一种重型商用车EPS复合电源的多模式能量管理方法与流程

本发明属于车载复合电源的能量管理技术领域，具体涉及一种重型商用车eps复合电源的多模式能量管理方法。

背景技术：

电动助力转向(eps)是目前公认的高效节能转向系统，但由于重型商用车前桥载荷大，低速时所需克服转向阻力矩巨大，整车电源系统无法提供eps助力电机的需求功率，所以目前仍无法在重型商用车上应用。如今高速公路快速发展，重型商用车大部分时间处于中、高速行驶状态，相应的转向阻力矩较小，整车电源完全可以满足eps助力电机的使用需求。超级电容具备瞬时大功率充放电的特性，将超级电容与整车电源构成复合电源即可以同时具备高的功率密度与能量密度，可以满足eps助力电机的转向功率需求。

构建复合电源系统后，如何分配双电源的功率将直接影响eps助力电机的工作状态以及复合电源系统的效率。由于该复合电源实质上是由整车电源与超级电容构成的，所以在能量管理方面要考虑发电机与超级电容固有的工作特性，制定能量管理的控制逻辑，在满足eps助力电机使用要求的前提下优化复合电源的功率分配。

专利(jp2003-320942)公开了一种基于复合电源的eps系统，提供了复合电源的供电方式，根据检测的方向盘转矩控制切换开关，使蓄电池与超级电容处于并联或串联状态。专利(jp2007-223510)公开了一种利用超级电容作为辅助电源的eps系统，并给出了辅助电源介入工作的条件。专利(cn201180034669.7)公开了一种基于复合电源的eps系统的故障检测电路，并给出了故障检测与处理方法。专利(cn201410080799.x)提出了一种基于超级电容器的汽车电子助力转向系统，并在恶劣路况转向时超级电容配合主电源提供驱动电流，提升助力功率。以上专利涉及的复合电源是由蓄电池与超级电容组组成，并未提及复合电源系统的能量管理，实际上为重型商用车eps系统供电的是发电机。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明提出一种重型商用车eps复合电源的多模式能量管理方法，以解决复合电源应用于重型商用车eps中整车电源与超级电容的功率分配问题。

为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：一种重型商用车eps复合电源的多模式能量管理方法，包括以下步骤：

1)确定上层门限值工作模式切换参数，包括临界转向车速v0与临界转角θh0；

2)根据发电机的规格说明书确定发电机的最优功率区间，记为[pg-low,pg-high]；

3)计算超级电容临界电压usc0；

4)判断是否v＜v0∩θh＞θh0；若是转步骤5)；否则转步骤8)；

5)判断是否p＞pg-high；若是，则转步骤6)；若否，则转步骤7)；

6)发电机切换为定功率输出模式，转步骤4)；

7)发电机切换为寻优模式1，转步骤4)；

8)判断是否usc＜usc0；若是则转步骤9)；否则转步骤10)；

9)发电机切换为超级电容强制充电模式，转步骤4)；

10)判断是否pg＞phigh；若是，转步骤11)；否则转步骤12)；

11)发电机切换为超级电容待充电模式，转步骤4)；

12)发电机切换为寻优模式2；转步骤4)。

进一步的，上述步骤1)中，确定临界转向车速v0与临界转角θh0包括以下步骤；

1.1)通过车速仪、测力方向盘以及转向阻力矩传感器，进行实车试验，采集在不同车速v以及方向盘转角θh时所对应的转向阻力矩tr，得到样本数据n：

n＝{(v1,θh1,tr1),(v2,θh2,tr2),...,(vi,θhi,tri)}

其中，v1,v2,...,vi为采集的车速，θh1,θh2,...,θhi为采集的方向盘转角，tr1,tr2,...,tri为采集的转向阻力矩；

1.2)利用最小二乘法拟合样本数据n，得到转向阻力矩与车速和方向盘转角的关系tr＝f(v,θh)；

1.3)计算tr＝f(v,θh)的梯度，取梯度的模最大时所对应的车速和方向盘转角为临界转向车速v0与临界方向盘转角θh0；其中梯度的模的计算方法如下：

式中，为梯度的模；

进一步的，上述步骤3)中，超级电容临界电压usc0的计算包括以下步骤：

3.1)采集试验车辆运营周期t的实时方向盘转角θh、车速v与实时转向阻力矩tr；

3.2)计算eps助力电机实时输出功率peps，计算公式如下：

式中，tr为转向阻力矩，td为期望转向手力，ωm为助力电机的额定转速，ηr为转向器的传动效率，gr为转向器传动比，gm为减速机构与eps助力电机的传动比，ηm为减速机构与eps助力电机的效率，ηeps为eps助力电机的效率；

