一种电动汽车能源控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种电动汽车能源控制系统，还涉及上述电动汽车能源控制系统的行车控制方法和制动控制方法。

背景技术：

电动汽车是未来的发展趋势，根据目前电动汽车的发展来看，电动汽车对传统汽车行业带来了革命性的变化，原有的传统燃油车的整体技术都会发生翻天覆地的变化。然而电动汽车发展目前还属于初期，最主要的原因是充电问题，包括充电桩的基础设施建设、充电时间长、充电功率需求大等问题。

目前我国很多的风电、光伏发电没有大规模的并网运行，主要原因是由于这些新能源不稳定，大规模并网后，对电网的冲击过大，影响电网安全。电动汽车大规模充电，也会对电网产生一定的安全问题。因此，利用风能、太阳能等新能源发电技术提供电能，给电动汽车充电是当前有效的能源综合利用途径。因此，电动汽车可以采用更换电池的方法，将更换下的电池用新能源发电技术获得电能或在电网用电低谷时进行充电，一方面可解决新能源发电大规模并网所带来的问题，另一方面可以高效的给电动汽车充电。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种电动汽车能源控制系统，该能源控制系统的供能动力系统由并联的集成电池组和可更换电池组组成，两组电池组一方面能够保证电动汽车稳定的运行，一方面由于可更换电池组可进行快速便捷的更换，从而可高效(利用新能源)为电动汽车充电。

本发明还要解决的技术问题是提供上述电动汽车能源控制系统的行车控制方法和制动控制方法，本发明的控制方法能够优化系统对电能的使用，实现对两组电池组供电和充电的协调，从而有效的保护两组电池组，防止电池组过充电或过放电。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种电动汽车能源控制系统，包括行车控制回路、制动控制回路、驱动系统以及供能动力系统；其中，行车控制回路包括行车控制器、逆变器、直流母线、集成电池组升压器和可更换电池组升压器；制动控制回路包括制动控制器、整流器、直流升压器、吸收电容器和直流降压器；驱动系统为驱动电机；供能动力系统由并联的集成电池组和可更换电池组组成；

行车控制回路中，行车控制器作为控制终端，供能动力系统通过集成电池组升压器和可更换电池组升压器将电能传输给直流母线，直流母线通过逆变器将电能传输给驱动电机，驱动电机转动带动与其传动连接的车轮转动；

制动控制回路中，制动控制器作为控制终端，供能动力系统停止对驱动电机传输电能，驱动电机在惯性下继续转动，此时驱动电机运行在制动状态下将机械能转化为电能，转动的电机产生的电能通过整流器整流后，依次通过直流升压器、吸收电容器和直流降压器给供能动力系统充电。

其中，集成电池组的电能输出端与集成电池组升压器连接，可更换电池组的电能输出端与可更换电池组升压器连接，可更换电池组升压器与集成电池组升压器以并联的方式将电能输出给直流母线。

其中，所述集成电池组是由锂离子电池构成，其集成安装在电动汽车底盘上；可更换电池组由锂离子电池构成，安装在电动汽车后备箱的专门支架上。

其中，所述直流降压器由降压型直流变换器构成，其将吸收电容器输出的电压进行降压，降压后分成两路，一路输出给集成电池组充电，另一路输出给可更换电池组充电。

上述电动汽车能源控制系统的行车控制方法为：行车过程中，行车控制器实时监测驾驶员的油门踏板开度信号、集成电池组的soc值和可更换电池组的soc值，根据控制算法，行车控制器发出控制信号到可更换电池组升压器和集成电池组升压器的电能输出端口，从而控制集成电池组和可更换电池组的电能输出功率，再通过控制逆变器的电能输出端口，从而实现对驱动电机输入的电能的控制。

