一种PMSC复合式半主动型馈能系统及其工作方法

一种pmsc复合式半主动型馈能系统及其工作方法
技术领域
1.本发明属于汽车储能技术领域，具体涉及超级电容与锂电池组成的半主动型复合式永磁转差离合器馈能系统及其工作方法


背景技术：

2.针对中重型商用车普遍采用的液压助力转向系统(hydraulic power steering system，hps)助力特性不可变的缺点，人们提出一种永磁转差离合器式电控液压助力转向系统(p
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echps)，通过精确控制其关键部件永磁转差离合器(pmsc)中内转子转速，从而对p
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echps整个系统实现良好的助力控制，同时由于转向泵由pmsc驱动运转，通过调节pmsc的输出转速可以将转向泵转速控制在理想范围内，无需传统hps中的流量控制阀，可避免溢流损耗。
3.相比永磁涡流耦合器，pmsc的转差能量转变为外转子三相绕组中的转差电能，不以涡流热损的形式丢失，可通过外控制电路对其进行回收，实现更节能、高效的动力传动。
4.中国专利201610101728.2采用自适应非奇异终端滑模控制方法，克服了系统参数摄动和外界干扰不确定性问题，减少抖振，具有很强的鲁棒性，实现对永磁转差离合器输出转速的精确控制，保证跟踪误差快速收敛到零。但是未能考虑pmsc转差能量的回收、存储以及利用，包括pmsc馈能系统的设计及其工作方法等问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足，本申请提出了一种pmsc复合式半主动型馈能系统及其工作方法；本发明所设计的馈能系统及其控制方法简单，相比于其它构型的馈能系统来说，控制的复杂程度更低，可实现更节能、高效的动力传动。
6.本发明所采用的技术方案如下：
7.一种pmsc复合式半主动型馈能系统，包括pmsc外控制电路、发动机、电机、pmsc、充放电控制系统和复合式馈能系统；发动机和电机均为pmsc的外转子提供动力；pmsc外控制电路与pmsc之间电信号连接，由pmsc外控制电路控制pmsc中外转子转速；
8.所述充放电控制系统包括转速传感器、电子控制单元、充电控制单元和放电控制单元；所述转速传感器采集pmsc的内转子转速并输入电子控制单元，电子控制单元根据内转子和外转子的转速差判断车辆是否处于转向工况；并根据车辆所处工况输出控制指令至充电控制单元和放电控制单元；放电控制单元分别连接电机和复合式馈能系统；充电控制单元分别连接pmsc外控制电路和复合式馈能系统。
9.进一步，放电控制单元包括第一pwm控制器，第一pwm控制器的输入端连接电子控制单元的输出端，用于接收电子控制单元所输出的控制指令；第一pwm控制器的输出端连接igbt1的控制信号输入端，igbt1的电流输入端连接复合式馈能系统，igbt1的电流输出端连接电机；第一pwm控制器根据电子控制单元发出的控制指令控制igbt1的连通或断开，进而控制是否由复合式馈能系统向电机供能。
10.进一步，充电控制单元包括第二pwm控制器，第二pwm控制器的输入端连接电子控制单元的输出端，用于接收电子控制单元所输出的控制指令；第二pwm控制器的输出端连接igbt2的控制信号输入端，igbt2的电流输入端连接pmsc外控制电路，igbt2的电流输出端连接复合式馈能系统；第二pwm控制器根据电子控制单元发出的控制指令控制igbt2的连通或断开，进而控制复合式馈能系统内是否进行充电。
11.进一步，复合式馈能系统包括超级电容、功率二极管、单向dc/dc变换器和锂电池；功率二极管与锂电池串联后与超级电容并联，且锂电池和超级电容之间连接有单向dc/dc变换器。
12.一种pmsc复合式半主动型馈能系统的工作方法，包括如下步骤：
13.s1、根据pmsc内转子转速，判断车辆是否处于转向工况；