3.3)计算运营周期t内，eps助力电机所需的平均功率peps-avg，计算公式如下：

3.4)统计出低于车速v0时最高频的助力电机需求功率pepsx及其所对应的转向车速vx和车速vx时转向的平均时长δt；

3.5)计算超级电容临界电压usc0；超级电容临界电压usc0表示在eps助力电机的需求功率为pepsx时，对超级电容端电压的要求；满足如下关系：

式中，umin表示超级电容的最低电压；umax表示超级电容的最高电压。

进一步的，上述步骤6)中，在定功率输出模式下，发电机输出功率为pg-high，超级电容放电补充其余功率，功率分配如下式：

式中，pg表示发电机的输出功率，pgload表示车载其他用电器的总功率需求，psc-d表示超级电容的放电功率。

进一步的，上述步骤7)中，寻优模式1的功率分配方法如下：

7.1)设定优化目标，优化目标为复合电源系统损耗最小，其中系统功率损耗包括超级电容放电的功率损耗lsc-d(t)、超级电容端dc/dc变换器的功率损耗ldc1(t)以及发电机端dc/dc变换器的功率损耗ldc-g(t)，计算公式如下：

式中，isc-d表示超级电容的放电电流；rsc表示超级电容的内阻；psc-d表示超级电容端dc/dc变换器的输出功率，pg表示发电机端dc/dc变换器的输出功率；ηdc1表示超级电容端dc/dc变换器的转换效率；ηdc-g表示发电机端dc/dc变换器的转换效率；

7.2)制定约束条件，约束条件如下：

式中，psc-d-min；psc-d-max根据超级电容的放电功率区间确定；

7.3)根据约束条件得出不同[pg(t),psc-d(t)]可行解组合，分别代入优化目标，得出最优解[pg-best(t),psc-d-best(t)]，即为当前整车电源与超级电容的功率分配。

进一步的，上述步骤9)中，超级电容强制充电模式下，功率分配方法如下：

进一步的，上述步骤11)中，超级电容待充电模式功率分配方法如下：

进一步的，上述步骤12)中，寻优模式2的功率分配方法包括如下步骤：

12.1)制定优化目标，优化目标为复合电源系统损耗最小；在发电机工作在其高效区间的前提下，系统功率损失包括超级电容充电功率损失lsc-c、超级电容端dc/dc变换器的功率损失ldc2及发电机端dc/dc变换器的功率损失ldc-g，计算方法如下：

其中，isc-c(t)表示超级电容的充电电流，psc-c(t)表示dc/dc变换器的输入功率；

12.2)制定约束条件；约束条件如下：

其中，psc-c-min；psc-c-max根据超级电容的充电功率区间确定；

12.3)根据约束条件得出不同[pg(t),psc-c(t)]可行解组合，分别代入优化目标，得出最优解[pg-best(t),psc-c-best(t)]，即为当前整车电源与超级电容的功率分配。

进一步的，上述步骤3.4)中，统计pepsx、vx和δt的方法包括如下步骤：

3.4.1)筛选出运营周期t内低于车速v0时，不同车速v及其所对应的peps-req；

3.4.2)统计v∈[0,v0]时助力电机需求功率peps-req的频次f1,f2,...,fn，比较得出最高频fmax，将fmax所对应的助力电机需求功率以及转向车速分别记做pepsx和vx；

