一种基于全电驱动车载平台的智能化能源管理系统及方法

技术领域

本发明涉及智能化能源管理技术领域，具体涉及一种基于全电驱动车载平台的智能化能源管理系统。

背景技术

随着电力电子技术的发展，“全电驱动”已经逐渐向舰船、水下、无人机以及车载等平台中探索应用，“全电驱动”对提高作战系统效能、实现控制方式简单化、增加机动性与灵活性以及减排节能有重要意义，是动力系统发展的一种主流趋势。

美国专利公开20140332301A1公开了一种纯电力可驱动机动车辆的、带有连个电动机的动力传送系，介绍了一种车辆前后驱动轴均采用电动机作为动力驱动，用车载电池作为电动机电源的“纯电动车辆”。在该专利中重点介绍了电动机和变速器的组合方式。在中国专利公开CN106740041A中公开了一种新能源汽车，所述的新能源汽车采用一种混合动力系统，酒精燃料发动机带动发电机发电，发电机的电力给车载蓄电池充电，车载蓄电池和/或发电机的输出电力为驱动车轮的电动机供电。车辆有一个混合电源管理器控制发电机给蓄电池充电的方式，和电动机采用蓄电池单独供电驱动，还是和发电机同时供电驱动的多种供电方式。在中国专利公开CN107600010A中公开了一种高可靠高机动全电驱动特种车辆底盘拓扑结构，所提供的全电驱动汽车有一个控制模块，检测汽车的整车状态和供电机构的状态，控制机构连接全车的多个检测模块和传感器，根据检测模块的监测数据对汽车的异常状态发出报警，提供故障显示。控制模块还控制供电机构对动力机构输出电能的模式。

在全电驱动车载平台中，“能源系统”作为核心动力，既驱动发射车轮边(轮毂)电机提供车辆行驶动力，又为上装电能变换设备提供一次能源，保证作战任务供电。以往能源系统研究中往往仅注重设备的搭建以及能源的输出，采用的都是针对能源设备自身的分布式控制方法，未形成基于全电驱动车载平台的具有集中化、智能化特点的能源管理体系。

发明内容

现有全电驱动车载平台的能源系统主要由柴油发电机组、动力电池组、二次电源以及配电设备等组成，柴油发电机组和动力电池组作为核心的一次能源，均具有独立且分布的控制系统，如柴油发电机组采用“远控箱”的方式实现对柴油发电机组本体开机、停机、信息传递以及保护控制等功能，动力电池组采用“主控板”和“从控板”实现对电池的剩余电量SOC计算、单体信息采集、均衡控制以及保护控制等功能；另一方面现有的技术平台中不具备“能源管理”的特性，仅实现基本的信息传递、供电及配电功能。

本发明的目的是搭建全电驱动车载平台的能源管理体系，采用集中控制与管理的方式，取消“机组远控箱”与“电池组主控板”，实现减少系统控制复杂度、提升系统能量密度及提升系统控制实时性等目标；同时，将能源管理与智能化技术融合，提出智能化能源管理构架，构建能源智能分析展现平台，提升武器系统决策的自主化水平，实现与用户的智能化交互。

本发明提供一种基于全电驱动车载平台的一体化智能化能源管理系统，所述的一体化智能化能源管理系统包括由一体化能源管理单元控制的动力电池组和柴油发电机组；述的一体化能源管理单元通过CAN总线接口连接动力电池组和柴油发电机组；一体化能源管理单元能够通过分布全车各系统的多个多种传感器和检测模块实时采集动力电池组、柴油发电机组、整流变换装置、双向变换装置的工况的数据信息；控制柴油发电机组开机或停机，控制动力电池组的多种形式的充电或放电操作；控制柴油发电机组和动力电池组的不同组合的电力驱动模式；

进一步的，一体化能源管理单元还包括能源智能分析展现平台，所述的能源智能分析展现平台包括显示装置和/或信息推送模块，所述的能源智能分析展现平台包括系统管理模块、实时功耗曲线模块、信息明细模块、综合保障模块以及智能分析库模块，所述的系统管理模块分析采集的系统数据信息，对故障类数据信息进行处理和分析；统计设备的故障次数、故障原因，提供维护保养提示；显示装置和/或信息推送模块用于向用户显示和/或信息推送上述各项检测获得的实时工况的数据信息，显示不同温度环境下时间、电压、电流，能源容量之间的曲线关系、显示故障状态、故障预测与诊断、维护保养规则；并把故障数据和故障原因存储到系统数据库中。

进一步的，一体化能源管理单元通过CAN接口连接传感器，实施检测动力电池组的单体电压、输出电流和动力电池组的各单体电池温度，对电压电流和温度数据进行数据采集，并实现SOC计算、绝缘性能检测、均衡控制以及保护控制。

