专利名称：一种基于超级电容的串联式混合动力系统与能量分配方法
技术领域：
本发明涉及一种汽车动力的控制方式，尤其是指一种基于超级电容的串联式混合
动力系统与能量分配方法。主要用于混合动力汽车，特别适合于城市公交用大客车。
背景技术：
串联式混合动力车因为布置灵活，结构简单，易于控制，并且所用电机功率比并联 式大，利于回收制动能量，而城市公交车加减速频繁，低强度制动工况多，所以串联式尤其 适合城市公交车。 但串联混合动力对储能系统的依赖越来越成为制约串联式混合动力进一步发展
的瓶颈，传统的动力电池为储能系统的形式，在长时间大电流充放工况下电池效率、电池使
用寿命迅速下降，即影响了系统节油能力，同时又增加系统维护、更换成本。 近年来，国内外学者和设计者为了使SHEV油耗最低，排放最低，系统成本最低，驱
动性能最佳设计了多种能量控制策略。这些策略按其性质可分为两大类一类是被动型能
量控制，另一类是主动型能量控制。被动型能量控制是在保证电池和发动机工作于最佳工
作区范围的条件下被动地满足车辆功率需求的一种控制模式。这种控制模式以提高能量流
动效率为其主要目的。主动型能量控制就是在注重提高汽车系统内部能量流动效率的同
时，再根据行车环境主动减小车辆功率需求、扩大再生制动能量的能量管理模式。这种能量
管理模式以减少人(驾驶员)、车、路所组成的大系统能量消耗最少为主要目的。 主动型能量控制因为结合了多种优化算法与理论，具有精细化控制的特点，因此
是现代控制发展的主流。而主动型能量管理控制策略最大的困难在于需即时预先知道该车
的行驶路线、路面状况与交通信号情况，才能实时预先做出控制。 随着控制技术的不断进步，对混合动力公交车控制策略研究的加深，在全局优化 能量管理策略的基础上，对于基于道路工况识别的能量管理策略开始不断被研究开发。
目前最新开发的双层有机体系的超级电容具有内阻低、充放电效率高、使用寿命 长等优点。但是由于其能量密度较低、自放电率高等特点使之不能满足串联混合动力储能 系统要求。尤其是如何合理进行基于超级电容的串联式混合动力系统与能量分配尚没有现 成技术，很有必要对此加以进一步研究。
发明内容
本发明的目的是针对现有串联式混合动力公交车整车控制方法的不足，提出了一 种基于超级电容单独作为储能系统的串联式混合动力系统与控制方法，利用该系统和相应 的控制方法可以有效的解决串联式混合动力储能系统效率低、寿命短的缺点，同时也可避 免超级电容自身能量较低带来的整车动力性不足、成本较高等缺点。 本发明的技术实施方案如下一种基于超级电容单独作为储能系统的串联式混合 动力系统方法，采用新型的拓扑结构和控制方法实现用较少的超级电容就能完成串联式混 合动力的正常驱动和最大限度的制动能量回收。所述的拓扑结构和控制方法是电机及其控制器作为整车的唯一动力源驱动整车并实现制动能量反馈。发动机、发电机作为整个系 统的主动能量来源，与整车行驶完全解藕，发动机一直工作在高效区从而降低油耗、碱少排 放。超级电容作为系统储能系统为电机控制器提供所需电能，同时吸收电驱动系统回收能 在整车能量分配策略上将整车动能和超级电容能量协调控制，实时超级电容串联
式混合动力的能量分配，即整车实时能量为动能和电能之和保持为常量。在车速较低时，超 级电容保持较高能量，确保整车良好的动力性。车速较高时超级电容储存较低容量，确保整
车制动能量有效的回收。超级电容串联式混合动力的能量分配拓扑流程为 1 、超级电容电压、电流信号采集 2、整车车速、坡道信号采集 2、超级电容系统能量估算
根据流程1的采样结果估算超级电容组可用能量。 本发明的技术实施方案如下一种基于超级电容单独作为储能系统的串联式混合动力系统方法，采用新型的拓扑结构和控制方法实现用较少的超级电容就能完成串联式混 合动力的正常驱动和最大限度的制动能量回收。所述的拓扑结构和控制方法是将电机7及 其电机控制器6作为整车的唯一动力源，驱动整车并实现制动能量反馈；发动机2、发电机 3作为整个系统的主动能量来源，与整车行驶完全解藕，发动机2 —直工作在高效区从而降 低油耗、减少排放，发电机3通过整流器4整流后为超级电容组5和电机控制器6提供工作 电源；在发动机2前面设有整车控制系统1 ;超级电容组5作为系统储能系统为电机控制器 6提供所需电能，同时吸收电驱动系统回收能量。如
图1所示 在整车能量分配策略上将整车动能和超级电容能量协调控制，实时超级电容串联 式混合动力的能量分配，即整车实时能量为动能和电能之和保持为常量。在车速较低时，超 级电容保持较高能量，确保整车良好的动力性。车速较高时超级电容储存较低容量，确保整 车制动能量有效的回收。超级电容串联式混合动力的能量分配拓扑流程如下
