一种混合动力汽车系统及其能量管理策略的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种混合动力汽车系统及其能量管理策略，特别涉及一种采用双机电 电池作为能量缓冲装置的混合动力汽车系统及其能量管理策略。
【背景技术】
[0002] 机电电池（Electro-Magnetic Battery, EMB)是一种新型储能装置，典型的EMB结 构如图1所示，主要由高速轴承、真空腔、转子飞轮以及定子绕组等构成，EMB的转子飞轮一 般以高速旋转，EMB的工作原理为：在定子磁场转速高于转子速度时，磁场驱动转子飞轮加 速，该过程相当于电动机工作在驱动工况，这时将电能转换为转子飞轮的机械能；在定子磁 场转速低于转子速度时，磁场迫使转子飞轮减速，该过程相当于电动机工作在制动工况，这 时将转子飞轮机械能转换为电能。
[0003] 从这样的外部特性看，EMB具有电池的特性，本质上EMB是电动机/发电机，它的 充、放电过程实际上是准确、高效地按需求在一定时间内以一定规律调节转速的过程，EMB 在工作时有三种工作模式，即充电、放电和空运行，从电机角度可理解为转速的提高、降低 和保持。EMB与其他储能装置一样，能量流向是单向的，即不能同时充电、放电。
[0004] 具有如图2所示转子飞轮结构的EMB，其所储存的能量由下列公式给出：
【主权项】
1. ー种混合动カ汽车系统，由内燃机、发电机、动カ电池及驱动电机组成，内燃机和驱 动电机提供的动カ通过转速、转矩耦合装置传递至车轮，其特征在子：本系统还包括能量管 理单元及两个机电电池EMB，能量管理単元与动カ电池、驱动电机、两个EMB及发电机等主 要部件通过电气回路互联，其中，动カ电池、驱动电机和两个EMB与能量管理単元之间可以 双向传递能量，发电机与能量管理単元只能单向传递能量；能量管理単元通过功率电子单 元实现对以上部件之间能量流向的控制，控制两个EMB主要进行短时、大功率输出，而动カ 电池和内燃机则工作于更加稳定、一致的エ况，将原本应该由动カ电池和内燃机承担的不 理想エ况改为由EMB承担。
2. 根据权利要求1所述的ー种混合动カ汽车系统，其特征在于包括如下几种工作模 式： 1) 纯动カ电池模式 在动カ电池的SOC较高时，仅动力电池就可以满足系统对驱动电机的驱动/制动转矩 需求，此时驱动车辆的能量仅由动カ电池提供，车辆制动时的能量也仅由动カ电池吸收； 2. EMB和动カ电池混合模式 当车辆的转矩需求处于中、低水平，且动カ电池通过驱动电机所能提供的驱动或制动 转矩不能满足系统转矩的需求时，驱动或制动转矩的不足由EMB填补； 3) 纯内燃机模式 当转矩需求处于中等水平，且位于内燃机的经济区内，系统经过转矩分配策略决定转 矩需求全部由内燃机提供； 4. EMB和内燃机混合模式 当车辆的转矩需求处于中等水平，且动カ电池的SOC较低、EMB的SOC较高时，EMB通过 驱动电机输出的转矩和内燃机输出的转矩共同驱动车辆； 5. EMB、内燃机、动カ电池混合模式 当车辆的转矩需求处于中、高水平时，三者共同输出转矩；当转矩需求激增时，先由EMB快速放电的特点通过驱动电机进行转矩输出，以弥补短暂的动力性疲软；当转矩需求 较高时，超过内燃机和驱动电机最大转矩之和时，这时转矩的不足由EMB通过驱动电机弥 补。
3. -种如权利要求1或2所述的混合动カ汽车系统的能量管理策略，其特征在于：针 对EMB直接參与的能量流动过程的能量管理策略，首先将内燃机和驱动电机不能及时提供 或不适于提供的短时、大功率能量定义为能量缺ロ，能量缺ロ由EMB通过驱动电机输出转 矩来弥补，其分为三类，即正能量缺ロ、无能量缺口和负能量缺ロ，正能量缺ロ指车辆要求 EMB通过驱动电机输出能量，负能量缺ロ指车辆要求EMB通过驱动电机吸收能量，无能量缺 ロ指车辆要求EMB保持目前能量状态，既不吸收能量，也不释放能量； 再将EMB的SOC划分为小、焱和夺三个区间，小为低SOC区间，夺为中SOC区间，?为 高SOC区间，各分界点的值可以按照不同设计需求进行调整； 为降低系统エ况复杂性、排除不经济的能量流动，提炼出的设计规则为： (1)EMB在低SOC区间?时，不通过驱动电机输出能量； (2) EMB仅在高SOC区间办才向动カ电池充电； (3) 发电机在保证经济性的前提下向能量管理单元输送能量； (4) 发电机仅对处在小和夺区的EMB充电； (5) 通过驱动电机回收的能量优先由SOC较低的EMB吸收，向驱动电机提供能量时优先 由SOC较高的EMB释放； (6) 两个EMB之间不进行能量交換。
4. 根据权利要求3所述的ー种混合动カ汽车系统的能量管理策略，其特征在子： 当EMB#1的SOC处于区间念，EMB#2的SOC处于区间办时： A正能量缺ロ 两个EMB的SOC均过低，不通过驱动电机进行能量输出； 如果内燃机正在工作，那么在保证经济性的前提下，发电机向SOC较低的EMB充电，当 两个EMB的SOC相同时，发电机同时对两者充电，直到EMB的SOC区间发生变化； B无能量缺ロ 如果内燃机正在工作，那么在保证经济性的前提下，发电机向SOC较低的EMB充电，当 两个EMB的SOC相同时，发电机同时向两者充电，直到EMB的SOC区间发生变化； C负能量缺ロ 通过驱动电机回馈的能量由SOC较低的EMB吸收，当两个EMB的SOC相同时，驱动电机 同时向两者充电，直到EMB的SOC区间发生变化； 如果内燃机正在工作，那么在保证经济性的前提下，发电机向SOC较高的EMB充电，当 两个EMB的SOC相同时，发电机不再向EMB充电，两个EMB同时吸收驱动电机回馈的能量。
