發(fā)布時間：2017-12-09 01:06

  本文關(guān)鍵詞：純電動汽車用復合電源匹配與控制理論研究

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【摘要】：環(huán)境保護和節(jié)能減排是當前社會面臨的兩大嚴峻考驗。傳統(tǒng)汽車消耗大量化石燃料并排出尾氣是造成當前霧霾的重要原因之一。在交通領(lǐng)域推行新能源汽車,將有助于降低污染和能耗問題。電動汽車可以有效降低車輛行駛過程中的排放,尤其對于城市的未來健康發(fā)展,具有重要的積極作用。電動汽車的核心是車載電源,如何盡可能延長目前成本較高的電池的車載使用壽命,是電動汽車車載電源的研究熱點。其中,車載復合電源是純電動汽車車載電源發(fā)展的一個重要方向。從純電動汽車的動力系統(tǒng)集成設(shè)計角度,本文針對純電動汽車實際運行需要和電源系統(tǒng)在使用過程中存在的問題,引入復合電源系統(tǒng)并對其進行深入研究。本文重點針對純電動汽車車載復合電源匹配理論和控制技術(shù)開展研究工作,在對復合電源的功能及其特點進行分析和總結(jié)的基礎(chǔ)上,率先開展了復合電源系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化算法設(shè)計,提出了基于車輛標準行駛工況和單一運行狀態(tài)的CPE函數(shù),其中,采用的標準行駛工況為城市工況(UDDS)和高速工況(HWFET),這兩種工況可以代表絕大部分用戶的日常行車特點;而單一運行狀態(tài)是車輛的起步和加速過程,這兩種運行狀態(tài)是車輛運行時最常見的需要大功率驅(qū)動的行駛狀態(tài)。通過數(shù)學計算,配置合適的功率容量和能量容量,進而實現(xiàn)對超級電容容量的配置。充分發(fā)揮復合電源中超級電容帶電量少、帶電功率大的優(yōu)勢,在高功率需求工況下通過讓超級電容輔助放電來實現(xiàn)對電池壽命的保護。在復合電源的拓撲結(jié)構(gòu)上,通過增加可控開關(guān)把復合電源分成七種工作模式,在僅使用單向DC/DC轉(zhuǎn)換器的情況下實現(xiàn)了與采用雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的控制結(jié)構(gòu)的相同功能。當車輛行駛在驅(qū)動狀態(tài)下時,復合電源有四種工作模式:超級電容單獨驅(qū)動電機,電池和超級電容共同驅(qū)動電機,電池單獨驅(qū)動電機,電池同時給驅(qū)動電機和超級電容供電。制動時,復合電源有三種工作模式:超級電容單獨進行制動能量回收,電池單獨進行制動能量回收,超級電容進行制動能量回收同時也接收電池的補電。本文的研究目標是讓復合電源系統(tǒng)中的電池壽命盡可能延長,分析了電池在充放電過程中兩個極板之間的電荷轉(zhuǎn)移,闡述了電池的容量衰退原理,建立了電池容量衰退的數(shù)學模型,并歸納了影響電池壽命的因素,以經(jīng)驗公式為基準,總結(jié)了不同因素與電池容量衰退速率之間的關(guān)系。在完成了復合電源拓撲結(jié)構(gòu)和參數(shù)匹配后,依據(jù)車輛在不同行駛工況下的放電特點,本文采用不同的控制優(yōu)化理論對復合電源系統(tǒng)進行優(yōu)化求解,包括:1)使用fmincon非線性求解器計算給定工況下的電池與超級電容之間功率分配的最優(yōu)結(jié)果;2)使用動態(tài)規(guī)劃理論求解車輛需求功率在電源部件之間的最佳分配,并將該結(jié)果與fmincon進行對比。使用動態(tài)規(guī)劃原理進行功率分配優(yōu)化,雖然無法在實時運行中使用,但是可以作為最優(yōu)結(jié)果衡量不同控制方法下的實現(xiàn)效果;3)結(jié)合拓撲結(jié)構(gòu)和參數(shù)匹配結(jié)果,以邏輯門限值控制方法為基礎(chǔ),使用自動尋優(yōu)的方法,搜索在特定工況下的復合電源控制算法中的最優(yōu)邏輯門限值,確定最優(yōu)控制參數(shù);通過對超級電容的實時SOC和電池放電功率閾值的預判,確定車輛在行駛時需求功率在超級電容與鋰電池之間的分配策略。既要讓超級電容在車輛需求功率較大時能夠協(xié)助電池進行大倍率放電,又要確保超級電容在車輛需求功率較小時候能夠快速恢復電量。4)把該方法擴展到不同的標準工況下。針對車輛在不同工況下運行時所對應的最優(yōu)控制各有差異,本文針對三種典型的標準行駛工況進行參數(shù)標定,確定各個工況下的最優(yōu)參數(shù)值組合。引入工況辨識算法,通過對車輛的實時行駛狀態(tài)進行分析,采用單位距離內(nèi)的車輛起停次數(shù)、平均速度和速度方差三個參數(shù)劃分所屬的行駛工況,并依此調(diào)用該工況下的功率分配控制參數(shù)。結(jié)果顯示,引入基于工況辨識的自適應控制算法,復合電源在進行功率分配時,極大地減小了電池的容量衰退�；阡囯姵貑误w、超級電容單體的物理特性,建立各個部件的數(shù)學模型。測試了電池單體、超級電容單體的充放電特性,并將結(jié)果應用在各電組件的建模之中。搭建聯(lián)合仿真測試平臺,通過仿真試驗對復合電源系統(tǒng)的效果進行了驗證。測試在一個隨機工況下車輛運行時的工況辨識結(jié)果,并且以單一電池、超級電容無限大的理想情況下的電池容量衰退為基準,對比了采用多種不同控制策略的純電動汽車整車控制優(yōu)化結(jié)果,驗證了自適應控制算法的有效性。本文研究內(nèi)容為純電動乘用車車載復合電源的匹配和控制提供了理論支持,有助于復合電源在純電動汽車上的應用。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：U469.72

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本文編號：1268497