一種混合動力汽車系統(tǒng)及其能量管理策略的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種混合動力汽車系統(tǒng)及其能量管理策略，特別涉及一種采用雙機電 電池作為能量緩沖裝置的混合動力汽車系統(tǒng)及其能量管理策略。
【背景技術(shù)】
[0002] 機電電池（Electro-Magnetic Battery, EMB)是一種新型儲能裝置，典型的EMB結(jié) 構(gòu)如圖1所示，主要由高速軸承、真空腔、轉(zhuǎn)子飛輪以及定子繞組等構(gòu)成，EMB的轉(zhuǎn)子飛輪一 般以高速旋轉(zhuǎn)，EMB的工作原理為：在定子磁場轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子速度時，磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子飛輪加 速，該過程相當于電動機工作在驅(qū)動工況，這時將電能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子飛輪的機械能；在定子磁 場轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子速度時，磁場迫使轉(zhuǎn)子飛輪減速，該過程相當于電動機工作在制動工況，這 時將轉(zhuǎn)子飛輪機械能轉(zhuǎn)換為電能。
[0003] 從這樣的外部特性看，EMB具有電池的特性，本質(zhì)上EMB是電動機/發(fā)電機，它的 充、放電過程實際上是準確、高效地按需求在一定時間內(nèi)以一定規(guī)律調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的過程，EMB 在工作時有三種工作模式，即充電、放電和空運行，從電機角度可理解為轉(zhuǎn)速的提高、降低 和保持。EMB與其他儲能裝置一樣，能量流向是單向的，即不能同時充電、放電。
[0004] 具有如圖2所示轉(zhuǎn)子飛輪結(jié)構(gòu)的EMB，其所儲存的能量由下列公式給出：
【主權(quán)項】
1. ー種混合動カ汽車系統(tǒng)，由內(nèi)燃機、發(fā)電機、動カ電池及驅(qū)動電機組成，內(nèi)燃機和驅(qū) 動電機提供的動カ通過轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩耦合裝置傳遞至車輪，其特征在子：本系統(tǒng)還包括能量管 理單元及兩個機電電池EMB，能量管理単元與動カ電池、驅(qū)動電機、兩個EMB及發(fā)電機等主 要部件通過電氣回路互聯(lián)，其中，動カ電池、驅(qū)動電機和兩個EMB與能量管理単元之間可以 雙向傳遞能量，發(fā)電機與能量管理単元只能單向傳遞能量；能量管理単元通過功率電子單 元實現(xiàn)對以上部件之間能量流向的控制，控制兩個EMB主要進行短時、大功率輸出，而動カ 電池和內(nèi)燃機則工作于更加穩(wěn)定、一致的エ況，將原本應該由動カ電池和內(nèi)燃機承擔的不 理想エ況改為由EMB承擔。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種混合動カ汽車系統(tǒng)，其特征在于包括如下幾種工作模 式： 1) 純動カ電池模式 在動カ電池的SOC較高時，僅動力電池就可以滿足系統(tǒng)對驅(qū)動電機的驅(qū)動/制動轉(zhuǎn)矩 需求，此時驅(qū)動車輛的能量僅由動カ電池提供，車輛制動時的能量也僅由動カ電池吸收； 2. EMB和動カ電池混合模式 當車輛的轉(zhuǎn)矩需求處于中、低水平，且動カ電池通過驅(qū)動電機所能提供的驅(qū)動或制動 轉(zhuǎn)矩不能滿足系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的需求時，驅(qū)動或制動轉(zhuǎn)矩的不足由EMB填補； 3) 純內(nèi)燃機模式 當轉(zhuǎn)矩需求處于中等水平，且位于內(nèi)燃機的經(jīng)濟區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)經(jīng)過轉(zhuǎn)矩分配策略決定轉(zhuǎn) 矩需求全部由內(nèi)燃機提供； 4. EMB和內(nèi)燃機混合模式 當車輛的轉(zhuǎn)矩需求處于中等水平，且動カ電池的SOC較低、EMB的SOC較高時，EMB通過 驅(qū)動電機輸出的轉(zhuǎn)矩和內(nèi)燃機輸出的轉(zhuǎn)矩共同驅(qū)動車輛； 5. EMB、內(nèi)燃機、動カ電池混合模式 當車輛的轉(zhuǎn)矩需求處于中、高水平時，三者共同輸出轉(zhuǎn)矩；當轉(zhuǎn)矩需求激增時，先由EMB快速放電的特點通過驅(qū)動電機進行轉(zhuǎn)矩輸出，以彌補短暫的動力性疲軟；當轉(zhuǎn)矩需求 較高時，超過內(nèi)燃機和驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)矩之和時，這時轉(zhuǎn)矩的不足由EMB通過驅(qū)動電機彌 補。
