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CN113829906B - 一种电动公交车的复合电源系统及其能量管理控制方法 - Google Patents

一种电动公交车的复合电源系统及其能量管理控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电动公交车的复合电源系统，包括电源模块和能量管理与控制模块，电源模块包括准动态无线充电模块，将电网电能无线传输到车载端，为储能模块和电机供电；储能模块，储存电能并为电机供电，接收准动态无线充电模块传输的电能；双向DC‑DC模块；所述能量管理与控制模块包括：电源检测模块；行驶状态检测模块，用于检测电动公交车当前的行驶状态与位置信息；交通状态检测模块，用于电动公交车与发射端进行信息传递；控制策略模块。本发明还公开了一种电动公交车的复合电源系统的能量管理控制方法。针对目前电动公交车充电方式单一的弊端，本发明可以使电动公交车充电过程更加智能化、便捷化和安全化。

Description

一种电动公交车的复合电源系统及其能量管理控制方法
技术领域
本发明涉及电动公交车复合电源系统技术领域，尤其是一种电动公交车的复合电源系统及其能量管理控制方法。
背景技术
电动汽车以其节能、环保、低噪声污染等优点，逐渐成为汽车行业的发展趋势之一。电动公交车作为电动汽车的典型应用，目前已经普及到我国的城市公共交通中。然而，由于锂离子电池的能量密度较低，储能较少并且质量和体积较大的缺点，公交车上配置锂离子电池的容量有限，否则增大公交车的成本。目前投入使用的电动公交车都采用插拔式有线充电的方式充电，需要搭载体积和重量较大的锂离子电池组，以保证一定的行驶里程能力和减少停车充电时间。
准动态无线充电技术作为一种新颖的充电方法，通过收发端线圈的动态磁耦合实现电能的无线传输，可以在电动公交车行驶过程中和停车时进行无线充电，以弥补电动公交车有线充电的充电时间长以及锂离子电池组较多等固有缺陷。由于公交车有固定的减速停车时间，锂离子电池可以在行驶和停靠的过程中接收并储存电能，可以减小锂离子电池组的数量，降低电动汽车的制造和使用成本。但是，准动态无线充电会存在功率波动等问题，并且频繁的充放电会降低电池的使用寿命。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种能够实现对复合电源系统充放电电量和充放电时间的动态控制，提高了复合电源电动公交车充放电的稳定性与准动态无线充电系统的实用性的电动公交车的复合电源系统。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种电动公交车的复合电源系统，包括电源模块和能量管理与控制模块，其中，所述电源模块包括：
准动态无线充电模块，用于在电动公交车夜间停车时、行驶过程中和停靠站等候时，将电网电能无线传输到车载端，为储能模块和电机供电；
储能模块，用于储存电动公交车行驶过程中所需的电能并为电机供电，接收准动态无线充电模块传输的电能；
双向DC-DC模块，用于调节输入输出侧的电压和电流，作为准动态无线充电模块和储能模块的电压变换模块；
所述能量管理与控制模块包括：
电源检测模块，用于检测锂离子电池组与超级电容组的SOC状态，以及电机的需求功率和准动态无线充电模块的输出电压和输出功率；
行驶状态检测模块，用于检测电动公交车当前的行驶状态与位置信息；
交通状态检测模块，用于电动公交车与发射端进行信息传递，反馈控制发射端的输入电压以及频率参数，接收实时交通状态数据，提前预测到下一站点前路况信息，预测出电动公交车的理想行驶速度和停车时间，以获取更多的充电时间和电能行驶到下一站点；
控制策略模块，控制电源模块的工作状态，判断电动公交车的两种行驶状态，对储能模块充放电和能量进行控制，根据交通状况和实时电量，通过控制充电时间和行驶速度来控制电源模块的能量和功率分配。
所述准动态无线充电模块包括：
发射端电能变换模块，由整流滤波模块、DC/DC变换模块和高频逆变模块组成，来自电网的交流电依次经过整流滤波模块、DC/DC变换模块，转换成电压和输出功率可控的直流电压，再经过高频逆变模块转化成交流方波电压，注入到发射端线圈及发射端补偿网络中；
接收端电能变换模块，由整流电路和滤波电路组成，接收端电能变换模块用于将接收端线圈通过磁耦合接收的交流电，转化为输出电压一定的直流电，为储能模块和电机供电；