5. 根据权利要求3所述的ー种混合动カ汽车系统的能量管理策略，其特征在子： 当EMB#1的SOC处于区间I，EMB#2的SOC处于区间令或EMB#1的SOC处于区间令，EMB#2的SOC处于区间4>时： A正能量缺ロ 由SOC较高的EMB通过驱动电机输出能量，直到EMB的SOC区间发生变化； 如果内燃机正在工作，那么在保证经济性的前提下，发电机向SOC较低的EMB充电，直 到EMB的SOC区间发生变化； B无能量缺ロ 如果内燃机正在工作，那么在保证经济性的前提下，发电机向SOC较低的EMB充电，直 到EMB的SOC区间发生变化； C负能量缺ロ 通过驱动电机回馈的能量由SOC较低的EMB吸收，直到EMB的SOC区间发生变化； 如果内燃机正在工作，那么在保证经济性的前提下，发电机向SOC较高的EMB充电，直 到EMB的SOC区间发生变化。
6. 根据权利要求3所述的ー种混合动カ汽车系统的能量管理策略，其特征在子： 当EMB#1的SOC处于区间多，EMB#2的SOC处于区间杳： A正能量缺ロ 由SOC较高的EMB向驱动电机输出能量，当两个EMB的SOC相同时，两者同时通过驱动 电机输出能量，直到EMB的SOC区间发生变化； 如果内燃机正在工作，在保证经济性的前提下，并且两个EMB没有同时放电，那么发电 机向SOC较低的EMB充电，直到EMB的SOC区间发生变化； B无能量缺ロ 如果内燃机正在工作，那么在保证经济性的前提下，发电机向SOC较低的EMB充电，当 两个EMB的SOC相同时，发电机同时向两者充电，直到EMB的SOC区间发生变化； C负能量缺ロ 通过驱动电机回馈的能量由SOC较低的EMB吸收，当两个EMB的SOC相同时，驱动电机 同时向两者充电，直到EMB的SOC区间发生变化； 如果内燃机正在工作，那么在保证经济性的前提下，发电机向SOC较高的EMB充电；当 两个EMB的SOC相同时，发电机不再向EMB充电，两个EMB同时吸收驱动电机回馈的能量， 直到EMB的SOC区间发生变化。
7. 根据权利要求3所述的ー种混合动カ汽车系统的能量管理策略，其特征在子： 当EMB#1的SOC处于区间令，EMB#2的SOC处于区间夺或EMB#1的SOC处于区间令，EMB#2的SOC处于区间令时： A正能量缺ロ 由SOC较高的EMB进行能量输出，直到EMB的SOC区间发生变化； 如果内燃机正在工作，那么在保证经济性的前提下，发电机向SOC较低的EMB充电，直 到EMB的SOC区间发生变化； B无能量缺ロ 由SOC较高的EMB向动カ电池充电，直到EMB的SOC区间发生变化； 如果内燃机正在工作，那么在保证经济性的前提下，发电机向SOC较低的EMB充电，直 到EMB的SOC区间发生变化； C负能量缺ロ 由SOC较高的EMB向动カ电池充电，同时，通过驱动电机回馈的能量由SOC较低的EMB吸收，直到EMB的SOC区间发生变化，此时发电机不向EMB输出能量。
8. 根据权利要求3所述的ー种混合动カ汽车系统的能量管理策略，其特征在子： 当EMB#1的SOC处于区间令，EMB#2的SOC处于区间令： A正能量缺ロ 由SOC较高的EMB向驱动电机输出能量，SOC较低的EMB向动カ电池充电，直到EMB的SOC区间发生变化；当两个EMB的SOC达到相同时，两个EMB共同通过驱动电机输出能量， 不再向动カ电池充电，直到EMB的SOC区间发生变化； B无能量缺ロ 两个EMB共同向动カ电池充电，直到EMB的SOC区间发生变化； C负能量缺ロ 如果此时EMB#1的SOC较高，EMB#2的SOC较低，那么EMB#1向动カ电池充电，通过驱动 电机回馈的能量由SOC较低的EMB#2吸收，当EMB#2充满电后，立即改变工作方式，由EMB#2 向动カ电池充电，EMB#1进行能量吸收，该过程反复交替进行，直到能量反馈过程结束。
【专利摘要】本发明涉及一种混合动力汽车系统及其能量管理策略。一种混合动力汽车系统，其动力源为内燃机和驱动电机，提供的动力通过转速、转矩耦合装置传递至车轮，在本系统中还加入了能量管理单元及两个机电电池EMB，能量管理单元与动力电池、驱动电机、两个EMB及发电机等主要部件通过电气回路互联，在能量管理策略设计规则的指导下，将系统的能量管理策略进行了具体化，详细地规划了不同工况下能量的流向。本系统的优势在于：控制两个EMB主要进行短时、大功率输出，而动力电池和内燃机则工作于更加稳定、一致的工况，将原本应该由动力电池和内燃机承担的不理想工况改为由EMB承担，从而实现优化整车动力性、经济性、提高动力电池寿命等目的。
【IPC分类】B60K6-30, B60K6-28
【公开号】CN104626959
【申请号】CN201510051086
【发明人】杨福, 赵雪, 杨博文, 刘艺博, 王晶, 刘玉双
【申请人】吉林建筑大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月30日