專利名稱：基于混合儲能的電動汽車能量管理系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動汽車能量管理系統(tǒng)，具體涉及一種基于混合儲能的電動汽車能量管理系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
隨著全球汽車產(chǎn)量和保有量的不斷增長，汽車給人類帶來的問題也日益突出，如尾氣排放、噪音污染、燃油消耗等。電動汽車具有零排放、低噪聲、綜合利用能源等特點，是一種既環(huán)保又節(jié)能的綠色交通工具，具有十分廣闊的發(fā)展前景。然而電動汽車的能量存儲能力有限、能量利用率較低、續(xù)航里程不足等問題，直接制約著電動汽車的發(fā)展。太陽能作為一種清潔環(huán)保的能源，受到人們的廣泛關(guān)注。20多年來，太陽能發(fā)電技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，并逐步應(yīng)用于電動車上。太陽能電池板通過吸收太陽能為電動車提供能量，可以延長電動車的續(xù)航里程，同時太陽能可以為車載電池補充充電，有效延長車載電池的使用壽命。太陽能發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一是最大功率點跟蹤，然而電動汽車在行駛過程中，太陽能電池板的光照不斷變化，如遇到樹陰、云雨、建筑物等，傳統(tǒng)的最大功率點跟蹤算法在光照快速變化時會出現(xiàn)錯誤擾動，不適用于電動車行駛時光照變化頻繁的情況。其次，電動車在停止時，由于樹陰、建筑物等的遮擋，太陽能電池板可能會出現(xiàn)部分遮蔽的情況，此時其內(nèi)部特性發(fā)生變化，導(dǎo)致功率電壓曲線出現(xiàn)多個局部峰值，傳統(tǒng)的最大功率點跟蹤算法只能跟蹤到局部功率最大點，難以搜索到全局功率最大點，造成太陽能利用不充分。傳統(tǒng)的電動汽車采用車載電池直接供電，然而電動汽車在不同運行工況下的負(fù)載電流具有不同的特性。如在爬坡或加速時，需要車載電池輸出較大電流，而在下坡或減速時，很大的制動電流又回饋給車載電池。然而車載電池難以實現(xiàn)短時間大電流充放電，且充放電循環(huán)次數(shù)有限，直接使用車載電池供電的方式極大地縮短了電池的使用壽命，而且難以滿足功率等級較高的負(fù)載需求，制約了電動車的上坡及加速性能。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于混合儲能的電動汽車能量管理系統(tǒng)及其方法，克服了傳統(tǒng)電動汽車能量來源不足，續(xù)航能力差，以及車載電池壽命短、運行性能不佳等缺點，采用太陽能、鋰電池和超級電容混合儲能的方式，不僅提高了能源利用率，增加了續(xù)航里程，還減緩了較大負(fù)載電流和制動電流對鋰電池的沖擊，延長了電池壽命，也提高了動力系統(tǒng)在短時間內(nèi)的輸出功率等級。為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案—種基于混合儲能的電動汽車能量管理系統(tǒng)，包括太陽能電池板1，所述的太陽能電池板1、升壓變換器3、鋰電池2以及帶有控制模塊的電機7依次兩兩電連接，雙向DC/DC 變換器4的一端電連接入鋰電池2以及帶有控制模塊的電機7之間，另一端和超級電容5相電連接，第一電壓傳感器101的感應(yīng)部件和第一電流傳感器102的感應(yīng)部件接入太陽能電池板1和升壓變換器3之間的電連接，第一驅(qū)動電路103的驅(qū)動部件電連接入升壓變換器3的開關(guān)管，第二電壓傳感器104的感應(yīng)部件接入升壓變換器3和鋰電池2之間的電連接， 