3.4.3)根据采集得到的方向盘转角θh，得出车速vx时的转向时间长度t1,t2,...,tn，取平均值得到平均转向时长，记做δt：

进一步的，上述重型商用车eps复合电源的多模式能量管理方法，通过重型商用车eps复合电源的多模式装置实现，重型商用车eps复合电源的多模式装置包括eps助力电机、控制器、发电机、超级电容、dc/dc变换器、其他用电器、转角传感器和车速传感器；其中，所述发电机与超级电容先各串联一个dc/dc变换器，然后二者并联组成复合电源，为eps助力电机、车载其他用电器以及控制器供电，同时发电机与超级电容分别将其功率信号与端电压信号发送至控制器；所述转角传感器用于实时采集转角信号，输出端与控制器相连；所述车速传感器用于实时采集车速信号，输出端与控制器相连；所述eps助力电机发送需求功率信号至控制器，输入端与控制器相连；所述其它用电器发送实时功率信号至控制器，输入端与发电机相连，输出端与控制器相连；所述控制器由根据采集到的转角信号、车速信号、eps助力电机发送需求功率和其它用电器发送实时功率，判定复合电源所处的工作模式，通过控制dc/dc变换器以分配整车电源的输出功率以及超级电容的放电/充电功率，实现高效的复合电源能量管理。

与现有技术相比，本发明所提出的能量管理方法可以实时分配发电机与超级电容的输出功率，并且能够在满足eps应用于重型商用车的前提下，使发电机工作在其最优工作区间。

附图说明

图1为重型商用车eps复合电源能量管理装置结构示意图。

图2为重型商用车eps复合电源的多模式能量管理方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，需要指出的是，下面仅以一种最优化的技术方案对本发明的技术方案以及设计原理进行详细阐述，但本发明的保护范围并不限于此。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

图1是一种重型商用车eps复合电源能量管理装置结构示意图，重型商用车eps复合电源能量管理装置包括eps助力电机、控制器、发电机、超级电容、dc/dc变换器、其他用电器、转角传感器和车速传感器；其中：

发电机与超级电容先各串联一个dc/dc变换器，然后二者并联组成复合电源，为eps助力电机、车载其他用电器以及控制器供电，同时发电机与超级电容分别将其功率信号与端电压信号发送至控制器；

转角传感器用于实时采集转角信号，输出端与控制器相连；

车速传感器用于实时采集车速信号，输出端与控制器相连；

eps助力电机发送需求功率信号至控制器，输入端与控制器相连；

其它用电器发送实时功率信号至控制器，输入端与发电机相连，输出端与控制器相连；

控制器由根据采集到的转角信号、车速信号、eps助力电机发送需求功率和其它用电器发送实时功率，判定复合电源所处的工作模式，通过控制dc/dc变换器以分配整车电源的输出功率以及超级电容的放电/充电功率，实现高效的复合电源能量管理。

图2为重型商用车eps复合电源的多模式能量管理方法流程图。该方法在重型商用车eps复合电源能量管理装置上实现，重型商用车eps的复合电源工作模式包括发电机定功率输出模式，寻优模式1，超级电容强制充电模式，超级电容待充电模式，寻优模式2。

本发明一种重型商用车eps复合电源的多模式能量管理方法，如图2所示，具体包括以下步骤：

1)确定上层门限值工作模式切换参数，包括临界转向车速v0与临界转角θh0；具体包括以下步骤；

1.1)以大客车为研究对象，通过车速仪、测力方向盘以及转向阻力矩传感器，进行实车试验，采集在不同车速v以及方向盘转角θh时所对应的转向阻力矩tr；得到样本数据n：

n＝{(v1,θh1,tr1),(v2,θh2,tr2),...,(vi,θhi,tri)}

其中，v1,v2,...,vi为采集的车速，θh1,θh2,...,θhi为采集的方向盘转角，tr1,tr2,...,tri为采集的转向阻力矩；

1.2)利用最小二乘法拟合样本数据n，得到转向阻力矩与车速和方向盘转角的关系tr＝f(v,θh)；

1.3)计算tr＝f(v,θh)的梯度，取梯度的模最大时所对应的车速和方向盘转角为临界转向车速v0与临界方向盘转角θh0；其中梯度的模的计算方法如式(1)：

式中，为梯度的模；

2)根据发电机的规格说明书确定发电机的最优功率区间，记为[pg-low,pg-high]；

3)计算超级电容临界电压usc0；具体包括以下步骤：

3.1)采集试验车辆运营周期t的实时方向盘转角θh、车速v与实时转向阻力矩tr；在具体实施例中，运营周期t取12个小时；

3.2)计算eps助力电机实时输出功率peps，计算公式如式(2)：

式中，tr为转向阻力矩，td为期望转向手力，单位为n·m；ωm为助力电机的额定转速；ηr为转向器的传动效率；gr为转向器传动比；；gm为减速机构与eps助力电机的传动比；ηm为减速机构与eps助力电机的效率；ηeps为eps助力电机的效率；

