本實(shí)用新型涉及一種混合動(dòng)力的電源管理控制系統(tǒng)，具體的說是涉及一種適用于電動(dòng)賽車的超級電容和鋰電池混合動(dòng)力電源管理控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，已有的電源管理控制系統(tǒng)大多為單一儲能元件的電源管理系統(tǒng)，在各領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是電池電源管理系統(tǒng)，例如鋰離電池電源管理系統(tǒng)、鉛酸電池電源管理系統(tǒng)。這種傳統(tǒng)的電源管理系統(tǒng)通過電壓、電流和溫度傳感器監(jiān)測電池的工作狀態(tài)，在充放電過程中若出現(xiàn)過壓、過流和溫度過高的時(shí)候，系統(tǒng)利用聲光報(bào)警發(fā)出危險(xiǎn)警告，若警報(bào)一段時(shí)間內(nèi)未得到消除，系統(tǒng)主控單元會切斷電源保護(hù)管理系統(tǒng)和所供電設(shè)備，以免燒毀。

電動(dòng)賽車如果可以具有一種復(fù)合電源，并且，該復(fù)合電源的切換，可以由此控制，根據(jù)賽車的要求，對其電源驅(qū)動(dòng)進(jìn)行切換，則可以適應(yīng)不同的賽段要求，提升該賽車性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決賽車不同賽段對于不同電源驅(qū)動(dòng)的需求不同的問題，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案：

一種電動(dòng)賽車混合動(dòng)力電源控制系統(tǒng)，包括復(fù)合電源管理系統(tǒng)、車況和環(huán)境信息采集系統(tǒng)、動(dòng)力電池組、超級電容和雙向DC/DC變換器；復(fù)合電源管理系統(tǒng)通過CAN總線分別與動(dòng)力電池組、雙向DC/DC變換器、超級電容連接；所述超級電容與雙向DC/DC變換器連接，超級電容通過雙向DC/DC變換器與動(dòng)力電池組并聯(lián)接入能量輸出直流母線。

進(jìn)一步的，復(fù)合電源管理系統(tǒng)是由主處理器以及與其分別連接的信號采集處理電路、KEY鍵盤、LCD顯示屏、絕緣報(bào)警模塊、SD卡、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和至少兩種儲能元件組成。

進(jìn)一步的，信號采集處理電路包括若干對的鋰離蓄電池、對超級電容的電壓、電流和溫度參數(shù)中至少一種進(jìn)行測量的傳感器組；若干組對加速踏板和/或制動(dòng)踏板的傾角測量的傾角傳感器，對信號進(jìn)行放大的信號放大器和AD轉(zhuǎn)換器。

進(jìn)一步的，車況和環(huán)境信息采集系統(tǒng)是用于采集電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，動(dòng)力電池和超級電容的電壓、電流和溫度，賽車姿態(tài)，環(huán)境溫度和濕度信息的傳感器組。

進(jìn)一步的，雙向DC/DC變換器控制超級電容充放電狀態(tài)，當(dāng)雙向DC/DC變換器升壓Boost模式打開時(shí)，超級電容處于放電狀態(tài)；當(dāng)雙向DC/DC變換器降壓Buck模式打開時(shí)，超級電容處于充電狀態(tài)。

進(jìn)一步的，主處理器采用STM32F103ZET6芯片。

進(jìn)一步的，還包括驅(qū)動(dòng)模式控制系統(tǒng)，所述驅(qū)動(dòng)模式控制系統(tǒng)通過CAN總線分別與復(fù)合電源管理系統(tǒng)和車況、環(huán)境信息采集系統(tǒng)連接。

有益效果：本實(shí)用新型的電動(dòng)賽車的電源，由動(dòng)力電池組、超級電容和雙向DC/DC變換器組成，以實(shí)現(xiàn)一種復(fù)合電源形式，并且，電動(dòng)賽車混合動(dòng)力電源控制系統(tǒng)，以對該復(fù)合電源具體形式進(jìn)行選擇，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合供電方式，滿足賽車不同賽段的電源驅(qū)動(dòng)需求。

附圖說明

圖1為隸屬度函數(shù)圖，其中：圖1a是電機(jī)轉(zhuǎn)速隸屬度函數(shù)圖、圖1b是加速踏板開度隸屬度函數(shù)圖，圖1c是環(huán)境濕度隸屬度函數(shù)圖；圖中縱坐標(biāo)均是混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)概率系數(shù)，圖1a的橫坐標(biāo)是電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速的橫坐標(biāo)是加速踏板開度，圖1c的橫坐標(biāo)是加速踏板開度。