收发端线圈模块，包括发射端线圈和接收端线圈，由于采用准动态无线充电，发射端线圈采用多个尺寸参数相同的阵列式分段导轨线圈，接收端线圈用于电动公交车在行驶过程中和停车时接收电能，通过发射端线圈和接收端线圈的动态近场磁耦合，实现能量在气隙中的无线传输；
收发端补偿网络模块，用于提高无线充电传输效率、系统有功功率和功率因数，包括发射端补偿网络和接收端补偿网络；所述发射端补偿网络采用LCC补偿拓扑，所述接收端补偿网络采用串联补偿拓扑。
所述储能模块包括：
超级电容组，作为辅助电源，对锂离子电池组的放电曲线进行削峰填谷，提高能量传递效率，用于制动能量回收；
锂离子电池组，用于提供电能供电动公交车的正常行驶。
所述控制策略模块包括：
充电与驱动状态管理与控制器，用于判断电动公交车的两种状态即驱动状态和充电状态，确定合理的能量管理与控制方法；
充电状态能量管理与控制器，用于在充电状态下，根据交通状况和实时电量，通过控制充电时间和行驶速度来控制电源模块的能量和功率分配；
驱动状态能量管理与控制器，用于在驱动状态下，对储能模块的充放电和能量进行控制。
本发明的另一目的在于提供一种电动公交车的复合电源系统的能量管理控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)首先通过电动公交车的行驶状态检测模块、交通状态检测模块，获取电动公交车的位置信息与行驶时间表，以及交通状态信息；
(2)当电动公交车即将通过有交通信号灯的路口，则控制策略模块通过判断交通信号灯的状态和时间，决定电动公交车进入充电模式或驱动模式；
(3)当电动公交车即将到达公交站点，则控制策略模块通过判断行驶时间和剩余电量，决定电动公交车进入充电模式或驱动模式；
(4)在电动公交车进入充电模式时，进行充电状态的能量管理与控制；
(5)在电动公交车进入驱动模式时，进行驱动状态的能量管理与控制。
所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2a)当电动公交车即将通过有交通信号灯的路口，若此时行驶方向上的信号灯为红灯，则电动公交车进入充电模式，在路口减速停车充电直至可以通过路口；
(2b)若此时行驶方向上的信号灯为绿灯，则判断绿色信号灯时间持续时间是否大于电动公交车正常通过路口的时间；若判断结果为是，则保持驱动模式通过路口，否则，判断是否能按照规定时间到下一站点；
(2c)若步骤(2b)的判断结果为是，即电动公交车等待一个红灯时间之后仍能按时到达下一站点，则电动公交车进入充电模式，在路口停车充电，直至下个绿色信号灯亮时通过；
(2d)若步骤(2b)的判断结果为否，即电动公交车等待一个红灯时间之后无法按时到达下一站点，则保持驱动模式加速通过路口，保证按时到达站点。
所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3a)当电动公交车即将到达公交站点，若在规定时间内到达公交站点，则电动公交车进入充电模式，减速停车，最大充电时间由行驶时间表规定的时间范围和到达时间决定，且不超过使乘客乘车满意度下降时间；到达最大充电时间之后，则预测并判断储能模块剩余电量能否保证到达下一站点；
(3b)若不在规定时间内到达公交站点，则直接预测并判断储能模块剩余电量能否保证到达下一站点；
(3c)若储能模块剩余电量能保证到达下一站点，在上下乘客或充电结束之后立即进入驱动模式离开当前站点；若储能模块剩余电量能无法保证到达下一站点，电动公交车进入或保持充电模式在站点充电，降低乘客满意度直至储能模块留有足够的电量到达下一站点。
所述步骤(4)具体包括以下步骤：
(4a)首先根据电动公交车的驱动状态能量管理与控制器，判断电动公交车当前处于行驶状态还是充电状态；
(4b)若此时为充电状态，结合电源检测模块提供的需求功率P0、准动态无线充电模块的输出功率PW、锂离子电池组的SOC值SOC-B以及超级电容组的SOC值SOC-C进行判断，首先，判断准动态无线充电模块的输出功率PW是否大于需求功率P0；
(4c)若PW<P0，则电源模块仍工作于驱动状态，为电机供电，输出功率为P0-PW，同时反馈准动态无线充电模块输出功率不足；
(4d)若PW>P0，则准动态无线充电模块在为电机供电的同时，将多余的电能用于储能模块供电，具体步骤如下：