其中，所述控制算法为模糊控制方法，算法具体为：

模糊控制器的控制结构为3输入，3输出结构：

输入变量x1：油门踏板开度；

输入变量x2：集成电池组的soc值；

输入变量x3：可更换电池组的soc值；

输出变量u1：可更换电池组升压器的占空比；

输出变量u2：集成电池组升压器的占空比；

输出变量u3：逆变器的控制角；

(1)输入输出变量论域

输入变量x1、输入变量x2、输入变量x3的基本论域设计为(0，1)，然后将两个输入量分为3个语言变量，即正大(pb)、零(ze)、负大(nb)，三个输入变量的5个语言变量在基本论域(1，+1)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；

输出变量u1和输出变量u2基本论域为(0，1)，输出变量u3的基本论域为(0，180)；

然后将输出变量分为53语言变量u，即正大(pb)、零(ze)、负大(nb)；

输出变量u1和输出变量u2基本论域为(0，1)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；出变量u3的基本论域为(0，180)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；

(2)模糊控制规则的设计

设计模糊控制规则的原则是当误差大或者较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或者较小时，选择控制量要控制超调量，并限定输出变量u3与输出变量u1、输出变量u2之间的关系，典型工况的模糊控制规则为：

rule1：如果x1＝pb，x2＝pb，x3＝pb，则u3＝pb，u2＝nb，u1＝pb；

rule2：如果x1＝pb，x2＝pb，x3＝ze，则u3＝pb，u2＝ze，u1＝pb；

rule3：如果x1＝pb，x2＝pb，x3＝nb，则u3＝pb，u2＝pb，u1＝nb；

rule4：如果x1＝pb，x2＝ze，x3＝pb，则u3＝pb，u2＝pb，u1＝ze；

rule5：如果x1＝pb，x2＝nb，x3＝nb，则u3＝pb，u2＝pb，u1＝pb；

rule6：如果x1＝ze，x2＝pb，x3＝pb，则u3＝pb，u2＝nb，u1＝pb；

rule7：如果x1＝ze，x2＝pb，x3＝ze，则u3＝pb，u2＝pb，u1＝ze；

rule8：如果x1＝ze，x2＝ze，x3＝ze，则u3＝pb，u2＝ze，u1＝pb；

rule9：如果x1＝ze，x2＝ze，x3＝nb，则u3＝pb，u2＝pb，u1＝nb；

rule10：如果x1＝ze，x2＝nb，x3＝ze，则u3＝pb，u2＝nb，u1＝pb；

(3)解模糊过程

解模糊采用最大隶属度方法进行解模糊。

上述电动汽车能源控制系统的制动控制方法为：制动控制器实时监测制动踏板的开度信号、集成电池组的soc值和可更换电池组的soc值，当制动控制器信号输入端采集到制动踏板的开度信号后，根据控制算法，制动控制器发出控制信号，控制直流降压器两个输出端口的占空比信号，实现对集成电池组充电功率和可更换电池组充电功率的控制。

其中，所述控制算法为t-s型模糊控制算法，算法具体为：

t-s型模糊控制结构为3输入，2输出结构：

输入变量i1：制动踏板的开度；

输入变量x2：集成电池组的soc值；

输入变量x3：可更换电池组的soc值；

输出量y1：控制直流降压器输出端口一的占空比；

输出量y2：控制直流降压器输出端口二的占空比；

(1)输入输出变量论域

输入变量i1、输入变量x2、输入变量x3的基本论域设计为(0，1)，然后将两个输入量分为3个语言变量，即正大(pb)、零(ze)、负大(nb)，三个输入变量的3个语言变量在基本论域(1，+1)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；

输出变量y1和输出变量y2基本论域为(0，1)；

然后将输出变量分为3个语言变量y，即正大(pb)、零(ze)、负大(nb)；

输出变量y1和输出变量y2基本论域为(0，1)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；

(2)模糊控制规则的设计

设计模糊控制规则的原则是当误差大或者较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或者较小时，选择控制量要控制超调量，典型工况的模糊控制规则为：