进一步的，一体化能源管理单元通过CAN接口完成对柴油发电机组进行开机、停机控制，采集机组转速、油压、油温数据，采集柴油发电机组的输出电压、电流数据，对发电机执行和保护控制。

进一步的，所述的柴油发电机组和动力电池组的电力驱动模式包括：

⑴动力电池供电驱动模式：关闭柴油发电机组，由动力电池组为整车动力供电；

⑵柴油发电机驱动模式：由柴油发电机组发电为整车动力供电；

⑶动力电池和柴油发电机组混合供电驱动模式；由柴油发电机和动力电池组共同为整车动力供电；

⑷柴油发电机组给整车动力供电，同时给动力电池组充电；

⑸车辆再生发电制动模式，车辆下坡时电刹车产生的能量一部分充入动力电池组，一部分充入超级电容器；

⑹车辆静止时由柴油发电机组给动力电池组和超级电容器充电。

进一步的，整流变换装置用于将发电机组的输出整流变换后给动力电池充电和供给直流用电设备；双向变换装置提供直流到交流的变换和/或交流到交流的变换，给交流电设备供电。

优选的，所述的动力电池组的工况的数据信息包括：单体电池电压、电池温度、绝缘性能检测、均衡控制、故障状态；所述的柴油发电机组的工况的数据信息包括：柴油发电机组转速、油量、油压、油温，柴油发电机组的输出电压、电流、频率以及故障状态；整流变换装置和双向变换装置的工况的数据信息包括所述装置的输入电压、输出电压、输出电流和温度。

本发明还提供一种智能化能源管理方法，依据能源工况采取不同的能源输出模式，包括以下步骤：

步骤一，要求全电驱动车低噪声时，关闭柴油发电机组，仅由动力电池组为整车供电；

步骤二，整车的用电负荷处于柴油发电机组的高效工作区域内时，由柴油发电机组发电，供给全车用电；

步骤三，车辆急加速时，使用动力电池和柴油发电机组同时给整车供电的混合供电驱动模式；

步骤四，动力电池的电量不满时或者为了调节柴油发电机组效率时，使用柴油发电机组给整车供电并给动力电池和超级电容器充电；

步骤五，车辆下坡制动时，电刹车产生的能量一部分充入动力电池组，一部分充入超级电容器；

步骤六，停车时使用柴油发电机组供电并同时给动力电池和超级电容器充电。

进一步的，动力电池组和超级电容器具有隔离模块，使得动力电池组和超级电容器具有隔离模块能够分别充电；在一体化能源管理单元控制下，能够使动力电池组和超级电容器并联给整车动力供电，以应对需要大电流的车辆启动或者车辆急加速时的供电电流需求。

本发明能源管理架构采用基于确定规则的能源管理策略与基于优化的能源管理策略相结合的方式，其主要思想是通过协调转移发动机的工作点，使其尽量工作在高效率区间内，以获得较高的燃油经济性。发动机的工作区域通常由理论分析和工程经验来界定，根据发动机的静态工作效率曲线图,将发动机的工作区域进行划分,通过控制变量判断发动机的工作区域,并选择车的工作模式,使车辆运行在高效区域内。所述的变量包括但不限于：功率需求、车速、加速信号、电池SOC等。将全电驱动车的典型的工作模式分为动力电池供电驱动模式、柴油发电机组供电驱动模式、动力电池和柴油发电机组共同供电驱动模式、柴油发电机组供电+动力电池充电驱动模式、车辆下坡再生发电制动模式以及柴油发电机组供电+动力电池充电车辆停止运动模式。

本发明构建能源智能分析展现平台，该平台通过显示或信息推送方式进行信息展示与人机交互，交互功能块主要分为系统管理、实时功耗曲线、信息明细、综合保障以及智能分析库。

附图说明

图1为一体化能源管理单元集中控制原理示意图；

图2是基于全电驱动车载平台的能源管理模式分类图；

图3是系统管理模块；

图4是实时能耗曲线模块；

图5是信息明细模块；

图6是综合保障模块；

图7是智能分析素材库模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步地详细描述。

图1为一体化能源管理单元集中控制原理示意图，一体化能源管理单元集成了动力电池组与柴油发电机组的控制管理功能，通过CAN接口直接实现对动力电池组的单体电压、温度等信息进行数据采集等功能，并实现SOC计算、绝缘性能检测、均衡控制以及保护控制等功能；通过CAN接口直接实现对柴油发电机组进行开机、停机以及机组转速、油压、油温采集等功能，并实现对机组的电压采集、电流采集以及保护控制等功能。