(4d1)判断超级电容组的SOC值是否高于SOC-Cmax，若此时超级电容组的SOC值低于SOC-Cmax，则准动态无线充电模块单独为超级电容组充电，以减少电池的充放电次数，将超级电容组的SOC提高到SOC-Cmax；
(4d2)若超级电容组的SOC值大于SOC-Cmax，则通过控制与超级电容组相连的双向DC-DC模块，停止对超级电容组进行充电；
(4d3)判断锂离子电池组的SOC值是否大于SOC-Bmax，若锂离子电池的SOC值小于SOC-Bmax，则通过控制与锂离子电池组相连的双向DC-DC模块，控制输出端电压对锂离子电池进行充电；
(4d4)若判断锂离子电池的SOC值大于SOC-Bmax，则储能模块显示电量充满，此时反馈信号给准动态无线充电模块，减小准动态无线充电模块输出功率。
所述步骤(5)具体包括以下步骤：
(5a)首先根据电动公交车的驱动状态能量管理与控制器，判断电动公交车当前处于行驶状态还是充电状态；
(5b)若此时为驱动状态，则没有准动态无线充电模块的能量输入，根据电源检测模块提供的需求功率P0、锂离子电池组的SOC值SOC-B以及超级电容组的SOC值SOC-C进行判断，设锂离子电池组的SOC范围是[SOC-Bmin,SOC-Bmax]，超级电容组的SOC范围是[SOC-Cmin,SOC-Cmax]，若SOC值低于最小SOC值则无法继续工作；
(5c)判断超级电容组的SOC值是否低于SOC-Cmin，若大于SOC-Cmin，则判断超级电容组的输出功率PC是否大于电机的需求功率P0，若超级电容组的输出功率PC大于电机的需求功率P0，则调节双向DC-DC模块，使超级电容组单独工作，输出功率为P0；若超级电容组的输出功率PC小于电机的需求功率P0，则调节双向DC-DC模块，使超级电容组和锂离子电池组同时工作，此时超级电容组的输出功率为PC，锂离子电池组用于补充超级电容组功率不足的情况，即此时锂离子电池的输出功率PB＝P0-PC；
(5d)若超级电容组的SOC值小于等于SOC-Cmin，即超级电容组放电结束，此时只能由锂离子电池组单独工作，判断锂离子电池组的SOC状态：若锂离子电池组的SOC值大于SOC-Bmin，此时则判断锂离子电池组的输出功率PB是否大于电机的需求功率P0，若锂离子电池组的输出功率PB大于电机的需求功率P0，此时锂离子电池组单独供电，输出功率为P0；若锂离子电池组的输出功率PB小于电机的需求功率P0，则提示电源模块的能量不足；若锂离子电池的SOC值小于等于SOC-Bmin，提示电源模块的能量不足。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，针对目前电动公交车充电方式单一的弊端，本发明可以使电动公交车充电过程更加智能化、便捷化和安全化；第二，针对目前电动公交车储能模块体积和质量较大的问题，本发明能够降低电动公交车储能模块的质量和行驶过程能量损耗，使电动公交车的动力性和经济性都得到改善；第三，针对电动公交车蓄电池的使用寿命短和不适应频繁充放电的缺点，本发明提出了蓄电池加超级电容的储能模块构，使蓄电池的使用寿命的放电特性得到改善；第四，针对电动公交车行驶过程中可能遇到复杂交通工况，从而影响公交车的准动态无线充电，本发明设计了一种动态行驶状态管理方法，使公交车能够在各种工况下安全到达下一站点。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图；
图2为本发明中准动态无线充电模块的LCC-S补偿拓补结构示意图；
图3为收发端线圈模块的分布示意图；
图4为本发明的方法流程图；
图5为图4中驱动状态能量管理与控制的方法流程图；
图6为图4中充电状态能量管理与控制的方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种电动公交车的复合电源系统，包括电源模块和能量管理与控制模块，其中，所述电源模块包括：
准动态无线充电模块，用于在电动公交车夜间停车时、行驶过程中和停靠站等候时，将电网电能无线传输到车载端，为储能模块和电机供电；
储能模块，用于储存电动公交车行驶过程中所需的电能并为电机供电，接收准动态无线充电模块传输的电能；用于在未充电状态下保证电动公交车的续航能力，完成电源模块的充放电过程，还可以用于接收电机通过制动能量回收所回收的电能；
双向DC-DC模块，用于调节输入输出侧的电压和电流，作为准动态无线充电模块和储能模块的电压变换模块；