第二電流傳感器105的感應(yīng)部件接入雙向DC/DC變換器4和鋰電池2的電連接，第二驅(qū)動電路106的驅(qū)動部件電連接入雙向DC/DC變換器4的開關(guān)管，第三電壓傳感器107的感應(yīng)部件和第三電流傳感器108的感應(yīng)部件接入雙向DC/DC變換器4和超級電容5之間的電連接，第一電壓傳感器101的輸出端、第一電流傳感器102的輸出端、第一驅(qū)動電路103的受控端、第二電壓傳感器104的輸出端、第二電流傳感器105的輸出端、第二驅(qū)動電路106的受控端、第三電壓傳感器107的輸出端和第三電流傳感器108的輸出端分別同控制器6的對應(yīng)的控制端相連接。所述的基于混合儲能的電動汽車能量管理系統(tǒng)的方法為，太陽能電池板1通過升壓變換器3給鋰電池2供電，控制器6根據(jù)太陽能電池板1的光照情況執(zhí)行相應(yīng)的最大功率點跟蹤算法，若電動車處于行駛狀態(tài)，按預(yù)定時間間隔循環(huán)執(zhí)行最大功率點跟蹤算法，此最大功率點跟蹤算法為三點比較法，即控制器6通過第一電壓傳感器101的感應(yīng)部件、第一電流傳感器102的感應(yīng)部件以及第二電壓傳感器104的感應(yīng)部件依次采樣三點功率并進行比較，使電壓向功率最大點擾動，若連續(xù)10次電壓不擾動，則追蹤到了最大功率點；若電動車處于停止?fàn)顟B(tài)，根據(jù)第一電壓傳感器101的感應(yīng)部件所采樣的太陽能電池板1輸出電壓判斷太陽能電池板1是否有被遮蔽的地方，若太陽能電池板1沒有被遮蔽的地方，則采用爬山法來跟蹤最大功率點，即控制器6通過第一驅(qū)動電路103最終控制升壓變換器3增加太陽能電池板1的輸出電壓，若其輸出功率增加，則讓輸出電壓繼續(xù)增加，直到找到最大功率點，若太陽能電池板1有被遮蔽的地方，采用的最大功率點跟蹤算法為改進禁忌搜索算法， 即通過引入存儲結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的禁忌準(zhǔn)則來避免重復(fù)搜索，并通過集中搜索和多樣化搜索機制搜索到功率最大點；與此同時控制器6啟動第二電流傳感器105的感應(yīng)部件、第三電壓傳感器107的感應(yīng)部件和第三電流傳感器108的感應(yīng)部件采樣鋰電池2的輸出電流、負(fù)載電流及超級電容5的端電壓來判斷電動車的運行工況，根據(jù)運行工況下的電氣特性，采用相應(yīng)的控制算法，以實現(xiàn)能量的正確流動，從而達到鋰電池2和超級電容5的協(xié)調(diào)充放電管理，具體為當(dāng)電動車下坡或制動時，超級電容5吸收制動回饋的能量，超級電容5處在充電模式，此時控制器6使用雙閉環(huán)PI控制，雙閉環(huán)PI的內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，雙閉環(huán)PI的外環(huán)是電壓環(huán)，當(dāng)超級電容5的端電壓遠小于預(yù)設(shè)的額定值時，外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器飽和，整體控制表現(xiàn)為電流內(nèi)環(huán)的作用，此時超級電容5將進行大電流充電；當(dāng)超級電容5的端電壓接近于額定值時，電壓外環(huán)起主導(dǎo)作用，超級電容的電壓會很快穩(wěn)定在額定值，當(dāng)電動車爬坡或加速時，控制器6通過雙向DC/DC變換器4將超級電容5由充電模式轉(zhuǎn)為放電模式，同樣采用PI 控制使鋰電池2輸出的最大電流穩(wěn)定在額定值，并調(diào)節(jié)超級電容5的輸出能量，以補足負(fù)載所需電流。所述的改進禁忌搜索算法的步驟如下步驟1 首先控制器啟動采用帶有預(yù)設(shè)的禁忌表的爬山算法對第一電壓傳感器 101的感應(yīng)部件以及第二電壓傳感器104的感應(yīng)部件依次采樣得到的電壓進行局部搜索， 如果搜索的電壓落入禁忌表，則停止局部搜索，否則一直搜索直到用爬山法搜索到局部最優(yōu)值，更新禁忌表及全局最優(yōu)值；步驟2 然后控制器啟動多樣化搜索，以所述的局部最優(yōu)值為起始點，循環(huán)以預(yù)設(shè)的大步長L在全局范圍內(nèi)尋優(yōu)并更新全局最優(yōu)值；
