一种基于双电机电动汽车的复合电源拓扑结构及控制方法与流程

本发明属于电动汽车车载复合电源控制领域，具体涉及一种基于双电机电动汽车的复合电源拓扑结构及控制方法。

背景技术：

由于全球的环境问题与能源问题，电动汽车的发展已成为大势所趋。但是动力系统问题已成为电动汽车的重大瓶颈，它直接影响着电动汽车的经济性和动力性，从而影响乘客的使用体验和电动汽车的发展。双电机的高效，节能与动力性强的优点使得应用较多，而复合电源将两种不同的动力电池协调管理，优势互补，实现高能量和高密度。传统的复合电源的结构有主动式，半主动式，被动式三种：主动式的复合电源结构和控制复杂，成本高；半主动式分为与超级电容串联和与锂电池串联，与超级电容串联的复合电源结构输出功率变化大，与电池串联的复合电源结构dc/dc要求较大；被动式复合电源结构效率低，性能差。而随着研究深入，带二极管与开关控制的结构开始得到使用，它有效避免了dc/dc上的一些损耗，在此基础改进的结构有双向dc/dc换成单向dc/dc，体积、成本、效率和控制都得到优化。但是他们对于双电机而言，仍存在能耗过高，控制复杂，能量回收率低以及动力性低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有双电机单电源动力系统结构的电动汽车在复杂多变的运行工况中，整体效率低，制动能量回收效率低，动力性低，电池寿命低等问题，提供了一种基于双电机电动汽车的复合电源拓扑结构及控制方法。该结构和控制方法可以根据电动汽车实际需求功率选择相对应的最佳工作模式，避免电池大电流放电，电机非高效区工作，同时合理回收所有制动能量。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于双电机电动汽车的复合电源拓扑结构，包括主电机逆变器m1、控制开关s1、电池组bat、超级电容uc、功率二极管d1、单向dc/dc直流变换器、辅电机逆变器m2和控制单元；其中，

电池组bat的正极及主电机逆变器m1正极均与控制开关s1及功率二极管d1正极连接，功率二极管d1负极与单向dc/dc直流变换器的ulow正极连接，且单向dc/dc直流变换器的uhigh正极与超级电容uc正极连接，超级电容uc正极与辅电机逆变器m2正极，超级电容uc负极与辅电机逆变器m2负极及单向dc/dc直流变换器的uhigh负极连接，且单向dc/dc直流变换器的ulow负极和主电机逆变器m1负极与电池组bat的负极连接；控制单元包括控制器、第一电压采集电路、第一电流采集电路、第二电压采集电路、第三电压采集电路、第二电流采集电路及第四电压采集电路，第一电压采集电路的输入端及第一电流采集电路的输入端与主电机逆变器m1的输入端相连接，第二电压采集电路的输入端与电池组bat相连接，第三电压采集电路的输入端及第二电流采集电路的输入端与辅电机逆变器m2的输入端相连接，第四电压采集电路的输入端与超级电容uc相连接，第一电压采集电路、第一电流采集电路、第二电压采集电路、第三电压采集电路、第二电流采集电路及电第四压采集电路的输出端均与控制器的输入端连接。

本发明进一步的改进在于，单向dc/dc直流变换器包括储能电感l1，一个mos管q1，以及一个二极管d2；储能电感l1一端与ulow正极连接，储能电感l1另一端与mos管q1的一端连接，mos管q1的另一端与ulow负极和uhigh负极连接，二极管d2的正极与储能电感l1另一端和mos管q1的一端连接，二极管d2负极与uhigh正极连接。

本发明进一步的改进在于，控制器包括功率补偿控制模块和模糊逻辑控制模块；功率补偿控制模块，用于超级电容uc的soc较低时，电池组bat在自身允许输出功率范围内对其进行功率补偿；

所述的模糊逻辑控制模块，通过采集电路得到主电机逆变器端电压值和电流值、辅电机逆变器端电压值和电流值、电池组bat和超级电容uc电压值，处理得到实际需求功率、电池组bat的soc和超级电容uc的soc，作为决策输入变量，依据电动汽车实际运行工况制定逻辑门限值控制策略，并运用模糊控制将逻辑门限中固定的规则参数进行模糊化。

本发明进一步的改进在于，该复合电源拓扑结构有七种工作模式，包括五种驱动工作模式和两种制动工作模式；其中，

五种驱动工作模式包括：电池组bat驱动主电机；电池组bat驱动主电机且给超级电容uc充电；电池组bat驱动主辅电机且给超级电容uc充电；电池组bat驱动主辅电机；电池组bat驱动主电机，超级电容uc驱动辅电机；