所述能量管理与控制模块包括：
电源检测模块，用于检测锂离子电池组与超级电容组的SOC状态，以及电机的需求功率和准动态无线充电模块的输出电压和输出功率；
行驶状态检测模块，用于检测电动公交车当前的行驶状态与位置信息反馈给能量管理与控制模块，由控制策略模块通过计算给出行驶指令，驾驶员根据行驶指令改变汽车的行驶状态；主要包括公交车车速信号传感器、公交车加速度信号传感器和公交车位置信息传感器；
交通状态检测模块，主要包括无线信号发射器与无线信号接收器，用于电动公交车与发射端进行信息传递，反馈控制发射端的输入电压以及频率参数，接收实时交通状态数据，提前预测到下一站点前路况信息，预测出电动公交车的理想行驶速度和停车时间，以获取更多的充电时间和电能行驶到下一站点；
控制策略模块，控制电源模块的工作状态，判断电动公交车的两种行驶状态，对储能模块充放电和能量进行控制，根据交通状况和实时电量，通过控制充电时间和行驶速度来控制电源模块的能量和功率分配。
能量管理与控制模块用于电源模块在充放电的过程中，通过检测储能模块的充放电电压与SOC状态，以及电动公交车的实时功率需求和行驶状态，准动态无线充电模块的输出电压及输出功率，控制电源模块的供电模式以及充电模式，达到合理的功率与能量分配，实现电源模块的使用效率和使用寿命最大化。
所述准动态无线充电模块包括：
发射端电能变换模块，由整流滤波模块、DC/DC变换模块和高频逆变模块组成，来自电网的交流电依次经过整流滤波模块、DC/DC变换模块，转换成电压和输出功率可控的直流电压，再经过高频逆变模块转化成交流方波电压，注入到发射端线圈1及发射端补偿网络中；
接收端电能变换模块，由整流电路和滤波电路组成，接收端电能变换模块用于将接收端线圈2通过磁耦合接收的交流电，转化为输出电压一定的直流电，为储能模块和电机供电；
收发端线圈模块，包括发射端线圈1和接收端线圈2，由于采用准动态无线充电，发射端线圈1采用多个尺寸参数相同的阵列式分段导轨线圈，接收端线圈2用于电动公交车在行驶过程中和停车时接收电能，通过发射端线圈1和接收端线圈2的动态近场磁耦合，实现能量在气隙中的无线传输；
收发端补偿网络模块，用于提高无线充电传输效率、系统有功功率和功率因数，包括发射端补偿网络和接收端补偿网络；所述发射端补偿网络采用LCC补偿拓扑，所述接收端补偿网络采用串联补偿拓扑。
所述储能模块包括：
超级电容组，作为辅助电源，对锂离子电池组的放电曲线进行削峰填谷，提高能量传递效率，用于制动能量回收；
锂离子电池组，用于提供电能供电动公交车的正常行驶。
二者都通过电压变换模块与电动公交车的电动机和准动态无线充电模块相连接，作为电动机的驱动电源电动公交车的储能模块。
由于锂离子电池组的充电特性，充电较为缓慢，充电电压和电流不能过大，且频繁充放电会影响电池寿命。而超级电容组相对锂离子电池组来说，具有充放电次数多、输出功率大、热性能良好和内阻低等优点，故可以用超级电容组接收准动态无线充电模块、汽车制动以及电机的能量，以减少锂离子电池组的充放电次数。
双向DC-DC模块，用于调节输入输出侧的电压和电流，作为准动态无线充电模块和储能模块的电压变换模块，可以根据充电电压、储能模块需求电压以及电动机需求功率等需要，搭配一定数量的双向DC-DC模块。超级电容组和锂离子电池组分别通过双向DC-DC模块为电机供电，双向DC-DC模块可以控制超级电容组和锂离子电池组的端电压以及输出电压，输出直流电压经过三相逆变器转换为三相交流电驱动电机。当电动公交车减速制动时，也可以作为发电机通过双向DC-DC模块将制动能量回收至储能模块。双向DC-DC模块根据电源检测模块检测到的超级电容组和锂离子电池组的SOC状态，以及准动态无线充电模块输出功率和电机需求功率，根据控制策略模块给出的控制信号，控制双向DC-DC的输入和输出电压和电流，控制超级电容组和锂离子电池组充电能量的合理分配，以及输入和输出功率的合理分配。
所述控制策略模块包括：
充电与驱动状态管理与控制器，用于判断电动公交车的两种状态即驱动状态和充电状态，确定合理的能量管理与控制方法；
充电状态能量管理与控制器，用于在充电状态下，根据交通状况和实时电量，通过控制充电时间和行驶速度来控制电源模块的能量和功率分配；
驱动状态能量管理与控制器，用于在驱动状态下，对储能模块的充放电和能量进行控制。
