专利名称：基于混合储能的电动汽车能量管理系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种电动汽车能量管理系统，具体涉及一种基于混合储能的电动汽车能量管理系统及其方法。
背景技术：
随着全球汽车产量和保有量的不断增长，汽车给人类带来的问题也日益突出，如尾气排放、噪音污染、燃油消耗等。电动汽车具有零排放、低噪声、综合利用能源等特点，是一种既环保又节能的绿色交通工具，具有十分广阔的发展前景。然而电动汽车的能量存储能力有限、能量利用率较低、续航里程不足等问题，直接制约着电动汽车的发展。太阳能作为一种清洁环保的能源，受到人们的广泛关注。20多年来，太阳能发电技术得到了迅猛发展，并逐步应用于电动车上。太阳能电池板通过吸收太阳能为电动车提供能量，可以延长电动车的续航里程，同时太阳能可以为车载电池补充充电，有效延长车载电池的使用寿命。太阳能发电的关键技术之一是最大功率点跟踪，然而电动汽车在行驶过程中，太阳能电池板的光照不断变化，如遇到树阴、云雨、建筑物等，传统的最大功率点跟踪算法在光照快速变化时会出现错误扰动，不适用于电动车行驶时光照变化频繁的情况。其次，电动车在停止时，由于树阴、建筑物等的遮挡，太阳能电池板可能会出现部分遮蔽的情况，此时其内部特性发生变化，导致功率电压曲线出现多个局部峰值，传统的最大功率点跟踪算法只能跟踪到局部功率最大点，难以搜索到全局功率最大点，造成太阳能利用不充分。传统的电动汽车采用车载电池直接供电，然而电动汽车在不同运行工况下的负载电流具有不同的特性。如在爬坡或加速时，需要车载电池输出较大电流，而在下坡或减速时，很大的制动电流又回馈给车载电池。然而车载电池难以实现短时间大电流充放电，且充放电循环次数有限，直接使用车载电池供电的方式极大地缩短了电池的使用寿命，而且难以满足功率等级较高的负载需求，制约了电动车的上坡及加速性能。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种基于混合储能的电动汽车能量管理系统及其方法，克服了传统电动汽车能量来源不足，续航能力差，以及车载电池寿命短、运行性能不佳等缺点，采用太阳能、锂电池和超级电容混合储能的方式，不仅提高了能源利用率，增加了续航里程，还减缓了较大负载电流和制动电流对锂电池的冲击，延长了电池寿命，也提高了动力系统在短时间内的输出功率等级。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案—种基于混合储能的电动汽车能量管理系统，包括太阳能电池板1，所述的太阳能电池板1、升压变换器3、锂电池2以及带有控制模块的电机7依次两两电连接，双向DC/DC 变换器4的一端电连接入锂电池2以及带有控制模块的电机7之间，另一端和超级电容5相电连接，第一电压传感器101的感应部件和第一电流传感器102的感应部件接入太阳能电池板1和升压变换器3之间的电连接，第一驱动电路103的驱动部件电连接入升压变换器3的开关管，第二电压传感器104的感应部件接入升压变换器3和锂电池2之间的电连接， 第二电流传感器105的感应部件接入双向DC/DC变换器4和锂电池2的电连接，第二驱动电路106的驱动部件电连接入双向DC/DC变换器4的开关管，第三电压传感器107的感应部件和第三电流传感器108的感应部件接入双向DC/DC变换器4和超级电容5之间的电连接，第一电压传感器101的输出端、第一电流传感器102的输出端、第一驱动电路103的受控端、第二电压传感器104的输出端、第二电流传感器105的输出端、第二驱动电路106的受控端、第三电压传感器107的输出端和第三电流传感器108的输出端分别同控制器6的对应的控制端相连接。