受滾動摩擦力示意圖。

圖6為環(huán)境濕度較大時輪胎在柏油路面滾動時所受滾動摩擦力示意圖。

具體實施方式

實施例1：一種基于超級電容的電動賽車混合動力電源管理控制系統(tǒng)，包括驅(qū)動模式控制系統(tǒng)、復(fù)合電源管理系統(tǒng)、車況和環(huán)境信息采集系統(tǒng)、動力電池組、超級電容和雙向DC/DC變換器；所述驅(qū)動模式控制系統(tǒng)通過CAN總線分別與復(fù)合電源管理系統(tǒng)和車況、環(huán)境信息采集系統(tǒng)連接，復(fù)合電源管理系統(tǒng)通過CAN總線分別與動力電池組、雙向DC/DC變換器、超級電容連接；所述超級電容與雙向DC/DC變換器連接，超級電容通過雙向DC/DC變換器與動力電池組并聯(lián)接入能量輸出直流母線。

其中,關(guān)于該控制系統(tǒng)的硬件部分：

驅(qū)動模式控制系統(tǒng)，其用于判定并選擇賽車的電源驅(qū)動模式，通過對車況和環(huán)境信息的判斷分析選擇最佳動力輸出模式(即電源請驅(qū)動模式)，提高賽車性能，該部分主要是由控制器組成。

復(fù)合電源管理系統(tǒng)包括動力電池組SOC監(jiān)測模塊、超級電容SOC監(jiān)測模塊、絕緣監(jiān)測模塊和LCD顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。電池組SOC監(jiān)測模塊和超級電容SOC監(jiān)測模塊通過實時檢測的電池和超級電容的電壓、電流和溫度信號僅估算剩余電量，確保儲能元件在健康狀態(tài)下工作；絕緣監(jiān)測模塊用于監(jiān)測儲能元件在充放電過程中是否發(fā)生漏電，若檢測值達(dá)到設(shè)定上限，立刻切斷整車電源，防止賽車起火保證，車手安全；LCD顯示模塊用于實時顯示車況、環(huán)境、運(yùn)動模式、電源參數(shù)等信息；數(shù)據(jù)存儲模塊用于儲存車輛運(yùn)行中采集的各類信號值，為分析賽車性能提供參考。作為一種實施例，復(fù)合電源管理系統(tǒng)是由主處理器以及與其分別連接的信號采集處理電路、KEY鍵盤、LCD顯示屏、絕緣報警模塊、SD卡、雙向DC/DC變換器、電機(jī)驅(qū)動器和至少兩種儲能元件組成。

雙向DC/DC變換器控制超級電容充放電狀態(tài)。當(dāng)變換器升壓Boost模式打開時，超級電容處于放電狀態(tài)；當(dāng)變換器降壓Buck模式打開時，超級電容處于充電狀態(tài)，所需能量大部分來自于賽車剎車與滑行時電動機(jī)產(chǎn)生的能量。

車況和環(huán)境信息采集系統(tǒng)用于采集電動機(jī)轉(zhuǎn)速，動力電池和超級電容的電壓、電流和溫度，賽車姿態(tài)，環(huán)境溫度和濕度信息。通過CAN總線講數(shù)據(jù)傳輸給運(yùn)動模式控制系統(tǒng)。

所述驅(qū)動模式控制系統(tǒng)執(zhí)行基于超級電容的電動賽車混合動力電源管理控制策略：

基于超級電容的混合動力電動賽車基本的動力輸出模式分為動力電池單獨供電驅(qū)動和動力電池與超級電容聯(lián)合供電驅(qū)動兩種。這兩種動力輸出模式的選擇受多種因素的影響，例如：電機(jī)轉(zhuǎn)速，加速踏板開度，輪胎摩擦力等，其中對輪胎摩擦力影響最大的是環(huán)境濕度，多種因素的共同作用決定了動力輸出的模式。