如图1所示，通过准动态无线充电模块提供的电能，可以用于直接驱动电机，也可以通过双向DC/DC模块将能量传递给储能模块储存，在驱动状态下为电机供电。储能模块在驱动状态下通过双向DC/DC模块为电机供电，也可用于回收制动能量。能量传递方向与传递过程由控制策略模块来进行控制。
如图4、5、6所示，本方法包括下列顺序的步骤：
(1)首先通过电动公交车的行驶状态检测模块、交通状态检测模块，获取电动公交车的位置信息与行驶时间表，以及交通状态信息；
(2)当电动公交车即将通过有交通信号灯的路口，则控制策略模块通过判断交通信号灯的状态和时间，决定电动公交车进入充电模式或驱动模式；
(3)当电动公交车即将到达公交站点，则控制策略模块通过判断行驶时间和剩余电量，决定电动公交车进入充电模式或驱动模式；
(4)在电动公交车进入充电模式时，进行充电状态的能量管理与控制；
(5)在电动公交车进入驱动模式时，进行驱动状态的能量管理与控制。
如图4所示，所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2a)当电动公交车即将通过有交通信号灯的路口，若此时行驶方向上的信号灯为红灯，则电动公交车进入充电模式，在路口减速停车充电直至可以通过路口；
(2b)若此时行驶方向上的信号灯为绿灯，则判断绿色信号灯时间持续时间是否大于电动公交车正常通过路口的时间；若判断结果为是，则保持驱动模式通过路口，否则，判断是否能按照规定时间到下一站点；
(2c)若步骤(2b)的判断结果为是，即电动公交车等待一个红灯时间之后仍能按时到达下一站点，则电动公交车进入充电模式，在路口停车充电，直至下个绿色信号灯亮时通过；
(2d)若步骤(2b)的判断结果为否，即电动公交车等待一个红灯时间之后无法按时到达下一站点，则保持驱动模式加速通过路口，保证按时到达站点。
如图4所示，所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3a)当电动公交车即将到达公交站点，若在规定时间内到达公交站点，则电动公交车进入充电模式，减速停车，最大充电时间由行驶时间表规定的时间范围和到达时间决定，且不超过使乘客乘车满意度下降时间；到达最大充电时间之后，则预测并判断储能模块剩余电量能否保证到达下一站点；
(3b)若不在规定时间内到达公交站点，则直接预测并判断储能模块剩余电量能否保证到达下一站点；
(3c)若储能模块剩余电量能保证到达下一站点，在上下乘客或充电结束之后立即进入驱动模式离开当前站点；若储能模块剩余电量能无法保证到达下一站点，电动公交车进入或保持充电模式在站点充电，降低乘客满意度直至储能模块留有足够的电量到达下一站点。
如图6所示，所述步骤(4)具体包括以下步骤：
(4a)首先根据电动公交车的驱动状态能量管理与控制器，判断电动公交车当前处于行驶状态还是充电状态；
(4b)若此时为充电状态，结合电源检测模块提供的需求功率P0、准动态无线充电模块的输出功率PW、锂离子电池组的SOC值SOC-B以及超级电容组的SOC值SOC-C进行判断，首先，判断准动态无线充电模块的输出功率PW是否大于需求功率P0；
(4c)若PW<P0，则电源模块仍工作于驱动状态，为电机供电，输出功率为P0-PW，同时反馈准动态无线充电模块输出功率不足；
(4d)若PW>P0，则准动态无线充电模块在为电机供电的同时，将多余的电能用于储能模块供电，具体步骤如下：
(4d1)判断超级电容组的SOC值是否高于SOC-Cmax，若此时超级电容组的SOC值低于SOC-Cmax，则准动态无线充电模块单独为超级电容组充电，以减少电池的充放电次数，将超级电容组的SOC提高到SOC-Cmax；
(4d2)若超级电容组的SOC值大于SOC-Cmax，则通过控制与超级电容组相连的双向DC-DC模块，停止对超级电容组进行充电；
(4d3)判断锂离子电池组的SOC值是否大于SOC-Bmax，若锂离子电池的SOC值小于SOC-Bmax，则通过控制与锂离子电池组相连的双向DC-DC模块，控制输出端电压对锂离子电池进行充电；
(4d4)若判断锂离子电池的SOC值大于SOC-Bmax，则储能模块显示电量充满，此时反馈信号给准动态无线充电模块，减小准动态无线充电模块输出功率。
如图5所示，所述步骤(5)具体包括以下步骤：
(5a)首先根据电动公交车的驱动状态能量管理与控制器，判断电动公交车当前处于行驶状态还是充电状态；