两种制动工作模式包括：超级电容uc回收主辅电机制动能量；电池组bat回收主电机制动能量，超级电容uc回收辅电机制动能量。

一种基于双电机电动汽车的复合电源拓扑结构的控制方法，该控制方法基于上述一种基于双电机电动汽车的复合电源拓扑结构，包括如下步骤：

第一步：分别通过第一电流采集电路、第一电压采集电路采集主电机逆变器m1端电压值和电流值；分别通过第二电流采集电路、第三电压采集电路采集辅电机逆变器m2端电压值和电流值；

第二步：分别通过第二电压采集电路、第四电压采集电路采集电池组bat电压和超级电容uc的电压；

第三步：将第一步中分别采集得到的主电机逆变器m1和辅电机逆变器m2电压值和电流值进行处理，得到电机在当前工况下的实际需求功率；将第二步中采集到的电池组bat电压和超级电容uc电压进行处理，转变为对应的soc信号；

第四步：根据电池组bat允许输出功率范围和第三步中得到的超级电容uc实际soc范围，制定功率补偿控制策略；

第五步：将第三步中计算得到的电机实际需求功率preq、电池组bat的soc和超级电容uc的soc作为输入信号，输入到模糊逻辑控制模块，结合第四步中的功率补偿控制策略，制定参数模糊化的模糊逻辑控制策略，针对电动汽车不同的实际工况选择不同的工作模式。

本发明进一步的改进在于，第四步中，具体的功率补偿控制策略为：当0.5>socuc和socbat>0.5时，采用电池组最大功率补偿控制对超级电容进行功率补偿，此时电池组输出功率为当时，采用恒功率控制或功率补偿控制对超级电容进行功率补偿，恒功率控制时电池组输出功率为功率补偿控制时电池组输出功率为

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种基于双电机电动汽车的复合电源拓扑结构，通过“主电源配主电机，辅电源配辅电机”，节约电池成本的同时，全面提高整车的系统效率，从而降低成本；采用小规格的单向dc/dc结构和两个开关的通断，降低成本，减小dc/dc上的能量损耗，提高效率；采用二极管限制过大的能量直接回流到电池，导致电池寿命下降，并优先让超级电容回收能量，发挥大功率快速回收的优势。

本发明提供的一种基于双电机电动汽车的复合电源拓扑结构的控制方法，是一种模糊逻辑的复合电源双电机控制方法，根据需求功率、电池组soc和超级电容soc制定逻辑门限控制策略，为了进一步细化控制规则，达到更好的控制效果；保证系统正常工作和部件安全，达到优化系统性能的目的，为复合电源系统和电动汽车的进一步发展提供技术铺垫。具体的优点为：

综上所述，本发明结合了双电机与双电源的优势，进行了优势增强，通过整合双电源和双电机，在一些控制策略上进行了统一，同等总功率输出下，双电机上相对于单电机，体积和体重都减少；同时，相对于单电源，具有削峰填谷，延长寿命优势，延长了续驶里程，提高了功率；充分发挥超级电容和锂电池的优势，实现了8种工作模式，进行优势互补，提高整车动力性和经济性，延长电池寿命。

附图说明

图1为控制方法实现的硬件电路结构原理图；

图2为单向dc/dc电路结构图；

图3为电池组驱动主电机工作模式示意图；

图4为电池组驱动主电机且给超级电容充电工作模式示意图；

图5为电池组驱动主辅电机且给超级电容充电工作模式示意图；

图6为电池组驱动主辅电机工作模式示意图；

图7为电池组驱动主电机，超级电容驱动辅电机工作模式示意图；

图8为超级电容回收主辅电机制动能量工作模式示意图；

图9为电池组回收主电机制动能量，超级电容回收辅电机制动能量工作模式示意图；

图10为模糊逻辑和功率补偿控制结构框图；

图11为参数模糊化的模糊逻辑控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细阐述，但本发明不限于该实施例。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选施例中详细说明具体的细节。

参见图1和图2，是本发明的双电机的复合电源能量控制方法得以实现的电路原理结构图。本发明提供的一种基于双电机电动汽车的复合电源拓扑结构，包括主电机逆变器m1、控制开关s1、电池组bat、超级电容uc、功率二极管d1、单向dc/dc直流变换器、辅电机逆变器m2和控制单元；所述电池组bat的正极及主电机逆变器m1正极均与控制开关s1及功率二极管d1正极连接，功率二极管d1负极与单向dc/dc直流变换器的ulow正极连接，且单向dc/dc直流变换器的uhigh正极与超级电容uc正极连接，超级电容uc正极与辅电机逆变器m2正极，超级电容uc负极与辅电机逆变器m2负极及单向dc/dc直流变换器的uhigh负极连接，且单向dc/dc直流变换器的ulow负极和主电机逆变器m1负极与电池组bat负极连接。