rule1：如果i1＝pb，x2＝pb，x3＝pb，则y1＝pb，y2＝nb；

rule2：如果i1＝pb，x2＝pb，x3＝ze，则y1＝ze，y2＝pb；

rule3：如果i1＝pb，x2＝pb，x3＝nb，则y1＝ze，y2＝pb；

rule4：如果i1＝pb，x2＝ze，x3＝pb，则y1＝pb，y2＝ze；

rule5：如果i1＝pb，x2＝nb，x3＝pb，则y1＝pb，y2＝nb；

rule6：如果i1＝ze，x2＝pb，x3＝pb，则y1＝pb，y2＝nb；

rule7：如果i1＝ze，x2＝pb，x3＝ze，则y1＝ze，y2＝pb；

rule8：如果i1＝ze，x2＝ze，x3＝ze，则y1＝pb，y2＝nb；

rule9：如果i1＝ze，x2＝ze，x3＝nb，则y1＝pb，y2＝ze；

rule10：如果i1＝ze，x2＝nb，x3＝ze，则y1＝pb，y2＝nb；

(3)解模糊过程

解模糊采用最大隶属度方法进行解模糊。

相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：

本发明能源控制系统的供能动力系统由并联的集成电池组和可更换电池组组成，两组电池组一方面能够保证电动汽车稳定的运行，一方面由于可更换电池组可进行快速便捷的更换，从而可高效为电动汽车充电；另外，本发明的控制方法能够优化系统对电能的使用，实现对两组电池组供电(即输出功率大小)进行自动切换，同时还能实现对两组电池组充电(即充电功率大小)进行协调，从而有效保护两组电池组，防止任何一组电池组的过充电或过放电。

附图说明

图1为本发明电动汽车能源控制系统的结构示意图；

图2为本发明电动汽车能源控制系统控制过程的原理图；

1-驱动电机、2-逆变器、3-直流母线、4-行车控制器、5-可更换电池组升压器、6-集成电池组升压器、7-直流降压器、8-吸收电容器、9-直流升压器、10-整流器、11-集成电池组、12-制动控制器、13-可更换电池组。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

如图1～2所示，本发明电动汽车能源控制系统，包括行车控制回路、制动控制回路、驱动系统以及供能动力系统；其中，行车控制回路包括行车控制器4、逆变器2、直流母线3、集成电池组升压器6和可更换电池组升压器5；制动控制回路包括制动控制器12、整流器10、直流升压器9、吸收电容器8和直流降压器7；驱动系统为驱动电机1；供能动力系统由并联的集成电池组11和可更换电池组13组成；

行车控制回路中，行车控制器4作为控制终端，供能动力系统通过集成电池组升压器6和可更换电池组升压器5将电能传输给直流母线3，直流母线3通过逆变器2将电能传输给驱动电机1，驱动电机1转动带动与其传动连接的车轮转动；

制动控制回路中，制动控制器12作为控制终端，供能动力系统停止对驱动电机1供电，驱动电机1在惯性下继续转动，此时驱动电机1运行在制动状态下将机械能转化为电能，转动的电机1产生的电能通过整流器10整流后，依次通过直流升压器9、吸收电容器8和直流降压器7给供能动力系统充电。

逆变器2将直流电逆变为交流电，主要由三相桥式逆变器构成；直流母线3是将直流汇总，给逆变器2输入端提供直流电能；行车控制器4主要由高性能控制芯片构成，用于将采集的信号进行处理后再输出相应的控制信号；可更换电池组升压器5是由升压型直流变换器构成，将可更换电池组13的输出电压进行升压，并送至直流母线3的输入端口；集成电池组升压器6是由升压型直流变换器构成，将集成电池组11的输出电压进行升压，并送至直流母线3的输入端口；直流降压器7由降压型直流变换器构成，其将吸收电容器8的输出电压进行降压，降压后分成两路，一路输出给集成电池组11充电，另一路输出给可更换电池组13充电；吸收电容器8是由超级电容器构成，主要对制动过程产生的瞬间高压电能进行吸收，驱动电机1工作在制动状态时，所产生的能量回馈通过整流器10，将交流整流为直流，再经过直流升压器9传输给吸收电容器8；集成电池组11是由锂离子电池构成，其集成安装在电动汽车底盘上；可更换电池组13由锂离子电池构成，安装在电动汽车后备箱的专门支架上，方便更换；制动控制器12由高性能控制芯片构成，用于将采集的信号进行处理后再输出相应的控制信号。