(5b)若此时为驱动状态，则没有准动态无线充电模块的能量输入，根据电源检测模块提供的需求功率P0、锂离子电池组的SOC值SOC-B以及超级电容组的SOC值SOC-C进行判断，设锂离子电池组的SOC范围是[SOC-Bmin,SOC-Bmax]，超级电容组的SOC范围是[SOC-Cmin,SOC-Cmax]，若SOC值低于最小SOC值则无法继续工作；
(5c)判断超级电容组的SOC值是否低于SOC-Cmin，若大于SOC-Cmin，则判断超级电容组的输出功率PC是否大于电机的需求功率P0，若超级电容组的输出功率PC大于电机的需求功率P0，则调节双向DC-DC模块，使超级电容组单独工作，输出功率为P0；若超级电容组的输出功率PC小于电机的需求功率P0，则调节双向DC-DC模块，使超级电容组和锂离子电池组同时工作，此时超级电容组的输出功率为PC，锂离子电池组用于补充超级电容组功率不足的情况，即此时锂离子电池的输出功率PB＝P0-PC；
(5d)若超级电容组的SOC值小于等于SOC-Cmin，即超级电容组放电结束，此时只能由锂离子电池组单独工作，判断锂离子电池组的SOC状态：若锂离子电池组的SOC值大于SOC-Bmin，此时则判断锂离子电池组的输出功率PB是否大于电机的需求功率P0，若锂离子电池组的输出功率PB大于电机的需求功率P0，此时锂离子电池组单独供电，输出功率为P0；若锂离子电池组的输出功率PB小于电机的需求功率P0，则提示电源模块的能量不足；若锂离子电池的SOC值小于等于SOC-Bmin，提示电源模块的能量不足。
如图2所示，所述的发射端补偿网络主要包括发射端补偿电感Lf、发射端第一补偿电容CP、发射端第二补偿电容Cf，接收端补偿网络主要包括接收端补偿电容CS；收发端线圈模块包括发射端线圈LP和接收端线圈LS；M为收发端线圈耦合互感，Rf、RP、RS分别为Lf、LP、LS的内阻，通过发射端线圈LP与接收端线圈LS的近场磁耦合效应，将电能输入车载接收端线圈之中。所述的接收端电能变换模块由全桥整流电路和滤波电路组成，接收端磁耦合产生的交流电经过接收端补偿电路和整流滤波电路之后，转化成直流电压源为电源模块供电。
如图3所示，发射端线圈1布置于公交专用车道上，分布于公交车行驶路径中的公交站点和路口处，在电动公交车减速停车时为电动公交车充电。发射端线圈1的数量由充电功率、充电时间和铺设成本决定，理论上线圈数量越多，则充电时间和充电功率会显著提高，公交车的储能模块的容量就越小，但是会增大准动态无线充电模块的铺设成本。接收端线圈2位于各电动公交车的底盘部位，与地面保持最优安全距离，既有利于提高准动态无线充电模块充电效率，又可以保证不受地面障碍物干扰。
当电动公交车行驶到铺设有准动态无线充电发射端线圈1的路面即准动态无线充电路面上时，电网电能经过AC/DC整流滤波、功率因数校正PFC模块和Buck降压模块，转换成电压和输出功率可控的直流电压，再经过高频逆变器转化成交流方波电压，注入到准动态无线充电的发射端，发射端线圈1与接收端线圈2通过近场磁耦合将能量传输到电动公交车车载接收端，结构整流滤波之后，转化成电压可控的直流电压，经过双向DC/DC变换电路调节电压大小，将能量输入到电源模块之中，SOC状态检测模块用于检测电源模块的SOC状态，控制策略模块用于接收车速、交通状态、SOC状态等信息，根据控制算法控制充电方式和功率分配，并反馈给准动态无线充电模块发射端电路，实现结合交通状态的电源模块的闭环控制。
综上所述，本发明针对目前电动公交车充电方式单一的弊端，本发明可以使电动公交车充电过程更加智能化、便捷化和安全化；针对目前电动公交车储能模块体积和质量较大的问题，本发明能够降低电动公交车储能模块的质量和行驶过程能量损耗，使电动公交车的动力性和经济性都得到改善。

Claims (9)

1.一种电动公交车的复合电源系统，其特征在于：包括电源模块和能量管理与控制模块，其中，所述电源模块包括：
准动态无线充电模块，用于在电动公交车夜间停车时、行驶过程中和停靠站等候时，将电网电能无线传输到车载端，为储能模块和电机供电；
储能模块，用于储存电动公交车行驶过程中所需的电能并为电机供电，接收准动态无线充电模块传输的电能；
双向DC-DC模块，用于调节输入输出侧的电压和电流，作为准动态无线充电模块和储能模块的电压变换模块；
所述能量管理与控制模块包括：
电源检测模块，用于检测锂离子电池组与超级电容组的SOC状态，以及电机的需求功率和准动态无线充电模块的输出电压和输出功率；