圖2是本發(fā)明的基于超級電容的電動(dòng)賽車混合動(dòng)力電源管理控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的復(fù)合電源管理系統(tǒng)原理圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中的驅(qū)動(dòng)模式邏輯判斷示意圖。

圖5為干燥環(huán)境下輪胎在柏油路面滾動(dòng)時(shí)所受滾動(dòng)摩擦力示意圖。

圖6為環(huán)境濕度較大時(shí)輪胎在柏油路面滾動(dòng)時(shí)所受滾動(dòng)摩擦力示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：一種電動(dòng)賽車混合動(dòng)力電源控制系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)模式控制系統(tǒng)、復(fù)合電源管理系統(tǒng)、車況和環(huán)境信息采集系統(tǒng)、動(dòng)力電池組、超級電容和雙向DC/DC變換器；所述驅(qū)動(dòng)模式控制系統(tǒng)通過CAN總線分別與復(fù)合電源管理系統(tǒng)和車況、環(huán)境信息采集系統(tǒng)連接，復(fù)合電源管理系統(tǒng)通過CAN總線分別與動(dòng)力電池組、雙向DC/DC變換器、超級電容連接；所述超級電容與雙向DC/DC變換器連接，超級電容通過雙向DC/DC變換器與動(dòng)力電池組并聯(lián)接入能量輸出直流母線。

其中,關(guān)于該控制系統(tǒng)的硬件部分：

驅(qū)動(dòng)模式控制系統(tǒng)，其用于判定并選擇賽車的電源驅(qū)動(dòng)模式，通過對車況和環(huán)境信息的判斷分析選擇最佳動(dòng)力輸出模式(即電源請驅(qū)動(dòng)模式)，提高賽車性能，該部分主要是由控制器組成。

復(fù)合電源管理系統(tǒng)包括動(dòng)力電池組SOC監(jiān)測模塊、超級電容SOC監(jiān)測模塊、絕緣監(jiān)測模塊和LCD顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。電池組SOC監(jiān)測模塊和超級電容SOC監(jiān)測模塊通過實(shí)時(shí)檢測的電池和超級電容的電壓、電流和溫度信號僅估算剩余電量，確保儲能元件在健康狀態(tài)下工作；絕緣監(jiān)測模塊用于監(jiān)測儲能元件在充放電過程中是否發(fā)生漏電，若檢測值達(dá)到設(shè)定上限，立刻切斷整車電源，防止賽車起火保證，車手安全；LCD顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示車況、環(huán)境、運(yùn)動(dòng)模式、電源參數(shù)等信息；數(shù)據(jù)存儲模塊用于儲存車輛運(yùn)行中采集的各類信號值，為分析賽車性能提供參考。作為一種實(shí)施例，復(fù)合電源管理系統(tǒng)是由主處理器以及與其分別連接的信號采集處理電路、KEY鍵盤、LCD顯示屏、絕緣報(bào)警模塊、SD卡、雙向DC/DC變換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和至少兩種儲能元件組成。

雙向DC/DC變換器控制超級電容充放電狀態(tài)。當(dāng)變換器升壓Boost模式打開時(shí)，超級電容處于放電狀態(tài)；當(dāng)變換器降壓Buck模式打開時(shí)，超級電容處于充電狀態(tài)，所需能量大部分來自于賽車剎車與滑行時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量。

車況和環(huán)境信息采集系統(tǒng)用于采集電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，動(dòng)力電池和超級電容的電壓、電流和溫度，賽車姿態(tài)，環(huán)境溫度和濕度信息。通過CAN總線講數(shù)據(jù)傳輸給運(yùn)動(dòng)模式控制系統(tǒng)。

所述驅(qū)動(dòng)模式控制系統(tǒng)執(zhí)行基于超級電容的電動(dòng)賽車混合動(dòng)力電源管理控制策略：

基于超級電容的混合動(dòng)力電動(dòng)賽車基本的動(dòng)力輸出模式分為動(dòng)力電池單獨(dú)供電驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力電池與超級電容聯(lián)合供電驅(qū)動(dòng)兩種。這兩種動(dòng)力輸出模式的選擇受多種因素的影響，例如：電機(jī)轉(zhuǎn)速，加速踏板開度，輪胎摩擦力等，其中對輪胎摩擦力影響最大的是環(huán)境濕度，多種因素的共同作用決定了動(dòng)力輸出的模式。