所述的基于混合储能的电动汽车能量管理系统的方法为，太阳能电池板1通过升压变换器3给锂电池2供电，控制器6根据太阳能电池板1的光照情况执行相应的最大功率点跟踪算法，若电动车处于行驶状态，按预定时间间隔循环执行最大功率点跟踪算法，此最大功率点跟踪算法为三点比较法，即控制器6通过第一电压传感器101的感应部件、第一电流传感器102的感应部件以及第二电压传感器104的感应部件依次采样三点功率并进行比较，使电压向功率最大点扰动，若连续10次电压不扰动，则追踪到了最大功率点；若电动车处于停止状态，根据第一电压传感器101的感应部件所采样的太阳能电池板1输出电压判断太阳能电池板1是否有被遮蔽的地方，若太阳能电池板1没有被遮蔽的地方，则采用爬山法来跟踪最大功率点，即控制器6通过第一驱动电路103最终控制升压变换器3增加太阳能电池板1的输出电压，若其输出功率增加，则让输出电压继续增加，直到找到最大功率点，若太阳能电池板1有被遮蔽的地方，采用的最大功率点跟踪算法为改进禁忌搜索算法， 即通过引入存储结构和相应的禁忌准则来避免重复搜索，并通过集中搜索和多样化搜索机制搜索到功率最大点；与此同时控制器6启动第二电流传感器105的感应部件、第三电压传感器107的感应部件和第三电流传感器108的感应部件采样锂电池2的输出电流、负载电流及超级电容5的端电压来判断电动车的运行工况，根据运行工况下的电气特性，采用相应的控制算法，以实现能量的正确流动，从而达到锂电池2和超级电容5的协调充放电管理，具体为当电动车下坡或制动时，超级电容5吸收制动回馈的能量，超级电容5处在充电模式，此时控制器6使用双闭环PI控制，双闭环PI的内环是电流环，双闭环PI的外环是电压环，当超级电容5的端电压远小于预设的额定值时，外环的PI调节器饱和，整体控制表现为电流内环的作用，此时超级电容5将进行大电流充电；当超级电容5的端电压接近于额定值时，电压外环起主导作用，超级电容的电压会很快稳定在额定值，当电动车爬坡或加速时，控制器6通过双向DC/DC变换器4将超级电容5由充电模式转为放电模式，同样采用PI 控制使锂电池2输出的最大电流稳定在额定值，并调节超级电容5的输出能量，以补足负载所需电流。所述的改进禁忌搜索算法的步骤如下步骤1 首先控制器启动采用带有预设的禁忌表的爬山算法对第一电压传感器 101的感应部件以及第二电压传感器104的感应部件依次采样得到的电压进行局部搜索， 如果搜索的电压落入禁忌表，则停止局部搜索，否则一直搜索直到用爬山法搜索到局部最优值，更新禁忌表及全局最优值；步骤2 然后控制器启动多样化搜索，以所述的局部最优值为起始点，循环以预设的大步长L在全局范围内寻优并更新全局最优值；
步骤3 若全局最优值没有得到更新，控制器将预设的大步长L设置为原先的大步长L的2/3，重新返回步骤1和步骤2顺序执行，若得到的全局最优值没有得到更新，转到步骤4执行；步骤4 控制器启动集中搜索，即以目前搜索到的全局最优值为初始点，以预设的小步长进行爬山法搜索，得到最终的实时最大功率点。步骤5 以最终的实时最大功率点电压执行恒定电压法的最大功率点跟踪算法；步骤6 考虑到温度对最大功率点的影响，按预定的时间间隔循环返回步骤1重新进行搜索得到实时最大功率点电压。本发明通过太阳能电池板1、升压变换器3、锂电池2以及带有控制模块的电机7 依次两两电连接，另外接入双向DC/DC变换器4和超级电容5，加上控制器6控制的第一电压传感器101、第一电流传感器102、第一驱动电路103、第二电压传感器104、第二电流传感器105、第二驱动电路106、第三电压传感器107、第三电流传感器108的接入，并通过改进后的最大功率点跟踪算法找到全局功率最大点，通过控制双向DC/DC变换器4，可以使超级电容5瞬间输出大功率，以满足负载的大功率需求，提高电动车的上坡和加速性能，超级电容 5还可以吸收再生制动回馈的能量，提高了电动车的能源利用率；通过超级电容5瞬间输出和吸收大电流，使得储能电池2充放电电流较为稳定，免受负载电流的冲击，延长了储能电池的寿命。