行驶状态检测模块，用于检测电动公交车当前的行驶状态与位置信息；
交通状态检测模块，用于电动公交车与发射端进行信息传递，反馈控制发射端的输入电压以及频率参数，接收实时交通状态数据，提前预测到下一站点前路况信息，预测出电动公交车的理想行驶速度和停车时间，以获取更多的充电时间和电能行驶到下一站点；
控制策略模块，控制电源模块的工作状态，判断电动公交车的两种行驶状态，对储能模块充放电和能量进行控制，根据交通状况和实时电量，通过控制充电时间和行驶速度来控制电源模块的能量和功率分配。
2.根据权利要求1所述的电动公交车的复合电源系统，其特征在于：所述准动态无线充电模块包括：
发射端电能变换模块，由整流滤波模块、DC/DC变换模块和高频逆变模块组成，来自电网的交流电依次经过整流滤波模块、DC/DC变换模块，转换成电压和输出功率可控的直流电压，再经过高频逆变模块转化成交流方波电压，注入到发射端线圈及发射端补偿网络中；
接收端电能变换模块，由整流电路和滤波电路组成，接收端电能变换模块用于将接收端线圈通过磁耦合接收的交流电，转化为输出电压一定的直流电，为储能模块和电机供电；
收发端线圈模块，包括发射端线圈和接收端线圈，由于采用准动态无线充电，发射端线圈采用多个尺寸参数相同的阵列式分段导轨线圈，接收端线圈用于电动公交车在行驶过程中和停车时接收电能，通过发射端线圈和接收端线圈的动态近场磁耦合，实现能量在气隙中的无线传输；
收发端补偿网络模块，用于提高无线充电传输效率、系统有功功率和功率因数，包括发射端补偿网络和接收端补偿网络；所述发射端补偿网络采用LCC补偿拓扑，所述接收端补偿网络采用串联补偿拓扑。
3.根据权利要求1所述的电动公交车的复合电源系统，其特征在于：所述储能模块包括：
超级电容组，作为辅助电源，对锂离子电池组的放电曲线进行削峰填谷，提高能量传递效率，用于制动能量回收；
锂离子电池组，用于提供电能供电动公交车的正常行驶。
4.根据权利要求1所述的电动公交车的复合电源系统，其特征在于：所述控制策略模块包括：
充电与驱动状态管理与控制器，用于判断电动公交车的两种状态即驱动状态和充电状态，确定合理的能量管理与控制方法；
充电状态能量管理与控制器，用于在充电状态下，根据交通状况和实时电量，通过控制充电时间和行驶速度来控制电源模块的能量和功率分配；
驱动状态能量管理与控制器，用于在驱动状态下，对储能模块的充放电和能量进行控制。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电动公交车的复合电源系统的能量管理控制方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：
(1)首先通过电动公交车的行驶状态检测模块、交通状态检测模块，获取电动公交车的位置信息与行驶时间表，以及交通状态信息；
(2)当电动公交车即将通过有交通信号灯的路口，则控制策略模块通过判断交通信号灯的状态和时间，决定电动公交车进入充电模式或驱动模式；
(3)当电动公交车即将到达公交站点，则控制策略模块通过判断行驶时间和剩余电量，决定电动公交车进入充电模式或驱动模式；
(4)在电动公交车进入充电模式时，进行充电状态的能量管理与控制；
(5)在电动公交车进入驱动模式时，进行驱动状态的能量管理与控制。
6.根据权利要求5所述的电动公交车的复合电源系统的能量管理控制方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2a)当电动公交车即将通过有交通信号灯的路口，若此时行驶方向上的信号灯为红灯，则电动公交车进入充电模式，在路口减速停车充电直至可以通过路口；
(2b)若此时行驶方向上的信号灯为绿灯，则判断绿色信号灯时间持续时间是否大于电动公交车正常通过路口的时间；若判断结果为是，则保持驱动模式通过路口，否则，判断是否能按照规定时间到下一站点；
(2c)若步骤(2b)的判断结果为是，即电动公交车等待一个红灯时间之后仍能按时到达下一站点，则电动公交车进入充电模式，在路口停车充电，直至下个绿色信号灯亮时通过；
(2d)若步骤(2b)的判断结果为否，即电动公交车等待一个红灯时间之后无法按时到达下一站点，则保持驱动模式加速通过路口，保证按时到达站点。