集成电池组11的电能输出端与集成电池组升压器6连接，可更换电池组13的电能输出端与可更换电池组升压器5连接，可更换电池组升压器5与集成电池组升压器6以并联的方式将电能输出给直流母线3。

行车过程能量传输通道：

驱动电机1工作在行车模式，驱动电机1电源输入端口与逆变器2的输出端口连接，逆变器2的输入端口与直流母线3的输出端连接，可更换电池组升压器5与集成电池组升压器6的输出在直流母线3输入端口以并联的方式连接，可更换电池组升压器5的输入与可更换电池组13的电源输出端口连接，集成电池组升压器6与集成电池组11的电源输出端口连接。

本发明电动汽车能源控制系统的行车控制方法为：行车过程中，行车控制器实时监测驾驶员的油门踏板开度信号、集成电池组的soc值和可更换电池组的soc值，根据控制算法，行车控制器发出控制信号到可更换电池组升压器和集成电池组升压器的电能输出端口，从而控制集成电池组和可更换电池组的电能输出功率，再通过控制逆变器的电能输出端口，从而实现对驱动电机输入的电能的控制。

其中，控制算法为模糊控制方法，算法具体为：

模糊控制器的控制结构为3输入，3输出结构：

输入变量x1：油门踏板开度；

输入变量x2：集成电池组的soc值；

输入变量x3：可更换电池组的soc值；

输出变量u1：可更换电池组升压器的占空比；

输出变量u2：集成电池组升压器的占空比；

输出变量u3：逆变器的控制角；

(1)输入输出变量论域

输入变量x1、输入变量x2、输入变量x3的基本论域设计为(0，1)，然后将两个输入量分为3个语言变量，即正大(pb)、零(ze)、负大(nb)，三个输入变量的5个语言变量在基本论域(1，+1)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；

输出变量u1和输出变量u2基本论域为(0，1)，输出变量u3的基本论域为(0，180)；

然后将输出变量分为53语言变量u，即正大(pb)、零(ze)、负大(nb)；

输出变量u1和输出变量u2基本论域为(0，1)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；出变量u3的基本论域为(0，180)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；

(2)模糊控制规则的设计

设计模糊控制规则的原则是当误差大或者较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或者较小时，选择控制量要控制超调量，并限定输出变量u3与输出变量u1、输出变量u2之间的关系，典型工况的模糊控制规则为：

rule1：如果x1＝pb，x2＝pb，x3＝pb，则u3＝pb，u2＝nb，u1＝pb；

rule2：如果x1＝pb，x2＝pb，x3＝ze，则u3＝pb，u2＝ze，u1＝pb；

rule3：如果x1＝pb，x2＝pb，x3＝nb，则u3＝pb，u2＝pb，u1＝nb；

rule4：如果x1＝pb，x2＝ze，x3＝pb，则u3＝pb，u2＝pb，u1＝ze；

rule5：如果x1＝pb，x2＝nb，x3＝nb，则u3＝pb，u2＝pb，u1＝pb；

rule6：如果x1＝ze，x2＝pb，x3＝pb，则u3＝pb，u2＝nb，u1＝pb；

rule7：如果x1＝ze，x2＝pb，x3＝ze，则u3＝pb，u2＝pb，u1＝ze；

rule8：如果x1＝ze，x2＝ze，x3＝ze，则u3＝pb，u2＝ze，u1＝pb；

rule9：如果x1＝ze，x2＝ze，x3＝nb，则u3＝pb，u2＝pb，u1＝nb；

rule10：如果x1＝ze，x2＝nb，x3＝ze，则u3＝pb，u2＝nb，u1＝pb；

(3)解模糊过程

解模糊采用最大隶属度方法进行解模糊(模糊规则得到的是ze、nb、pb等这样的模糊变量，这样的模糊变量，控制器是没有办法识别出来了，经过最大隶属度解模糊过程就可以得到系统所需要的模拟量控制信号)。