附图是本发明的基于混合储能的电动汽车能量管理系统的工作原理结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对发明作更详细的说明。如附图所示，基于混合储能的电动汽车能量管理系统，包括太阳能电池板1，所述的太阳能电池板1、升压变换器3、锂电池2以及带有控制模块的电机7依次两两电连接，双向DC/DC变换器4的一端电连接入锂电池2以及带有控制模块的电机7之间，另一端和超级电容5相电连接，第一电压传感器101的感应部件和第一电流传感器102的感应部件接入太阳能电池板1和升压变换器3之间的电连接，第一驱动电路103的驱动部件电连接入升压变换器3的开关管，第二电压传感器104的感应部件接入升压变换器3和锂电池2之间的电连接，第二电流传感器105的感应部件接入双向DC/DC变换器4和锂电池2的电连接，第二驱动电路106的驱动部件电连接入双向DC/DC变换器4的开关管，第三电压传感器 107的感应部件和第三电流传感器108的感应部件接入双向DC/DC变换器4和超级电容5 之间的电连接，第一电压传感器101的输出端、第一电流传感器102的输出端、第一驱动电路103的受控端、第二电压传感器104的输出端、第二电流传感器105的输出端、第二驱动电路106的受控端、第三电压传感器107的输出端和第三电流传感器108的输出端分别同控制器6的对应的控制端相连接。所述的基于混合储能的电动汽车能量管理系统的方法为，太阳能电池板1通过升压变换器3给锂电池2供电，控制器6根据太阳能电池板1的光照情况执行相应的最大功率点跟踪算法，若电动车处于行驶状态，按预定时间间隔循环执行最大功率点跟踪算法，此最大功率点跟踪算法为三点比较法，即控制器6通过第一电压传感器101的感应部件、第一电流传感器102的感应部件以及第二电压传感器104的感应部件依次采样三点功率并进行比较，使电压向功率最大点扰动，若连续10次电压不扰动，则追踪到了最大功率点；若电动车处于停止状态，根据第一电压传感器101的感应部件所采样的太阳能电池板1输出电压判断太阳能电池板1是否有被遮蔽的地方，若太阳能电池板1没有被遮蔽的地方，则采用爬山法来跟踪最大功率点，即控制器6通过第一驱动电路103最终控制升压变换器3增加太阳能电池板1的输出电压，若其输出功率增加，则让输出电压继续增加，直到找到最大功率点，若太阳能电池板1有被遮蔽的地方，采用的最大功率点跟踪算法为改进禁忌搜索算法， 即通过引入存储结构和相应的禁忌准则来避免重复搜索，并通过集中搜索和多样化搜索机制搜索到功率最大点；与此同时控制器6启动第二电流传感器105的感应部件、第三电压传感器107的感应部件和第三电流传感器108的感应部件采样锂电池2的输出电流、负载电流及超级电容5的端电压来判断电动车的运行工况，根据运行工况下的电气特性，采用相应的控制算法，以实现能量的正确流动，从而达到锂电池2和超级电容5的协调充放电管理，具体为当电动车下坡或制动时，超级电容5吸收制动回馈的能量，超级电容5处在充电模式，此时控制器6使用双闭环PI控制，双闭环PI的内环是电流环，双闭环PI的外环是电压环，当超级电容5的端电压远小于预设的额定值时，外环的PI调节器饱和，整体控制表现为电流内环的作用，此时超级电容5将进行大电流充电；当超级电容5的端电压接近于额定值时，电压外环起主导作用，超级电容的电压会很快稳定在额定值，当电动车爬坡或加速时，控制器6通过双向DC/DC变换器4将超级电容5由充电模式转为放电模式，同样采用PI 控制使锂电池2输出的最大电流稳定在额定值，并调节超级电容5的输出能量，以补足负载所需电流。