7.根据权利要求5所述的电动公交车的复合电源系统的能量管理控制方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3a)当电动公交车即将到达公交站点，若在规定时间内到达公交站点，则电动公交车进入充电模式，减速停车，最大充电时间由行驶时间表规定的时间范围和到达时间决定，且不超过使乘客乘车满意度下降时间；到达最大充电时间之后，则预测并判断储能模块剩余电量能否保证到达下一站点；
(3b)若不在规定时间内到达公交站点，则直接预测并判断储能模块剩余电量能否保证到达下一站点；
(3c)若储能模块剩余电量能保证到达下一站点，在上下乘客或充电结束之后立即进入驱动模式离开当前站点；若储能模块剩余电量能无法保证到达下一站点，电动公交车进入或保持充电模式在站点充电，降低乘客满意度直至储能模块留有足够的电量到达下一站点。
8.根据权利要求5所述的电动公交车的复合电源系统的能量管理控制方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括以下步骤：
(4a)首先根据电动公交车的驱动状态能量管理与控制器，判断电动公交车当前处于行驶状态还是充电状态；
(4b)若此时为充电状态，结合电源检测模块提供的需求功率P0、准动态无线充电模块的输出功率PW、锂离子电池组的SOC值SOC-B以及超级电容组的SOC值SOC-C进行判断，首先，判断准动态无线充电模块的输出功率PW是否大于需求功率P0；
(4c)若PW<P0，则电源模块仍工作于驱动状态，为电机供电，输出功率为P0-PW，同时反馈准动态无线充电模块输出功率不足；
(4d)若PW>P0，则准动态无线充电模块在为电机供电的同时，将多余的电能用于储能模块供电，具体步骤如下：
(4d1)判断超级电容组的SOC值是否高于SOC-Cmax，若此时超级电容组的SOC值低于SOC-Cmax，则准动态无线充电模块单独为超级电容组充电，以减少电池的充放电次数，将超级电容组的SOC提高到SOC-Cmax；
(4d2)若超级电容组的SOC值大于SOC-Cmax，则通过控制与超级电容组相连的双向DC-DC模块，停止对超级电容组进行充电；
(4d3)判断锂离子电池组的SOC值是否大于SOC-Bmax，若锂离子电池的SOC值小于SOC-Bmax，则通过控制与锂离子电池组相连的双向DC-DC模块，控制输出端电压对锂离子电池进行充电；
(4d4)若判断锂离子电池的SOC值大于SOC-Bmax，则储能模块显示电量充满，此时反馈信号给准动态无线充电模块，减小准动态无线充电模块输出功率。
9.根据权利要求5所述的电动公交车的复合电源系统的能量管理控制方法，其特征在于：所述步骤(5)具体包括以下步骤：
(5a)首先根据电动公交车的驱动状态能量管理与控制器，判断电动公交车当前处于行驶状态还是充电状态；
(5b)若此时为驱动状态，则没有准动态无线充电模块的能量输入，根据电源检测模块提供的需求功率P0、锂离子电池组的SOC值SOC-B以及超级电容组的SOC值SOC-C进行判断，设锂离子电池组的SOC范围是[SOC-Bmin,SOC-Bmax]，超级电容组的SOC范围是[SOC-Cmin,SOC-Cmax]，若SOC值低于最小SOC值则无法继续工作；
(5c)判断超级电容组的SOC值是否低于SOC-Cmin，若大于SOC-Cmin，则判断超级电容组的输出功率PC是否大于电机的需求功率P0，若超级电容组的输出功率PC大于电机的需求功率P0，则调节双向DC-DC模块，使超级电容组单独工作，输出功率为P0；若超级电容组的输出功率PC小于电机的需求功率P0，则调节双向DC-DC模块，使超级电容组和锂离子电池组同时工作，此时超级电容组的输出功率为PC，锂离子电池组用于补充超级电容组功率不足的情况，即此时锂离子电池的输出功率PB＝P0-PC；
(5d)若超级电容组的SOC值小于等于SOC-Cmin，即超级电容组放电结束，此时只能由锂离子电池组单独工作，判断锂离子电池组的SOC状态：若锂离子电池组的SOC值大于SOC-Bmin，此时则判断锂离子电池组的输出功率PB是否大于电机的需求功率P0，若锂离子电池组的输出功率PB大于电机的需求功率P0，此时锂离子电池组单独供电，输出功率为P0；若锂离子电池组的输出功率PB小于电机的需求功率P0，则提示电源模块的能量不足；若锂离子电池的SOC值小于等于SOC-Bmin，提示电源模块的能量不足。
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