所述的单向dc/dc直流变换器包括储能电感l1，一个mos管q1，以及一个二极管d2；储能电感l1一端与ulow正极连接，储能电感l1另一端与mos管q1的一端连接，mos管q1的另一端与ulow负极和uhigh负极连接，二极管d2的正极与储能电感l1另一端和mos管q1的一端连接，二极管d2负极与uhigh正极连接。

所述控制单元包括控制器1、第一电压采集电路2、第一电流采集电路3、第二电压采集电路4、第三电压采集电路5、第二电流采集电路6及第四电压采集电路7，所述第一电压采集电路2的输入端及第一电流采集电路3的输入端与主电机逆变器m1的输入端相连接，第二电压采集电路4的输入端与电池组bat相连接，第三电压采集电路5的输入端及第二电流采集电路6的输入端与辅电机逆变器m2的输入端相连接，第四电压采集电路7的输入端与超级电容uc相连接，第一电压采集电路2、第一电流采集电路3、第二电压采集电路4、第三电压采集电路5、第二电流采集电路6及电第四压采集电路7的输出端均与控制器1的输入端连接。

其中，电池组bat电压低于超级电容uc电压，电池组bat和超级电容uc都是由小单体串并联组成，功率二极管d1保证电池组bat不直接回收能量。通过控制升压直流变换器dc-dc和切换开关s1，可以实现五种驱动工作模式(电池组bat驱动主电机；电池组bat驱动主电机且给超级电容uc充电；电池组bat驱动主辅电机且给超级电容uc充电；电池组bat驱动主辅电机；电池组bat驱动主电机，超级电容uc驱动辅电机)，和两种制动模式(超级电容uc回收主辅电机制动能量；电池组bat回收主电机制动能量，超级电容uc回收辅电机制动能量)。

参见例图3-图8，双电机复合电源的七种不同工作模式示意图，包括以下工作模式：

1)电池组驱动主电机工作模式：锂电池模块提供主电机输出功率；该模式用于低速行驶的城市道路工况，超级电容能量充足；

2)电池组驱动主电机且给超级电容充电工作模式：超级电容内能量很小，端电压下降较多，限制了超级电容大电流充放，所以锂离子电池模块提供主电机输出功率以及向超级电容恒流充电；该模式用于低速行驶的城市道路工况，超级电容能量极少；

3)电池组驱动主辅电机且给超级电容充电工作模式：超级电容内能量很小，端电压下降较多，限制了超级电容大电流充放，所以锂离子电池模块提供主电机和辅电机输出功率以及向超级电容恒流充电；该模式用于城市道路工况高速或急加速上坡等行驶工况，超级电容能量极少；

4)电池组驱动主辅电机工作模式：超级电容内能量较低，端电压较低，产生最大功率的能力较弱，而需求功率较大，所以锂离子电池提供主电机和辅电机能量功率，辅电机补偿功率；该模式用于急加速，越野，或爬坡等行驶工况，超级电容能量不足；

5)电池组驱动主电机，超级电容驱动辅电机工作模式：超级电容内的容量较大，放电能力强，产生最大功率能力较高，而需求功率一般，锂离子电池提供主电机(或辅电机)功率，超级电容提供辅电机补偿峰值功率；该模式用于匀加速，缓坡等行驶工况，超级电容能量较足；

6)超级电容回收主辅电机制动能量工作模式：超级电容充电迅速且此时超级电容可回收容量大，因此采用超级电容完全回收主辅电机的制动能量；此模式用于减速下坡等行驶工况，且超级电容所存储容量一般；

7)电池组回收主电机制动能量，超级电容回收辅电机制动能量工作模式：超级电容容量比较饱和，主电机制动能量由锂离子电池回收，辅电机制动能量由超级电容回收；此模式用于下陡坡或急减速的行驶工况，且超级电容所存储容量较足。

参见图9，本发明提供的一种基于双电机电动汽车的复合电源拓扑结构的控制方法，包括以下步骤：

第一步：分别通过第一电流采集电路3、第一电压采集电路2采集主电机逆变器m1端电压值和电流值；分别通过第二电流采集电路4、第三电压采集电路5采集辅电机逆变器m2端电压值和电流值；

第二步：分别通过第二电压采集电路4、第四电压采集电路7采集电池组bat电压和超级电容uc的电压；

第三步：将第一步中分别采集得到的主电机逆变器m1和辅电机逆变器m2电压值和电流值进行处理，得到电机在当前工况下的实际需求功率preq；由于动力电池组电压和超级电容电压均与各自soc(荷电状态)存在函数关系，将第二步中采集到的电池组bat电压和超级电容uc电压进行处理，转变为对应的soc信号；