3.3)计算运营周期t内，eps助力电机所需的平均功率peps-avg；其中，计算方法如式(3)：

3.4)统计得出低于车速v0时最高频的助力电机需求功率pepsx及其所对应的转向车速vx，以及车速vx时转向的平均时长δt。具体的统计方法是：

3.4.1)筛选出运营周期t内低于车速v0时，不同车速v及其所对应的peps-req；

3.4.2)统计v∈[0,v0]时助力电机需求功率peps-req的频次f1,f2,...,fn，比较得出最高频fmax，将fmax所对应的助力电机需求功率以及转向车速分别记做pepsx和vx；

3.4.3)根据采集得到的方向盘转角θh，得出车速vx时的转向时间长度t1,t2,...,tn，取平均值得到平均转向时长，记做δt：

3.5)计算超级电容临界电压usc0；超级电容临界电压usc0表示在eps助力电机的需求功率为pepsx时，对超级电容端电压的要求；其中，计算方法根据超级电容的荷电状态公式得出，如式(4)：

恒等变换得出式(5)：

式中，umin表示超级电容的最低电压；umax表示超级电容的最高电压。

4)判断是否v＜v0∩θh＞θh0；若是，则转步骤5)；若否，则转步骤8)；

5)判断是否p＞pg-high；若是，则转步骤6)；若否，则转步骤7)；

6)发电机切换为定功率输出模式，转步骤4)；其中在定功率输出模式下，发电机输出功率即为pg-high，超级电容放电补充其余功率；功率分配如式(6)：

式中，pg表示发电机的输出功率，pgload表示车载其他用电器的总功率需求，psc-d表示超级电容的放电功率。

7)发电机切换为寻优模式1，转步骤4)；其中，寻优模式1的功率分配方法如下：

7.1)设定优化目标，优化目标为复合电源系统损耗最小，其中系统功率损耗包括超级电容放电的功率损耗lsc-d(t)、超级电容端dc/dc变换器的功率损耗ldc1(t)以及发电机端dc/dc变换器的功率损耗ldc-g(t)，计算公式如式(7)：

式中，isc-d表示超级电容的放电电流；rsc表示超级电容的内阻；psc-d表示超级电容端dc/dc变换器的输出功率，pg表示发电机端dc/dc变换器的输出功率；ηdc1表示超级电容端dc/dc变换器的转换效率；ηdc-g表示发电机端dc/dc变换器的转换效率；

7.2)制定约束条件；约束条件如式(8)：

式中，psc-d-min；psc-d-max根据超级电容的放电功率区间确定；

7.3)根据约束条件得出不同[pg(t),psc-d(t)]可行解组合，分别代入优化目标，得出最优解[pg-best(t),psc-d-best(t)]，即为当前整车电源与超级电容的功率分配；

8)判断是否usc＜usc0；若是，则转步骤9)；否则转步骤10)；

9)发电机切换为超级电容强制充电模式，转步骤4)；其中超级电容强制充电模式下，功率分配方法如式(9)：

10)判断是否pg＞phigh；若是，转步骤11)；否则转步骤12)；

11)发电机切换为超级电容待充电模式，转步骤4)；其中超级电容待充电模式功率分配方法如式(10)：

12)发电机切换为寻优模式2；转步骤4)；其中，寻优模式2的功率分配方法如下：

12.1)制定优化目标，优化目标为复合电源系统损耗最小；在发电机工作在其高效区间的前提下，系统功率损失包括超级电容充电功率损失lsc-c、超级电容端dc/dc变换器的功率损失ldc2及发电机端dc/dc变换器的功率损失ldc-g，计算方法如式(11)：

其中，isc-c(t)表示超级电容的充电电流，psc-c(t)表示dc/dc变换器的输入功率

12.2)制定约束条件；约束条件如式(12)：

其中，psc-c-min；psc-c-max根据超级电容的充电功率区间确定。

12.3)根据约束条件得出不同[pg(t),psc-c(t)]可行解组合，分别代入优化目标，得出最优解[pg-best(t),psc-c-best(t)]，即为当前整车电源与超级电容的功率分配。