3. -種如權(quán)利要求1或2所述的混合動カ汽車系統(tǒng)的能量管理策略，其特征在于：針 對EMB直接參與的能量流動過程的能量管理策略，首先將內(nèi)燃機和驅(qū)動電機不能及時提供 或不適于提供的短時、大功率能量定義為能量缺ロ，能量缺ロ由EMB通過驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn) 矩來彌補，其分為三類，即正能量缺ロ、無能量缺口和負能量缺ロ，正能量缺ロ指車輛要求 EMB通過驅(qū)動電機輸出能量，負能量缺ロ指車輛要求EMB通過驅(qū)動電機吸收能量，無能量缺 ロ指車輛要求EMB保持目前能量狀態(tài)，既不吸收能量，也不釋放能量； 再將EMB的SOC劃分為小、焱和奪三個區(qū)間，小為低SOC區(qū)間，奪為中SOC區(qū)間，?為 高SOC區(qū)間，各分界點的值可以按照不同設(shè)計需求進行調(diào)整； 為降低系統(tǒng)エ況復雜性、排除不經(jīng)濟的能量流動，提煉出的設(shè)計規(guī)則為： (1)EMB在低SOC區(qū)間?時，不通過驅(qū)動電機輸出能量； (2) EMB僅在高SOC區(qū)間辦才向動カ電池充電； (3) 發(fā)電機在保證經(jīng)濟性的前提下向能量管理單元輸送能量； (4) 發(fā)電機僅對處在小和奪區(qū)的EMB充電； (5) 通過驅(qū)動電機回收的能量優(yōu)先由SOC較低的EMB吸收，向驅(qū)動電機提供能量時優(yōu)先 由SOC較高的EMB釋放； (6) 兩個EMB之間不進行能量交換。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種混合動カ汽車系統(tǒng)的能量管理策略，其特征在子： 當EMB#1的SOC處于區(qū)間念，EMB#2的SOC處于區(qū)間辦時： A正能量缺ロ 兩個EMB的SOC均過低，不通過驅(qū)動電機進行能量輸出； 如果內(nèi)燃機正在工作，那么在保證經(jīng)濟性的前提下，發(fā)電機向SOC較低的EMB充電，當 兩個EMB的SOC相同時，發(fā)電機同時對兩者充電，直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； B無能量缺ロ 如果內(nèi)燃機正在工作，那么在保證經(jīng)濟性的前提下，發(fā)電機向SOC較低的EMB充電，當 兩個EMB的SOC相同時，發(fā)電機同時向兩者充電，直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； C負能量缺ロ 通過驅(qū)動電機回饋的能量由SOC較低的EMB吸收，當兩個EMB的SOC相同時，驅(qū)動電機 同時向兩者充電，直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； 如果內(nèi)燃機正在工作，那么在保證經(jīng)濟性的前提下，發(fā)電機向SOC較高的EMB充電，當 兩個EMB的SOC相同時，發(fā)電機不再向EMB充電，兩個EMB同時吸收驅(qū)動電機回饋的能量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種混合動カ汽車系統(tǒng)的能量管理策略，其特征在子： 當EMB#1的SOC處于區(qū)間I，EMB#2的SOC處于區(qū)間令或EMB#1的SOC處于區(qū)間令，EMB#2的SOC處于區(qū)間4>時： A正能量缺ロ 由SOC較高的EMB通過驅(qū)動電機輸出能量，直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； 如果內(nèi)燃機正在工作，那么在保證經(jīng)濟性的前提下，發(fā)電機向SOC較低的EMB充電，直 到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； B無能量缺ロ 如果內(nèi)燃機正在工作，那么在保證經(jīng)濟性的前提下，發(fā)電機向SOC較低的EMB充電，直 到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； C負能量缺ロ 通過驅(qū)動電機回饋的能量由SOC較低的EMB吸收，直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； 如果內(nèi)燃機正在工作，那么在保證經(jīng)濟性的前提下，發(fā)電機向SOC較高的EMB充電，直 到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種混合動カ汽車系統(tǒng)的能量管理策略，其特征在子： 當EMB#1的SOC處于區(qū)間多，EMB#2的SOC處于區(qū)間杳： A正能量缺ロ 由SOC較高的EMB向驅(qū)動電機輸出能量，當兩個EMB的SOC相同時，兩者同時通過驅(qū)動 電機輸出能量，直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； 如果內(nèi)燃機正在工作，在保證經(jīng)濟性的前提下，并且兩個EMB沒有同時放電，那么發(fā)電 