第四步：根据电池组bat允许输出功率范围和第三步中得到的超级电容uc实际soc范围，制定功率补偿控制策略；

具体的功率补偿控制策略为：当0.5>socuc和socbat>0.5时，采用电池组最大功率补偿控制对超级电容进行功率补偿，此时电池组输出功率为当时，采用恒功率控制或功率补偿控制对超级电容进行功率补偿，恒功率控制时电池组输出功率为功率补偿控制时电池组输出功率为

第五步：将步骤3中计算得到的工况下的电机实际需求功率preq和超级电容socuc作为输入信号，输入到模糊逻辑控制模块，结合第四步中的功率补偿控制策略，制定参数模糊化的模糊逻辑控制策略，针对电动汽车不同的实际路况选择最优工作模式，实现电池、超级电容、主电机，辅电机能量的优化分配和管理。

模糊逻辑控制模块的输入变量：

需求功率preq的论域为[-1,1],分为5档：正很大、正较大、正较小、负较大、负较小；

超级电容socuc的论域为[0,1]，分为4档：很大(0.85-0.95)，较大(0.5-0.85),小(0.25-0.5),很小(0-0.25)；

电池输出功率pbat论域为[-1,1],ts(极小),s(小),m(中等),b(大),s(小),b(大)。

参见图10和图11，具体的参数模糊化的模糊逻辑控制策略如下：

判断超级电容socuc大小和需求功率preq：

(1)放电状态(即preq>0)，复合电源的控制策略：

当socuc很小且preq正较小时，电池组驱动主电机且给超级电容充电模式，超级电容内能量很小，端电压下降较多，限制了超级电容大电流充放，所以锂离子电池模块提供主电机输出功率以及向超级电容恒流充电；该模式用于低速行驶的城市道路工况，超级电容能量极少；

当socuc很小且preq正较大时，电池组驱动主辅电机且给超级电容充电模式，超级电容内能量很小，端电压下降较多，限制了超级电容大电流充放，所以锂离子电池模块提供主电机和辅电机输出功率以及向超级电容恒流充电；该模式用于城市道路工况高速或急加速上坡等行驶工况，超级电容能量极少；

当socuc小且所需提供的功率正很大时，电池组驱动主辅电机模式，超级电容内能量较低，端电压较低，产生最大功率的能力较弱，而需求功率较大，所以锂离子电池提供主电机和辅电机能量功率，辅电机补偿功率；该模式用于急加速，越野，或爬坡等行驶工况，超级电容能量不足。否则，电池组驱动主电机且给超级电容充电模式；

当socuc较大且需求功率正较大时，电池组驱动主电机，超级电容驱动辅电机模式，超级电容内的容量较大，放电能力强，产生最大功率能力较高，而需求功率一般，锂离子电池提供主电机(或辅电机)功率，超级电容提供辅电机补偿峰值功率；该模式用于匀加速，缓坡等行驶工况，超级电容能量较足；否则，采用电池驱动主电机模式。

当socuc很大，preq正较小时，电池组驱动主电机模式，锂电池模块提供主电机输出功率；该模式用于低速行驶的城市道路工况，超级电容能量充足；

当socuc很大且需求功率正较大时，电池组驱动主电机，超级电容驱动辅电机模式，超级电容内的容量很大，放电能力很强，产生最大功率能力很高，锂离子电池提供主电机(或辅电机)功率，超级电容提供辅电机补偿峰值功率；此模式用于城市道路工况高速，加速，上坡等行驶工况，且超级电容能量充足。

(2)充电状态(即preq<0)，复合电源的控制策略：

当电机(复合电源)需求功率为负时，表示车辆正处于制动减速的过程，复合电源为充电模式。另外，超级电容器充电速度迅速，回收效率相对较高，因此优先考虑超级电容器。

当socuc较大甚至更低时，超级电容回收主辅电机制动能量模式，超级电容充电迅速且此时超级电容可回收容量大，因此采用超级电容完全回收主辅电机的制动能量；此模式用于减速下坡等行驶工况，且超级电容所存储容量一般。

当socuc很大时，电池组回收主电机制动能量，超级电容回收辅电机制动能量模式，超级电容容量比较饱和，主电机制动能量由锂离子电池回收，辅电机制动能量由超级电容回收；此模式用于下陡坡或急减速的行驶工况，且超级电容所存储容量较足。

本发明所产生的有益效果是：该结构结合了双电机与双电源的优势，进行了优势增强，通过整合双电源和双电机，在一些控制策略上进行了统一，同等总功率输出下，双电机上相对于单电机，体积和体重都减少；同时，相对于单电源，具有削峰填谷，延长寿命优势，延长了续驶里程，提高了功率。

以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明保护范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。