步驟3 若全局最優(yōu)值沒有得到更新，控制器將預(yù)設(shè)的大步長L設(shè)置為原先的大步長L的2/3，重新返回步驟1和步驟2順序執(zhí)行，若得到的全局最優(yōu)值沒有得到更新，轉(zhuǎn)到步驟4執(zhí)行；步驟4 控制器啟動集中搜索，即以目前搜索到的全局最優(yōu)值為初始點，以預(yù)設(shè)的小步長進行爬山法搜索，得到最終的實時最大功率點。步驟5 以最終的實時最大功率點電壓執(zhí)行恒定電壓法的最大功率點跟蹤算法；步驟6 考慮到溫度對最大功率點的影響，按預(yù)定的時間間隔循環(huán)返回步驟1重新進行搜索得到實時最大功率點電壓。本發(fā)明通過太陽能電池板1、升壓變換器3、鋰電池2以及帶有控制模塊的電機7 依次兩兩電連接，另外接入雙向DC/DC變換器4和超級電容5，加上控制器6控制的第一電壓傳感器101、第一電流傳感器102、第一驅(qū)動電路103、第二電壓傳感器104、第二電流傳感器105、第二驅(qū)動電路106、第三電壓傳感器107、第三電流傳感器108的接入，并通過改進后的最大功率點跟蹤算法找到全局功率最大點，通過控制雙向DC/DC變換器4，可以使超級電容5瞬間輸出大功率，以滿足負(fù)載的大功率需求，提高電動車的上坡和加速性能，超級電容 5還可以吸收再生制動回饋的能量，提高了電動車的能源利用率；通過超級電容5瞬間輸出和吸收大電流，使得儲能電池2充放電電流較為穩(wěn)定，免受負(fù)載電流的沖擊，延長了儲能電池的壽命。


附圖是本發(fā)明的基于混合儲能的電動汽車能量管理系統(tǒng)的工作原理結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對發(fā)明作更詳細(xì)的說明。如附圖所示，基于混合儲能的電動汽車能量管理系統(tǒng)，包括太陽能電池板1，所述的太陽能電池板1、升壓變換器3、鋰電池2以及帶有控制模塊的電機7依次兩兩電連接，雙向DC/DC變換器4的一端電連接入鋰電池2以及帶有控制模塊的電機7之間，另一端和超級電容5相電連接，第一電壓傳感器101的感應(yīng)部件和第一電流傳感器102的感應(yīng)部件接入太陽能電池板1和升壓變換器3之間的電連接，第一驅(qū)動電路103的驅(qū)動部件電連接入升壓變換器3的開關(guān)管，第二電壓傳感器104的感應(yīng)部件接入升壓變換器3和鋰電池2之間的電連接，第二電流傳感器105的感應(yīng)部件接入雙向DC/DC變換器4和鋰電池2的電連接，第二驅(qū)動電路106的驅(qū)動部件電連接入雙向DC/DC變換器4的開關(guān)管，第三電壓傳感器 107的感應(yīng)部件和第三電流傳感器108的感應(yīng)部件接入雙向DC/DC變換器4和超級電容5 之間的電連接，第一電壓傳感器101的輸出端、第一電流傳感器102的輸出端、第一驅(qū)動電路103的受控端、第二電壓傳感器104的輸出端、第二電流傳感器105的輸出端、第二驅(qū)動電路106的受控端、第三電壓傳感器107的輸出端和第三電流傳感器108的輸出端分別同控制器6的對應(yīng)的控制端相連接。