機向SOC較低的EMB充電，直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； B無能量缺ロ 如果內(nèi)燃機正在工作，那么在保證經(jīng)濟性的前提下，發(fā)電機向SOC較低的EMB充電，當 兩個EMB的SOC相同時，發(fā)電機同時向兩者充電，直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； C負能量缺ロ 通過驅(qū)動電機回饋的能量由SOC較低的EMB吸收，當兩個EMB的SOC相同時，驅(qū)動電機 同時向兩者充電，直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； 如果內(nèi)燃機正在工作，那么在保證經(jīng)濟性的前提下，發(fā)電機向SOC較高的EMB充電；當 兩個EMB的SOC相同時，發(fā)電機不再向EMB充電，兩個EMB同時吸收驅(qū)動電機回饋的能量， 直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種混合動カ汽車系統(tǒng)的能量管理策略，其特征在子： 當EMB#1的SOC處于區(qū)間令，EMB#2的SOC處于區(qū)間奪或EMB#1的SOC處于區(qū)間令，EMB#2的SOC處于區(qū)間令時： A正能量缺ロ 由SOC較高的EMB進行能量輸出，直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； 如果內(nèi)燃機正在工作，那么在保證經(jīng)濟性的前提下，發(fā)電機向SOC較低的EMB充電，直 到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； B無能量缺ロ 由SOC較高的EMB向動カ電池充電，直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； 如果內(nèi)燃機正在工作，那么在保證經(jīng)濟性的前提下，發(fā)電機向SOC較低的EMB充電，直 到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； C負能量缺ロ 由SOC較高的EMB向動カ電池充電，同時，通過驅(qū)動電機回饋的能量由SOC較低的EMB吸收，直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化，此時發(fā)電機不向EMB輸出能量。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種混合動カ汽車系統(tǒng)的能量管理策略，其特征在子： 當EMB#1的SOC處于區(qū)間令，EMB#2的SOC處于區(qū)間令： A正能量缺ロ 由SOC較高的EMB向驅(qū)動電機輸出能量，SOC較低的EMB向動カ電池充電，直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化；當兩個EMB的SOC達到相同時，兩個EMB共同通過驅(qū)動電機輸出能量， 不再向動カ電池充電，直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； B無能量缺ロ 兩個EMB共同向動カ電池充電，直到EMB的SOC區(qū)間發(fā)生變化； C負能量缺ロ 如果此時EMB#1的SOC較高，EMB#2的SOC較低，那么EMB#1向動カ電池充電，通過驅(qū)動 電機回饋的能量由SOC較低的EMB#2吸收，當EMB#2充滿電后，立即改變工作方式，由EMB#2 向動カ電池充電，EMB#1進行能量吸收，該過程反復交替進行，直到能量反饋過程結(jié)束。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種混合動力汽車系統(tǒng)及其能量管理策略。一種混合動力汽車系統(tǒng)，其動力源為內(nèi)燃機和驅(qū)動電機，提供的動力通過轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩耦合裝置傳遞至車輪，在本系統(tǒng)中還加入了能量管理單元及兩個機電電池EMB，能量管理單元與動力電池、驅(qū)動電機、兩個EMB及發(fā)電機等主要部件通過電氣回路互聯(lián)，在能量管理策略設(shè)計規(guī)則的指導下，將系統(tǒng)的能量管理策略進行了具體化，詳細地規(guī)劃了不同工況下能量的流向。本系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：控制兩個EMB主要進行短時、大功率輸出，而動力電池和內(nèi)燃機則工作于更加穩(wěn)定、一致的工況，將原本應該由動力電池和內(nèi)燃機承擔的不理想工況改為由EMB承擔，從而實現(xiàn)優(yōu)化整車動力性、經(jīng)濟性、提高動力電池壽命等目的。
【IPC分類】B60K6-30, B60K6-28
【公開號】CN104626959
【申請?zhí)枴緾N201510051086
【發(fā)明人】楊福, 趙雪, 楊博文, 劉藝博, 王晶, 劉玉雙
【申請人】吉林建筑大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月30日