14.s2、电子控制单元根据车辆所处工况输出控制指令；
15.s2.1、若车辆处于转向工况，pmsc外控制电路的电压低于复合式馈能系统的电路电压，电子控制单元输出放电控制指令给放电控制单元和充电控制单元；复合式馈能系统进入放电过程；
16.s2.2、若车辆处于直行工况，pmsc外控制电路的电压高于复合式馈能系统的电路电压，电子控制单元输出充电控制指令给放电控制单元和充电控制单元；复合式馈能系统进入充电过程。
17.进一步，所述s2.1中放电过程为：
18.s2.1.1、放电控制单元和充电控制单元接收放电控制指令后，第一pwm控制器控制igbt1连通，第二pwm控制器控制igbt2断开；
19.s2.1.2、判断超级电容的电压是否大于锂电池的电压；若超级电容的电压高于锂电池的电压，超级电容承担全部输出功率，由超级电容向电机供能；当超级电容的电压下降至锂电池的电压时，功率二极管协助锂电池与超级电容一起输出功率，向电机供能。
20.进一步，所述s2.2中充电过程为：
21.s2.2.1、放电控制单元和充电控制单元接收充电控制指令后，第一pwm控制器控制igbt1断开，第二pwm控制器控制igbt2连通；
22.s2.2.2、判断超级电容是否满电；若超级电容未充满电，pmsc外控制电路输出外转子三相绕组中的转差电能，并将转差电能全部用于给超级电容充电；当超级电容充满电后，剩余的转差电能全部通过单向dc/dc变换器给锂电池充电。
23.本发明的有益效果：
24.本发明通过使用超级电容与锂电池组成的复合式半主动型馈能系统来回收pmsc的转差电能，并根据车辆的行驶状况，实时控制系统的半主动型复合式馈能系统充放电状态，实现了更节能、高效的动力传动。并且由于使用了单向dc/dc变换器以及功率二极管，使得馈能系统控制算法简单，与其它构型的储能系统相比，具有自调节、成本低、控制效率高等特点。
附图说明
25.图1是本发明半主动型pmsc复合式馈能系统结构图；
26.图2是本发明半主动型pmsc复合式馈能系统控制方法流程；
27.图中，1、pmsc外控制电路，2、发动机，3、pmsc，4、电机，5、转速传感器，6、电子控制单元，7、充放电控制系统，8、第一pwm控制器，9、igbt1，10、第二pwm控制器，11、igbt2，12、复合式馈能系统，13、超级电容，14、功率二极管，15、单向dc/dc变换器，16、锂电池。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
29.如图1所示，一种pmsc复合式半主动型馈能系统，包括：pmsc外控制电路1、发动机2、电机4、pmsc 3(即永磁转差离合器)、充放电控制系统7和复合式馈能系统12。
30.发动机2的输出轴连接pmsc 3的外转子，由发动机2驱动pmsc 3的外转子转动。
31.pmsc外控制电路1与pmsc 3之间电信号连接，由pmsc外控制电路1控制pmsc 3中外转子转速。
32.电机4的电流输入端通过电路连接复合式馈能系统12，由复合式馈能系统12向电机4供能；电机4的动力输出端连接pmsc 3的外转子，协助发动机2带动pmsc 3的外转子转动，可降低发动机2的负载，从而达到节能的目的。
33.充放电控制系统7包括转速传感器5、电子控制单元6、充电控制单元和放电控制单元；转速传感器5与pmsc 3之间电信号连接，利用转速传感器5采集pmsc3的内转子转速；转速传感器5的输出端通过电信号连接电子控制单元6的输入端，转速传感器5将其所采集的内转子转速输入电子控制单元6，电子控制单元6的输出端分别连接充电控制单元和放电控制单元。电子控制单元6根据内转子和外转子的转速差判断车辆是否处于转向工况；并根据车辆所处工况输出控制指令。
34.放电控制单元包括第一pwm控制器8，第一pwm控制器8的输入端连接电子控制单元6的输出端，用于接收电子控制单元6所输出的控制指令；第一pwm控制器8的输出端连接igbt