所述的基于混合儲能的電動汽車能量管理系統(tǒng)的方法為，太陽能電池板1通過升壓變換器3給鋰電池2供電，控制器6根據(jù)太陽能電池板1的光照情況執(zhí)行相應(yīng)的最大功率點跟蹤算法，若電動車處于行駛狀態(tài)，按預(yù)定時間間隔循環(huán)執(zhí)行最大功率點跟蹤算法，此最大功率點跟蹤算法為三點比較法，即控制器6通過第一電壓傳感器101的感應(yīng)部件、第一電流傳感器102的感應(yīng)部件以及第二電壓傳感器104的感應(yīng)部件依次采樣三點功率并進行比較，使電壓向功率最大點擾動，若連續(xù)10次電壓不擾動，則追蹤到了最大功率點；若電動車處于停止?fàn)顟B(tài)，根據(jù)第一電壓傳感器101的感應(yīng)部件所采樣的太陽能電池板1輸出電壓判斷太陽能電池板1是否有被遮蔽的地方，若太陽能電池板1沒有被遮蔽的地方，則采用爬山法來跟蹤最大功率點，即控制器6通過第一驅(qū)動電路103最終控制升壓變換器3增加太陽能電池板1的輸出電壓，若其輸出功率增加，則讓輸出電壓繼續(xù)增加，直到找到最大功率點，若太陽能電池板1有被遮蔽的地方，采用的最大功率點跟蹤算法為改進禁忌搜索算法， 即通過引入存儲結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的禁忌準(zhǔn)則來避免重復(fù)搜索，并通過集中搜索和多樣化搜索機制搜索到功率最大點；與此同時控制器6啟動第二電流傳感器105的感應(yīng)部件、第三電壓傳感器107的感應(yīng)部件和第三電流傳感器108的感應(yīng)部件采樣鋰電池2的輸出電流、負(fù)載電流及超級電容5的端電壓來判斷電動車的運行工況，根據(jù)運行工況下的電氣特性，采用相應(yīng)的控制算法，以實現(xiàn)能量的正確流動，從而達到鋰電池2和超級電容5的協(xié)調(diào)充放電管理，具體為當(dāng)電動車下坡或制動時，超級電容5吸收制動回饋的能量，超級電容5處在充電模式，此時控制器6使用雙閉環(huán)PI控制，雙閉環(huán)PI的內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，雙閉環(huán)PI的外環(huán)是電壓環(huán)，當(dāng)超級電容5的端電壓遠小于預(yù)設(shè)的額定值時，外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器飽和，整體控制表現(xiàn)為電流內(nèi)環(huán)的作用，此時超級電容5將進行大電流充電；當(dāng)超級電容5的端電壓接近于額定值時，電壓外環(huán)起主導(dǎo)作用，超級電容的電壓會很快穩(wěn)定在額定值，當(dāng)電動車爬坡或加速時，控制器6通過雙向DC/DC變換器4將超級電容5由充電模式轉(zhuǎn)為放電模式，同樣采用PI 控制使鋰電池2輸出的最大電流穩(wěn)定在額定值，并調(diào)節(jié)超級電容5的輸出能量，以補足負(fù)載所需電流。所述的改進禁忌搜索算法的步驟如下步驟1 首先控制器啟動采用帶有預(yù)設(shè)的禁忌表的爬山算法對第一電壓傳感器 101的感應(yīng)部件以及第二電壓傳感器104的感應(yīng)部件依次采樣得到的電壓進行局部搜索， 如果搜索的電壓落入禁忌表，則停止局部搜索，否則一直搜索直到用爬山法搜索到局部最優(yōu)值，更新禁忌表及全局最優(yōu)值；步驟2 然后控制器啟動多樣化搜索，以所述的局部最優(yōu)值為起始點，循環(huán)以預(yù)設(shè)的大步長L在全局范圍內(nèi)尋優(yōu)并更新全局最優(yōu)值；步驟3 若全局最優(yōu)值沒有得到更新，控制器將預(yù)設(shè)的大步長L設(shè)置為原先的大步長L的2/3，重新返回步驟1和步驟2順序執(zhí)行，若得到的全局最優(yōu)值沒有得到更新，轉(zhuǎn)到步驟4執(zhí)行；步驟4 控制器啟動集中搜索，即以目前搜索到的全局最優(yōu)值為初始點，以預(yù)設(shè)的小步長進行爬山法搜索，得到最終的實時最大功率點。步驟5 以最終的實時最大功率點電壓執(zhí)行恒定電壓法的最大功率點跟蹤算法；步驟6 考慮到溫度對最大功率點的影響，按預(yù)定的時間間隔循環(huán)返回步驟1重新進行搜索得到實時最大功率點電壓。