所述的改进禁忌搜索算法的步骤如下步骤1 首先控制器启动采用带有预设的禁忌表的爬山算法对第一电压传感器 101的感应部件以及第二电压传感器104的感应部件依次采样得到的电压进行局部搜索， 如果搜索的电压落入禁忌表，则停止局部搜索，否则一直搜索直到用爬山法搜索到局部最优值，更新禁忌表及全局最优值；步骤2 然后控制器启动多样化搜索，以所述的局部最优值为起始点，循环以预设的大步长L在全局范围内寻优并更新全局最优值；步骤3 若全局最优值没有得到更新，控制器将预设的大步长L设置为原先的大步长L的2/3，重新返回步骤1和步骤2顺序执行，若得到的全局最优值没有得到更新，转到步骤4执行；步骤4 控制器启动集中搜索，即以目前搜索到的全局最优值为初始点，以预设的小步长进行爬山法搜索，得到最终的实时最大功率点。步骤5 以最终的实时最大功率点电压执行恒定电压法的最大功率点跟踪算法；步骤6 考虑到温度对最大功率点的影响，按预定的时间间隔循环返回步骤1重新进行搜索得到实时最大功率点电压。
权利要求
1.一种基于混合储能的电动汽车能量管理系统，包括太阳能电池板(1)，其特征在于 所述的太阳能电池板(1)、升压变换器(3)、锂电池⑵以及带有控制模块的电机(7)依次两两电连接，双向DC/DC变换器(4)的一端电连接入锂电池O)以及带有控制模块的电机 (7)之间，另一端和超级电容( 相电连接，第一电压传感器(101)的感应部件和第一电流传感器(102)的感应部件接入太阳能电池板(1)和升压变换器C3)之间的电连接，第一驱动电路(10 的驱动部件电连接入升压变换器(3)，第二电压传感器(104)的感应部件接入升压变换器C3)和锂电池( 之间的电连接，第二电流传感器(105)的感应部件接入双向 DC/DC变换器(4)和锂电池O)的电连接，第二驱动电路(106)的驱动部件电连接入双向 DC/DC变换器G)，第三电压传感器(107)的感应部件和第三电流传感器(108)的感应部件接入双向DC/DC变换器(4)和超级电容(5)之间的电连接，第一电压传感器(101)的输出端、第一电流传感器(10 的输出端、第一驱动电路(10 的受控端、第二电压传感器(104) 的输出端、第二电流传感器(10 的输出端、第二驱动电路(106)的受控端、第三电压传感器(107)的输出端和第三电流传感器(108)的输出端分别同控制器(6)的对应的控制端相连接。
2.根据权利要求中所述的基于混合储能的电动汽车能量管理系统的方法，其特征为， 太阳能电池板⑴通过升压变换器⑶给锂电池(2)供电，控制器(6)根据太阳能电池板 (1)不同的光照情况执行相应的最大功率点跟踪算法，若电动车处于行驶状态，按预定时间间隔循环执行最大功率点跟踪算法，此最大功率点跟踪算法为三点比较法，即控制器(6) 通过第一电压传感器(101)的感应部件、第一电流传感器(10 的感应部件以及第二电压传感器(104)的感应部件依次采样三点功率并进行比较，使电压向功率最大点扰动，若连续10次电压不扰动，则追踪到了最大功率点；若电动车处于停止状态，根据第一电压传感器(101)的感应部件所采样的太阳能电池板(1)输出电压判断太阳能电池板(1)是否有被遮蔽的地方，若太阳能电池板(1)没有被遮蔽的地方，则采用爬山法来跟踪最大功率点，即控制器(6)通过第一驱动电路(103)最终控制升压变换器(3)增加太阳能电池板⑴的输出电压，若其输出功率增加，则让输出电压继续增加，直到找到最大功率点，若太阳能电池板(1)有被遮蔽的地方，采用的最大功率点跟踪算法为改进禁忌搜索算法，即通过引入存储结构和相应的禁忌准则来避免重复搜索，并通过集中搜索和多样化搜索机制搜索到功率最大点；与此同时控制器(6)启动第二电流传感器(10 