1 9的控制信号输入端，igbt
1 9的电流输入端连接复合式馈能系统12，igbt19的电流输出端连接电机4；第一pwm控制器8根据电子控制单元6发出的控制指令控制igbt
1 9的连通或断开，进而控制是否由复合式馈能系统12向电机4供能。
35.充电控制单元包括第二pwm控制器10，第二pwm控制器10的输入端连接电子控制单元6的输出端，用于接收电子控制单元6所输出的控制指令；第二pwm控制器10的输出端连接igbt
2 11的控制信号输入端，igbt
2 11的电流输入端连接pmsc外控制电路1，igbt
2 11的电流输出端连接复合式馈能系统12；第二pwm控制器10根据电子控制单元6发出的控制指令控制igbt
2 11的连通或断开，进而控制复合式馈能系统12内是否进行充电。
36.复合式馈能系统12包括超级电容13、功率二极管14、单向dc/dc变换器15和锂电池16；具体地，功率二极管14与锂电池16串联后与超级电容13并联，且锂电池16和超级电容13之间连接有单向dc/dc变换器15。本申请复合式馈能系统12中的超级电容13利用大功率密度特性，吸收瞬时大电流的冲击，保护锂电池16，从而提高储能系统的使用寿命，同时也可以在短时间内释放大电流，满足中重型商用车原地转向时转向系统大转矩的需求。锂电池16可利用大能量密度特性，增加馈能系统的储能容量，弥补超级电容13能量密度小的缺点，以提高储能经济性。单向dc/dc变换器15只在超级电容13充满电的情况下才有可能工作，其
主要功能就是将剩余的能量储存到锂电池中，使复合式馈能系统12具有成本低、效率高等特性。功率二极管14使得单向dc/dc变换器15的工作频率进一步降低，系统工作效率得到提高。
37.基于上述的一种pmsc复合式半主动型馈能系统，本申请还提出了一种pmsc复合式半主动型馈能系统的工作方法，如图2所示，包括以下内容：
38.s1、电子控制单元6根据转速传感器5所测量的pmsc 3内转子转速，判断车辆是否处于转向工况；判断车辆是否处于转向工况的依据为：根据转速传感器5所测得的pmsc 3的内转子转速，若内转子转速小于等于400rpm，则判断该车辆处于直行工况；若内转子转速大于400rpm，则判断车辆处于转向工况。
39.s2、根据车辆所处工况，复合式馈能系统12进行放电过程或者充电过程；具体地，
40.s2.1、若车辆处于转向工况，pmsc外控制电路1的电压低于复合式馈能系统12的电路电压，复合式馈能系统12进入放电过程。该放电过程的控制方法为：
41.s2.1.1、放电控制单元和充电控制单元接收放电控制指令后，第一pwm控制器8控制igbt
1 9连通，第二pwm控制器10控制igbt
2 11断开；
42.s2.1.2、判断超级电容13的电压是否大于锂电池16的电压；若超级电容13的电压高于锂电池16的电压，超级电容13承担全部输出功率，由超级电容13向电机4供能；当超级电容13的电压下降至锂电池16的电压时，功率二极管14协助锂电池16与超级电容13一起输出功率，向电机4供能；如果放电状态但是复合式馈能系统12处于亏电的情况，则继续由发动机2带动pmsc 3外转子转动。
43.s2.2、若车辆处于直行工况，pmsc外控制电路1的电压高于复合式馈能系统12的电路电压，复合式馈能系统12进入充电过程。该充电过程的控制方法为：
44.s2.2.1、放电控制单元和充电控制单元接收充电控制指令后，第一pwm控制器8控制igbt
1 9断开，第二pwm控制器10控制igbt
2 11连通；
45.s2.2.2、判断超级电容13是否满电，若超级电容13未充满电，pmsc外控制电路1输出外转子三相绕组中的转差电能，并将三相绕组中的转差电能全部用于给超级电容13充电；当超级电容13充满电后，剩余的能量全部通过单向dc/dc变换器15给锂电池16充电。
46.以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。