權(quán)利要求
1.一種基于混合儲能的電動汽車能量管理系統(tǒng)，包括太陽能電池板(1)，其特征在于 所述的太陽能電池板(1)、升壓變換器(3)、鋰電池⑵以及帶有控制模塊的電機(7)依次兩兩電連接，雙向DC/DC變換器(4)的一端電連接入鋰電池O)以及帶有控制模塊的電機 (7)之間，另一端和超級電容( 相電連接，第一電壓傳感器(101)的感應(yīng)部件和第一電流傳感器(102)的感應(yīng)部件接入太陽能電池板(1)和升壓變換器C3)之間的電連接，第一驅(qū)動電路(10 的驅(qū)動部件電連接入升壓變換器(3)，第二電壓傳感器(104)的感應(yīng)部件接入升壓變換器C3)和鋰電池( 之間的電連接，第二電流傳感器(105)的感應(yīng)部件接入雙向 DC/DC變換器(4)和鋰電池O)的電連接，第二驅(qū)動電路(106)的驅(qū)動部件電連接入雙向 DC/DC變換器G)，第三電壓傳感器(107)的感應(yīng)部件和第三電流傳感器(108)的感應(yīng)部件接入雙向DC/DC變換器(4)和超級電容(5)之間的電連接，第一電壓傳感器(101)的輸出端、第一電流傳感器(10 的輸出端、第一驅(qū)動電路(10 的受控端、第二電壓傳感器(104) 的輸出端、第二電流傳感器(10 的輸出端、第二驅(qū)動電路(106)的受控端、第三電壓傳感器(107)的輸出端和第三電流傳感器(108)的輸出端分別同控制器(6)的對應(yīng)的控制端相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求中所述的基于混合儲能的電動汽車能量管理系統(tǒng)的方法，其特征為， 太陽能電池板⑴通過升壓變換器⑶給鋰電池(2)供電，控制器(6)根據(jù)太陽能電池板 (1)不同的光照情況執(zhí)行相應(yīng)的最大功率點跟蹤算法，若電動車處于行駛狀態(tài)，按預(yù)定時間間隔循環(huán)執(zhí)行最大功率點跟蹤算法，此最大功率點跟蹤算法為三點比較法，即控制器(6) 通過第一電壓傳感器(101)的感應(yīng)部件、第一電流傳感器(10 的感應(yīng)部件以及第二電壓傳感器(104)的感應(yīng)部件依次采樣三點功率并進行比較，使電壓向功率最大點擾動，若連續(xù)10次電壓不擾動，則追蹤到了最大功率點；若電動車處于停止?fàn)顟B(tài)，根據(jù)第一電壓傳感器(101)的感應(yīng)部件所采樣的太陽能電池板(1)輸出電壓判斷太陽能電池板(1)是否有被遮蔽的地方，若太陽能電池板(1)沒有被遮蔽的地方，則采用爬山法來跟蹤最大功率點，即控制器(6)通過第一驅(qū)動電路(103)最終控制升壓變換器(3)增加太陽能電池板⑴的輸出電壓，若其輸出功率增加，則讓輸出電壓繼續(xù)增加，直到找到最大功率點，若太陽能電池板(1)有被遮蔽的地方，采用的最大功率點跟蹤算法為改進禁忌搜索算法，即通過引入存儲結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的禁忌準(zhǔn)則來避免重復(fù)搜索，并通過集中搜索和多樣化搜索機制搜索到功率最大點；與此同時控制器(6)啟動第二電流傳感器(10 的感應(yīng)部件、第三電壓傳感器 (107)的感應(yīng)部件和第三電流傳感器(108)的感應(yīng)部件采樣鋰電池( 的輸出電流、負(fù)載電流及超級電容(5)的端電壓來判斷電動車的運行工況，根據(jù)運行工況下的電氣特性，采用相應(yīng)的控制算法，以實現(xiàn)能量的正確流動，從而達到鋰電池( 和超級電容( 