图2是基于全电驱动车载平台的能源管理模式分类图，不同工况，采用不同的驱动模式：

1.动力电池供电驱动模式：可以关闭柴油发电机组，有动力电池组为整车供电，包括驱动和上装设备的用电，该种工况可以获得较低的噪声，有利于作业的隐蔽性和机动性。

2.柴油发电机驱动模式：由柴油发电机组发电，供给全车用电，应用在整车的用电负荷处于柴油发电机组的高效工作区域内的情况。

3.动力电池和柴油发电机组混合供电驱动模式：当车辆为了完成特定任务，需要急加速时，和/或柴油发电机组和动力电池单独供电都无法满足时，采用这种工作模式；

4.柴油发电机组供电+动力电池充电驱动模式：当整车的用电负荷较轻，动力电池的电量不满的情况下，为了是柴油发电机机组获得好效率运行，对动力电池组进行充电，在调节了柴油发电机组效率的同时，也对动力电池组和超级电容器进行充电；

5.车辆下坡再生发电制动模式：车辆下坡时，电刹车产生的能量回馈到电系统中。一部分充入动力电池组，一部分充入超级电容器中，防止动力电池反复充放电加速动力电池的老化，保证动力电池使用寿命；

6.柴油发电机组供电+动力电池充电车辆停止运动模式：当动力电池的SOC低到一定程度，车辆又没有运动的需要的情况下，采用该模式为动力电池和超级电容器进行充电，通过调节动力电池的组数、每组的充电电流，可以调节柴油发电组的效率，使其处于较佳效率的工作状态。

超级电容器是近年来发展的一种超大容量电容器，等效于一种内阻极低，可以瞬时输出很大的电流的电池，当然，电容器的储电总能量和蓄电池还是有差别的。超级电容的储能电压也不可能很高。超级电容器通常是作为蓄电池的补充或辅助设备，给蓄电池提供辅助充电手段，或者在需要瞬间大电流输出，以给电动机等用电设备提供较大驱动力时，与蓄电池并联输出。在电动车辆的使用中，在爬坡或者低温启动时，使用超级电容器和动力电池并联启动，可以大幅度提升电动机的扭矩，增加驱动力，确保车辆的稳定可靠运行。

当然，车辆正常行驶时，超级电容并没有明显的功效。

能源智能分析展现平台通过显示或信息推送方式进行信息展示与人机交互，交互功能块主要分为系统管理模块、实时功耗曲线模块、信息明细模块、综合保障模块以及智能分析库模块。

图3是系统管理模块，该模块基于平台视野，全局性的计算、分析与提取关键系统信息。“电力流”与“信息流”以直观的设备连接关系表达系统的能量流动、信息流动以及故障位置关系；依据动力电池的剩余电量、柴油发动机的剩余油量以及能耗大数据来预测分析平台可进行的续航里程、任务流程次数以及热带机时间等关键系统指标；柴油发电机组与动力电池组作为混合能源，在单一能源不足以提供峰值功率时，可智能协同补充，对二者的实时功率互补进行分析、展现。

图4是实时能耗曲线模块，该模块以“实时”为特点，通过实时监视动力电池电压、电流以及温度等基础信息，分析预测电池剩余电量SOC并绘制曲线，展现不同温度环境下时间与电压、时间与容量、时间与电流、容量与电压的曲线关系，并将实时电池数据作为大数据存储；通过实时绘制基于时间的电源实时电流曲线，实时表达了负载的用电能耗，同时作为用以分析负载运行状态的基础数据。

图5是信息明细模块，该模块管理数据包含了动力电池组的单体电压、电流、温度等参数；柴油发电机组以及变换电源的输出电压、电流、温度、频率等详细参数，信息明细数据的分类主要用于系统对不同层级的数据进行区分，可根据需求以不同的优先级和时间间隔进行展现和推送。

图6是综合保障模块，该模块以用户使用需求为牵引，对平台中保障类事务进行综合处理、分析以及提示。“故障预测与诊断”统计了设备的“已发生”故障，通过对故障次数、故障原因以及当前状态的综合分析，对“未发生”的故障进行预测；“维护保养”对系统(如柴油发电机组)的易损易耗件使用时间与使用状态进行统计分析，对下次保养时间给出提示，对电池组性能进行综合评判，对“可疑”单体进行隔离剔除并给予更换提醒。

图7是智能分析素材库模块，该模块将海量数据与实时数据库结合，通过机器学习算法实现对任务流程、功耗对比、故障专家库以及分级负载的智能化管理与分析。任务流程概论对近期系统进行的任务流程进行统计，对每个流程功耗进行分析；核心设备功耗对比主要对关键负载的近期用电量进行图表对比展现，可及时发现“状态不对称”负载；故障专家库主要用以对系统发生的所有故障数据以及故障原因记录入数据库中，故障排查时可作为素材库提取；负载分级管理用于电量不足时，对“低优先级”负载进行用电切断，以保证“高优先级”负载可靠运行。