的感应部件、第三电压传感器 (107)的感应部件和第三电流传感器(108)的感应部件采样锂电池( 的输出电流、负载电流及超级电容(5)的端电压来判断电动车的运行工况，根据运行工况下的电气特性，采用相应的控制算法，以实现能量的正确流动，从而达到锂电池( 和超级电容( 的协调充放电管理，具体为当电动车下坡或制动时，超级电容(5)吸收制动回馈的能量，超级电容(5) 处在充电模式，此时控制器(6)使用双闭环PI控制，双闭环PI的内环是电流环，双闭环PI 的外环是电压环，当超级电容( 的端电压远小于预设的额定值时，外环的PI调节器饱和， 整体控制表现为电流内环的作用，此时超级电容( 将进行大电流充电；当超级电容(5)的端电压接近于额定值时，电压外环起主导作用，超级电容的电压会很快稳定在额定值，当电动车爬坡或加速时，控制器(6)通过双向DC/DC变换器(4)将超级电容(5)由充电模式转为放电模式，同样采用PI控制使锂电池( 输出的最大电流稳定在额定值，并调节超级电容(5)的输出能量，以补足负载所需电流。
3.根据权利要求2所述的改进禁忌搜索算法，其特征在于，步骤如下 步骤1 首先控制器启动采用带有预设的禁忌表的爬山算法对第一电压传感器(101) 的感应部件以及第二电压传感器(104)的感应部件依次采样得到的电压进行局部搜索，进行如果搜索的电压落入禁忌表，则停止局部搜索，否则一直搜索直到用爬山法搜索到局部最优值，更新禁忌表及全局最优值；步骤2 然后控制器启动多样化搜索，以所述的局部最优值为起始点，循环以预设的大步长L在全局范围内寻优并更新全局最优值；步骤3 若全局最优值没有得到更新，控制器将预设的大步长L设置为原先的大步长L 的2/3，重新返回步骤1和步骤2顺序执行，若得到的全局最优值没有得到更新，转到步骤4 执行；步骤4 控制器启动集中搜索，即以目前搜索到的全局最优值为初始点，以预设的小步长进行爬山法搜索，得到最终的实时最大功率点。步骤5 以最终的实时最大功率点电压执行恒定电压法的最大功率点跟踪算法； 步骤6 考虑到温度对最大功率点的影响，按预定的时间间隔循环返回步骤1重新进行搜索得到实时最大功率点电压。
全文摘要
一种基于混合储能的电动汽车能量管理系统及其方法，即基于太阳能、锂电池和超级电容混合储能的电动汽车能量管理系统及其方法，太阳能电池板、升压变换器、锂电池及轮毂电机依次两两电连接，另外超级电容串联双向DC/DC变换器后接入锂电池，根据太阳能电池板所处光照条件(电动车行驶时光照快速变化、电动车静止时光照均匀或部分遮蔽)运行相应的最大功率点跟踪算法，以使太阳能电池始终输出最大功率，通过控制双向DC/DC变换器，可以使超级电容瞬间输出大电流，以满足负载的大功率需求，提高电动车的上坡和加速性能，超级电容还可以吸收再生制动回馈的能量，提高了电动车的能源利用率；通过超级电容瞬间输出和吸收大电流，使得储能电池充放电电流较为稳定，免受负载电流的冲击，延长了储能电池的寿命。
文档编号G06F19/00GK102255355SQ20111017594
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者孙尧, 孙志勇, 晏宇, 熊连松, 郑伊飞, 马路遥 申请人:西安交通大学