的協(xié)調(diào)充放電管理，具體為當(dāng)電動車下坡或制動時，超級電容(5)吸收制動回饋的能量，超級電容(5) 處在充電模式，此時控制器(6)使用雙閉環(huán)PI控制，雙閉環(huán)PI的內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，雙閉環(huán)PI 的外環(huán)是電壓環(huán)，當(dāng)超級電容( 的端電壓遠小于預(yù)設(shè)的額定值時，外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器飽和， 整體控制表現(xiàn)為電流內(nèi)環(huán)的作用，此時超級電容( 將進行大電流充電；當(dāng)超級電容(5)的端電壓接近于額定值時，電壓外環(huán)起主導(dǎo)作用，超級電容的電壓會很快穩(wěn)定在額定值，當(dāng)電動車爬坡或加速時，控制器(6)通過雙向DC/DC變換器(4)將超級電容(5)由充電模式轉(zhuǎn)為放電模式，同樣采用PI控制使鋰電池( 輸出的最大電流穩(wěn)定在額定值，并調(diào)節(jié)超級電容(5)的輸出能量，以補足負(fù)載所需電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改進禁忌搜索算法，其特征在于，步驟如下 步驟1 首先控制器啟動采用帶有預(yù)設(shè)的禁忌表的爬山算法對第一電壓傳感器(101) 的感應(yīng)部件以及第二電壓傳感器(104)的感應(yīng)部件依次采樣得到的電壓進行局部搜索，進行如果搜索的電壓落入禁忌表，則停止局部搜索，否則一直搜索直到用爬山法搜索到局部最優(yōu)值，更新禁忌表及全局最優(yōu)值；步驟2 然后控制器啟動多樣化搜索，以所述的局部最優(yōu)值為起始點，循環(huán)以預(yù)設(shè)的大步長L在全局范圍內(nèi)尋優(yōu)并更新全局最優(yōu)值；步驟3 若全局最優(yōu)值沒有得到更新，控制器將預(yù)設(shè)的大步長L設(shè)置為原先的大步長L 的2/3，重新返回步驟1和步驟2順序執(zhí)行，若得到的全局最優(yōu)值沒有得到更新，轉(zhuǎn)到步驟4 執(zhí)行；步驟4 控制器啟動集中搜索，即以目前搜索到的全局最優(yōu)值為初始點，以預(yù)設(shè)的小步長進行爬山法搜索，得到最終的實時最大功率點。步驟5 以最終的實時最大功率點電壓執(zhí)行恒定電壓法的最大功率點跟蹤算法； 步驟6 考慮到溫度對最大功率點的影響，按預(yù)定的時間間隔循環(huán)返回步驟1重新進行搜索得到實時最大功率點電壓。
全文摘要
一種基于混合儲能的電動汽車能量管理系統(tǒng)及其方法，即基于太陽能、鋰電池和超級電容混合儲能的電動汽車能量管理系統(tǒng)及其方法，太陽能電池板、升壓變換器、鋰電池及輪轂電機依次兩兩電連接，另外超級電容串聯(lián)雙向DC/DC變換器后接入鋰電池，根據(jù)太陽能電池板所處光照條件(電動車行駛時光照快速變化、電動車靜止時光照均勻或部分遮蔽)運行相應(yīng)的最大功率點跟蹤算法，以使太陽能電池始終輸出最大功率，通過控制雙向DC/DC變換器，可以使超級電容瞬間輸出大電流，以滿足負(fù)載的大功率需求，提高電動車的上坡和加速性能，超級電容還可以吸收再生制動回饋的能量，提高了電動車的能源利用率；通過超級電容瞬間輸出和吸收大電流，使得儲能電池充放電電流較為穩(wěn)定，免受負(fù)載電流的沖擊，延長了儲能電池的壽命。
文檔編號G06F19/00GK102255355SQ20111017594
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者孫堯, 孫志勇, 晏宇, 熊連松, 鄭伊飛, 馬路遙 申請人:西安交通大學(xué)