1、超级电容电压、电流信号采集
2、整车车速、坡道信号采集
3、超级电容系统能量估算 根据流程1的采样结果估算超级电容组可用能量。
e工超级电容能量 C超级电容组电容量 仏超级电容电压U。超级电容工作截止电压 4、整车动能实时估算 根据流程2的采样结果计算整车动能。
e 2 = MV2/2*(l+k 9 ) ￡2整车动能 M整车总质量v当前车速 e坡道 k坡道修正系数 5、整车总能量实时估算 e v = e 1+ e 2e v整车总能量 6、整车发动机-发电机输出状态检测 7、整车下一时刻总需求能量、整车可提供总能量预估 >根据当前坡道、车速、司机踏板等预估整车需求总能量 >根据流程5、流程6结果计算整车下一步最大可提供总能量 8、根据整车总能量动态平衡原则调节发动机_发电机输出 9、整车需求总能量大于整车最大可提供能量，驱动电机限功运行，发动机_发电 机停机。 附图2为超级电容串联式混合动力的能量分配拓扑流程关联图，从附图可以看 出，本发明的超级电容串联式混合动力的能量分配拓扑流程为网状结构，分为两路信号控 制，其中一路是超级电容电压、电流信号的实时控制，一路是整车车速、坡道信号的控制；由 两路信号分别对超级电容系统能量与整车动能进行估算，再进行整车总能量的实时估算， 再根据整车发动机-发电机输出状态检测结果，计算整车下一时刻总需求能量、整车可提 供总能量，再根据整车总能量动态平衡原则调节发动机_发电机输出，进行能量的分配；其中如果出现整车需求总能量大于整车最大可提供能量，驱动电机限功运行，发动机-发电 机停机。
权利要求
一种基于超级电容的串联式混合动力系统与能量分配方法，采用拓扑结构和控制方法实现用较少的超级电容就能完成串联式混合动力的正常驱动和最大限度的制动能量回收；其特征在于所述的拓扑结构和控制方法是将电机及其电机控制器作为整车的唯一动力源，驱动整车并实现制动能量反馈；发动机、发电机作为整个系统的主动能量来源，与整车行驶完全解藕，发动机一直工作在高效区从而降低油耗、减少排放，发电机通过整流器整流后为超级电容组和电机控制器提供工作电源；在发动机前面设有整车控制系统；超级电容组作为系统储能系统为电机控制器提供所需电能，同时吸收电驱动系统回收能量。
2. 如权利要求1所述的基于超级电容的串联式混合动力系统与能量分配方法，其特征 在于所述的超级电容串联式混合动力的能量分配拓扑流程为A、 超级电容电压、电流信号采集；B、 整车车速、坡道信号采集；C、 超级电容系统能量估算根据流程1的采样结果估算超级电容组可用能量 ^ = ，" - U^超级电容能量 C^超级电容电压 u。D、 整车动能实时估算 根据流程2的采样结果计算整车动能；e 2 = MV2/2*(l+k 9 ) e2整车动能 M整车总质量v当前车速 e 坡道E、 整车总能量实时估算F、 整车发动机_发电机输出状态检测；G、 整车下一时刻总需求能量、整车可提供总能量预估 >根据当前坡道、车速、司机踏板等预估整车需求总能量；、根据流程5、流程6结果计算整车下一步最大可提供总能量；H、 根据整车总能量动态平衡原则调节发动机-发电机输出；I、 整车需求总能量大于整车最大可提供能量，驱动电机限功运行，发动机-发电机停超级电容组电容量 超级电容工作截止电压；k坡道修正系数；整车总能j机'
全文摘要
一种基于超级电容的串联式混合动力系统与能量分配方法，采用拓扑结构和控制方法实现用较少的超级电容就能完成串联式混合动力的正常驱动和最大限度的制动能量回收；拓扑结构和控制方法是将电机及其电机控制器作为整车的唯一动力源，驱动整车并实现制动能量反馈；发动机、发电机作为整个系统的主动能量来源，与整车行驶完全解藕，发动机一直工作在高效区从而降低油耗、减少排放，发电机通过整流器整流后为超级电容组和电机控制器提供工作电源；在发动机前面设有整车控制系统；超级电容组作为系统储能系统为电机控制器提供所需电能，吸收电驱动系统回收能量。本发明利用拓扑系统控制方法可有效的解决串联式混合动力储能系统效率低、寿命短等不足。
文档编号B60K6/46GK101708684SQ20091022667
公开日2010年5月19日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者刘凌, 唐广笛, 石魏, 童晓辉 申请人:湖南南车时代电动汽车股份有限公司