本發(fā)明采用基于模糊邏輯的動力輸出控制策略，主要由兩個模塊組成，第一個模塊為模糊推理器模糊控制器模塊，有三個輸入和一個輸出，輸入分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速、加速踏板行程以及輪胎摩擦力，輸出為混合動力驅(qū)動概率系數(shù)。第二個模塊是模式選擇模塊，根據(jù)模糊模糊推理器模糊控制器模塊的輸出判斷是否切換供電模式。模糊模糊推理器模糊控制器模塊的三個輸入量分別是電機(jī)轉(zhuǎn)速、加速踏板行程以及環(huán)境濕度，這三個量的模糊化為后面模糊規(guī)則的解釋和實施提供了先決條件。雖然輪胎摩擦力是為模式選擇的一個重要因素，然而輪胎摩擦力無法直接測量獲得，或者其獲取的難度較大，而環(huán)境濕度對輪胎摩擦力的影響非常大，用環(huán)境濕度作為模式切換的一個主要影響因素，同樣可以達(dá)到模式選擇的目的，為此，本實施例使用空氣濕度作為判斷條件，而這種因素替換，對于本實施例的模式選擇來說，判斷的準(zhǔn)確率并無明顯下降。

滑動摩擦力的大小和彼此接觸物體的相互間的正壓力成正比：即f＝μN(yùn)，其中μ為比例常數(shù)叫“滑動摩擦系數(shù)”，也被稱為“動摩擦因數(shù)”它是一個沒有單位的數(shù)值?；瑒幽Σ料禂?shù)與接觸物體的材料、表面光滑程度、干濕程度、表面溫度、相對運(yùn)動速度等都有關(guān)系。圖5和圖6為濕度對滑動摩擦力影響的示意圖。

圖5為干燥環(huán)境下輪胎在柏油路面滾動時所受滾動摩擦力示意圖，由于路面較為粗糙，輪胎受到的滾動摩擦力f較大；圖6為環(huán)境濕度較大時輪胎在柏油路面滾動時所受滾動摩擦力示意圖，柏油路面會覆蓋一層水膜，對柏油路面的凹凸表面進(jìn)行填充，阻礙了輪胎與粗糙地面的直接接觸，水膜相當(dāng)于一層潤滑劑，輪胎受到的滾動摩擦力f較小。

圖1分別是為輸入量電機(jī)轉(zhuǎn)速、制動踏板行程、環(huán)境濕度以及輸出變量混合動力驅(qū)動概率系數(shù)設(shè)計的隸屬度函數(shù)。

如圖1a所示，模糊子集low代表電機(jī)轉(zhuǎn)速低，例如在起步或者剎車制動時；模糊子集middle表示當(dāng)前車速屬于中等行駛速度，例如在車速不高行駛時；而模糊子集high則表示車速比較高的時候，例如在高速直線行駛時。如圖1b所示，模糊子集low代表加速踏板開合度小，對賽車加速要求較小或者車輛滑行的時候；模糊子集middle表示對加速性能要求一般；而模糊子集high則表示對加速性能要求高的時候，例如在剎車后的加速階段或者起步時。如圖1c所示，模糊子集low代表空氣濕度交小，此時輪胎摩擦力較大；模糊子集middle表示環(huán)境濕度較大，此時輪胎摩擦力中等；而模糊子集high則表示環(huán)境濕度非常大，此時輪胎摩擦力非常小。

制定供電模式切換模糊規(guī)則時，既要提升賽車加速性能，又要兼顧賽車的安全性，保證賽車安全運(yùn)行。根據(jù)實際經(jīng)驗和大量的仿真實驗，兼顧上述對加速性能和安全性能的保障，總結(jié)出如表1的模糊規(guī)則表，共有27條規(guī)則。

表1模糊規(guī)則表

由于輸出值為模糊量，而實際判定需要確切的選擇指令，根據(jù)模糊規(guī)則表和三輸入量隸屬度函數(shù)圖制定入下判定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)同時滿足：W<70％，n_i<0.6n_max，ω_i>0.5ω_max(環(huán)境濕度(W)、電機(jī)轉(zhuǎn)速(n_i)、加速踏板開度(ω_i))時，動力輸出模式切換到混合動力輸出模式，動力電池和超級電容共同向電動機(jī)供能，提高賽車瞬時加速度。當(dāng)以上三個條件有任意一個不滿足時，動力輸出模式均為動力電池單一供電，超級電容處于備用狀態(tài)。