本發(fā)明采用基于模糊邏輯的動(dòng)力輸出控制策略，主要由兩個(gè)模塊組成，第一個(gè)模塊為模糊推理器模糊控制器模塊，有三個(gè)輸入和一個(gè)輸出，輸入分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速、加速踏板行程以及輪胎摩擦力，輸出為混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)概率系數(shù)。第二個(gè)模塊是模式選擇模塊，根據(jù)模糊模糊推理器模糊控制器模塊的輸出判斷是否切換供電模式。模糊模糊推理器模糊控制器模塊的三個(gè)輸入量分別是電機(jī)轉(zhuǎn)速、加速踏板行程以及環(huán)境濕度，這三個(gè)量的模糊化為后面模糊規(guī)則的解釋和實(shí)施提供了先決條件。雖然輪胎摩擦力是為模式選擇的一個(gè)重要因素，然而輪胎摩擦力無法直接測量獲得，或者其獲取的難度較大，而環(huán)境濕度對輪胎摩擦力的影響非常大，用環(huán)境濕度作為模式切換的一個(gè)主要影響因素，同樣可以達(dá)到模式選擇的目的，為此，本實(shí)施例使用空氣濕度作為判斷條件，而這種因素替換，對于本實(shí)施例的模式選擇來說，判斷的準(zhǔn)確率并無明顯下降。

滑動(dòng)摩擦力的大小和彼此接觸物體的相互間的正壓力成正比：即f＝μN(yùn)，其中μ為比例常數(shù)叫“滑動(dòng)摩擦系數(shù)”，也被稱為“動(dòng)摩擦因數(shù)”它是一個(gè)沒有單位的數(shù)值?；瑒?dòng)摩擦系數(shù)與接觸物體的材料、表面光滑程度、干濕程度、表面溫度、相對運(yùn)動(dòng)速度等都有關(guān)系。圖5和圖6為濕度對滑動(dòng)摩擦力影響的示意圖。

圖5為干燥環(huán)境下輪胎在柏油路面滾動(dòng)時(shí)所受滾動(dòng)摩擦力示意圖，由于路面較為粗糙，輪胎受到的滾動(dòng)摩擦力f較大；圖6為環(huán)境濕度較大時(shí)輪胎在柏油路面滾動(dòng)時(shí)所受滾動(dòng)摩擦力示意圖，柏油路面會覆蓋一層水膜，對柏油路面的凹凸表面進(jìn)行填充，阻礙了輪胎與粗糙地面的直接接觸，水膜相當(dāng)于一層潤滑劑，輪胎受到的滾動(dòng)摩擦力f較小。

圖1分別是為輸入量電機(jī)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)踏板行程、環(huán)境濕度以及輸出變量混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)概率系數(shù)設(shè)計(jì)的隸屬度函數(shù)。

如圖1a所示，模糊子集low代表電機(jī)轉(zhuǎn)速低，例如在起步或者剎車制動(dòng)時(shí)；模糊子集middle表示當(dāng)前車速屬于中等行駛速度，例如在車速不高行駛時(shí)；而模糊子集high則表示車速比較高的時(shí)候，例如在高速直線行駛時(shí)。如圖1b所示，模糊子集low代表加速踏板開合度小，對賽車加速要求較小或者車輛滑行的時(shí)候；模糊子集middle表示對加速性能要求一般；而模糊子集high則表示對加速性能要求高的時(shí)候，例如在剎車后的加速階段或者起步時(shí)。如圖1c所示，模糊子集low代表空氣濕度交小，此時(shí)輪胎摩擦力較大；模糊子集middle表示環(huán)境濕度較大，此時(shí)輪胎摩擦力中等；而模糊子集high則表示環(huán)境濕度非常大，此時(shí)輪胎摩擦力非常小。

制定供電模式切換模糊規(guī)則時(shí)，既要提升賽車加速性能，又要兼顧賽車的安全性，保證賽車安全運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和大量的仿真實(shí)驗(yàn)，兼顧上述對加速性能和安全性能的保障，總結(jié)出如表1的模糊規(guī)則表，共有27條規(guī)則。

表1 模糊規(guī)則表

由于輸出值為模糊量，而實(shí)際判定需要確切的選擇指令，根據(jù)模糊規(guī)則表和三輸入量隸屬度函數(shù)圖制定入下判定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)同時(shí)滿足：W<70％，n_i<0.6n_max，ω_i>0.5ω_max(環(huán)境濕度(W)、電機(jī)轉(zhuǎn)速(n_i)、加速踏板開度(ω_i))時(shí)，動(dòng)力輸出模式切換到混合動(dòng)力輸出模式，動(dòng)力電池和超級電容共同向電動(dòng)機(jī)供能，提高賽車瞬時(shí)加速度。當(dāng)以上三個(gè)條件有任意一個(gè)不滿足時(shí)，動(dòng)力輸出模式均為動(dòng)力電池單一供電，超級電容處于備用狀態(tài)。