制动过程能量传输通道：

驱动电机1工作在制动(发电)模式，驱动电机1的电源输出端口与整流器10输入端口连接，整流器10的输出端口与直流升压器9的输入端口连接，直流升压器9的输出端口与吸收电容器8输入端口连接，吸收电容器8的输出端口与直流降压器7的输入端口连接，直流降压器7的输出端口一与集成电池组11连接，输出端口二与可更换电池组13连接。

本发明电动汽车能源控制系统的制动控制方法为：制动控制器12实时监测制动踏板的开度信号、集成电池组11的soc值和可更换电池组13的soc值，当制动控制器12信号输入端采集到制动踏板的开度信号后，根据控制算法，制动控制器12发出控制信号，控制直流降压器7两个输出端口的占空比信号，从而实现对集成电池组11的充电功率和可更换电池组13的充电功率的控制。

其中，控制算法为t-s型模糊控制算法，算法具体为：

t-s型模糊控制结构为3输入，2输出结构：

输入变量i1：制动踏板的开度；

输入变量x2：集成电池组的soc值；

输入变量x3：可更换电池组的soc值；

输出量y1：控制直流降压器输出端口一的占空比；

输出量y2：控制直流降压器输出端口二的占空比；

(1)输入输出变量论域

输入变量i1、输入变量x2、输入变量x3的基本论域设计为(0，1)，然后将两个输入量分为3个语言变量，即正大(pb)、零(ze)、负大(nb)，三个输入变量的3个语言变量在基本论域(1，+1)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；

输出变量y1和输出变量y2基本论域为(0，1)；

然后将输出变量分为3个语言变量y，即正大(pb)、零(ze)、负大(nb)；

输出变量y1和输出变量y2基本论域为(0，1)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；

(2)模糊控制规则的设计

设计模糊控制规则的原则是当误差大或者较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或者较小时，选择控制量要控制超调量，典型工况的模糊控制规则为：

rule1：如果i1＝pb，x2＝pb，x3＝pb，则y1＝pb，y2＝nb；

rule2：如果i1＝pb，x2＝pb，x3＝ze，则y1＝ze，y2＝pb；

rule3：如果i1＝pb，x2＝pb，x3＝nb，则y1＝ze，y2＝pb；

rule4：如果i1＝pb，x2＝ze，x3＝pb，则y1＝pb，y2＝ze；

rule5：如果i1＝pb，x2＝nb，x3＝pb，则y1＝pb，y2＝nb；

rule6：如果i1＝ze，x2＝pb，x3＝pb，则y1＝pb，y2＝nb；

rule7：如果i1＝ze，x2＝pb，x3＝ze，则y1＝ze，y2＝pb；

rule8：如果i1＝ze，x2＝ze，x3＝ze，则y1＝pb，y2＝nb；

rule9：如果i1＝ze，x2＝ze，x3＝nb，则y1＝pb，y2＝ze；

rule10：如果i1＝ze，x2＝nb，x3＝ze，则y1＝pb，y2＝nb；

(3)解模糊过程

解模糊采用最大隶属度方法进行解模糊(模糊规则得到的是ze、nb、pb等这样的模糊变量，这样的模糊变量，控制器是没有办法识别出来了，经过最大隶属度解模糊过程就可以得到系统所需要的模拟量控制信号)。

本发明控制方法采用模糊控制算法实现两组电池组(供电)的自动切换，并使用模糊控制算法实现电动汽车在制动过程对电能的回收，并将回收的电能给两组电池组进行充电。

应当提出，本发明的模糊控制算法的控制规则为经验设计，为便于本发明思想的阐述，模糊分割数为3，模糊控制规则按经验值设计了10条模糊控制规则，因此对本发明模糊控制规则进行变换、增加、删除以及模糊分割的数量进行改变等均视为本发明保护的范围。