由于輸出值為模糊量，而實際判定需要確切的選擇指令，根據(jù)模糊規(guī)則表和三輸入量隸屬度函數(shù)圖制定如下判定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)同時滿足：W<70％，n_i<0.6n_max，ω_i>0.5ω_max時(環(huán)境濕度(W)、電機(jī)轉(zhuǎn)速(n_i)、加速踏板開度(ω_i))，動力輸出模式切換到混合動力輸出模式，動力電池和超級電容共同向電動機(jī)供能，提高賽車瞬時加速度。

其中環(huán)境濕度W<70％這個指標(biāo)通過以下實驗數(shù)據(jù)得出：

在實驗室環(huán)境中，模擬賽車輪胎在柏油賽道上行駛，向車軸施加水平向前的，改變實驗環(huán)境的濕度，觀測輪胎滾動中是否出現(xiàn)滑動，測得圖5所示數(shù)據(jù)，如圖5，通過實驗數(shù)據(jù)可知，當(dāng)環(huán)境濕度達(dá)到70％左右時，輪胎出現(xiàn)滑動的次數(shù)快速增加，是出現(xiàn)滑動的明顯分界點，所以選擇70％濕度作為判斷指標(biāo)。

其中n_i<0.6n_max這個指標(biāo)根據(jù)日常試驗中對電機(jī)轉(zhuǎn)速與功率輸出的對應(yīng)關(guān)系得到，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于60％額定轉(zhuǎn)速時，電機(jī)的在加速性能不明顯，功率輸出提升不大，所以選擇0.6n_max作為判斷指標(biāo)。

加速踏板開度ω取值范圍在15°—65°，在數(shù)組試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)駕駛員判斷需要加速時，85％的情況下加速踏板的開度大于40°，所以選擇0.5ωmax作為判斷指標(biāo)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，發(fā)明的有益效果：發(fā)明實現(xiàn)了多種動力源管理，可以為電動賽車在不同運(yùn)行狀態(tài)時提供充足的能量供給，提升了電動賽車的加速度，同時對賽車制動時產(chǎn)生的能量得到了有效回收進(jìn)行二次利用，從而提升了蓄電池的壽命，增加了電動賽車的續(xù)航里程，發(fā)明結(jié)構(gòu)較為簡單，成本低。

本實施例的驅(qū)動模式分為單獨驅(qū)動與聯(lián)合驅(qū)動兩種。通過靈活的切換兩種驅(qū)動模式，既可以大幅度提示賽車性能，也可以保證賽車高速運(yùn)行時的安全。單獨驅(qū)動是動力電池單獨驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，適用于賽車對加速性能要求不高的場合，如勻速行駛、車輪抓地力過小、電動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在高速區(qū)間等情形。聯(lián)合驅(qū)動是動力電池與超級電容聯(lián)合驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在賽車需要提高瞬時加速度時提供高功率能量供給，例如在賽車啟動、過彎后減速后的加速、上坡等情形。

作為一種實施例，如圖3所示，復(fù)合電源管理系統(tǒng)具體是由主處理器以及與其連接的信號采集處理電路、KEY鍵盤、7寸LCD顯示屏、絕緣報警模塊、SD卡、DC/DC雙向變換器、電機(jī)驅(qū)動器和兩種儲能元件組成。

主處理器采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6芯片。主處理器能夠接收KEY鍵盤和空氣開關(guān)的輸入信號，實現(xiàn)對各種所需參數(shù)的設(shè)定；接收信號采集處理模塊輸入的電壓、電流、溫度、加速和制動數(shù)據(jù)，對接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實時計算電池SOC，并根據(jù)接收的加速和制動信號控制混合電源的工作模式，利用LCD顯示屏將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和電源工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，若檢測數(shù)據(jù)有異常將控制報警模塊發(fā)出危險信號，同時自動將運(yùn)行時的階段數(shù)據(jù)存儲到SD卡中。信號采集模塊包括14對鋰離蓄電池和超級電容的電壓、電流和溫度等參數(shù)進(jìn)行測量的傳感器組，2組對加速踏板和制動踏板的傾角測量的傾角傳感器，對信號進(jìn)行放大的信號放大器和AD轉(zhuǎn)換器。

以上所述，僅為發(fā)明較佳的具體實施方式，但發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。