由于輸出值為模糊量，而實(shí)際判定需要確切的選擇指令，根據(jù)模糊規(guī)則表和三輸入量隸屬度函數(shù)圖制定如下判定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)同時(shí)滿足：W<70％，n_i<0.6n_max，ω_i>0.5ω_max時(shí)(環(huán)境濕度(W)、電機(jī)轉(zhuǎn)速(n_i)、加速踏板開度(ω_i))，動(dòng)力輸出模式切換到混合動(dòng)力輸出模式，動(dòng)力電池和超級電容共同向電動(dòng)機(jī)供能，提高賽車瞬時(shí)加速度。

其中環(huán)境濕度W<70％這個(gè)指標(biāo)通過以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，模擬賽車輪胎在柏油賽道上行駛，向車軸施加水平向前的，改變實(shí)驗(yàn)環(huán)境的濕度，觀測輪胎滾動(dòng)中是否出現(xiàn)滑動(dòng)，測得圖5所示數(shù)據(jù)，如圖5，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)環(huán)境濕度達(dá)到70％左右時(shí)，輪胎出現(xiàn)滑動(dòng)的次數(shù)快速增加，是出現(xiàn)滑動(dòng)的明顯分界點(diǎn)，所以選擇70％濕度作為判斷指標(biāo)。

其中n_i<0.6n_max這個(gè)指標(biāo)根據(jù)日常試驗(yàn)中對電機(jī)轉(zhuǎn)速與功率輸出的對應(yīng)關(guān)系得到，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于60％額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)的在加速性能不明顯，功率輸出提升不大，所以選擇0.6n_max作為判斷指標(biāo)。

加速踏板開度ω取值范圍在15°—65°，在數(shù)組試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)駕駛員判斷需要加速時(shí)，85％的情況下加速踏板的開度大于40°，所以選擇0.5ωmax作為判斷指標(biāo)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，發(fā)明的有益效果：發(fā)明實(shí)現(xiàn)了多種動(dòng)力源管理，可以為電動(dòng)賽車在不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)提供充足的能量供給，提升了電動(dòng)賽車的加速度，同時(shí)對賽車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量得到了有效回收進(jìn)行二次利用，從而提升了蓄電池的壽命，增加了電動(dòng)賽車的續(xù)航里程，發(fā)明結(jié)構(gòu)較為簡單，成本低。

本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)模式分為單獨(dú)驅(qū)動(dòng)與聯(lián)合驅(qū)動(dòng)兩種。通過靈活的切換兩種驅(qū)動(dòng)模式，既可以大幅度提示賽車性能，也可以保證賽車高速運(yùn)行時(shí)的安全。單獨(dú)驅(qū)動(dòng)是動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，適用于賽車對加速性能要求不高的場合，如勻速行駛、車輪抓地力過小、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在高速區(qū)間等情形。聯(lián)合驅(qū)動(dòng)是動(dòng)力電池與超級電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在賽車需要提高瞬時(shí)加速度時(shí)提供高功率能量供給，例如在賽車啟動(dòng)、過彎后減速后的加速、上坡等情形。

作為一種實(shí)施例，如圖3所示，復(fù)合電源管理系統(tǒng)具體是由主處理器以及與其連接的信號采集處理電路、KEY鍵盤、7寸LCD顯示屏、絕緣報(bào)警模塊、SD卡、DC/DC雙向變換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和兩種儲能元件組成。

主處理器采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6芯片。主處理器能夠接收KEY鍵盤和空氣開關(guān)的輸入信號，實(shí)現(xiàn)對各種所需參數(shù)的設(shè)定；接收信號采集處理模塊輸入的電壓、電流、溫度、加速和制動(dòng)數(shù)據(jù)，對接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)時(shí)計(jì)算電池SOC，并根據(jù)接收的加速和制動(dòng)信號控制混合電源的工作模式，利用LCD顯示屏將實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和電源工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，若檢測數(shù)據(jù)有異常將控制報(bào)警模塊發(fā)出危險(xiǎn)信號，同時(shí)自動(dòng)將運(yùn)行時(shí)的階段數(shù)據(jù)存儲到SD卡中。信號采集模塊包括14對鋰離蓄電池和超級電容的電壓、電流和溫度等參數(shù)進(jìn)行測量的傳感器組，2組對加速踏板和制動(dòng)踏板的傾角測量的傾角傳感器，對信號進(jìn)行放大的信號放大器和AD轉(zhuǎn)換器。

以上所述，僅為發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)用新型的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。