本文關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車(chē)用復(fù)合電源匹配與控制理論研究

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【摘要】：環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排是當(dāng)前社會(huì)面臨的兩大嚴(yán)峻考驗(yàn)。傳統(tǒng)汽車(chē)消耗大量化石燃料并排出尾氣是造成當(dāng)前霧霾的重要原因之一。在交通領(lǐng)域推行新能源汽車(chē),將有助于降低污染和能耗問(wèn)題。電動(dòng)汽車(chē)可以有效降低車(chē)輛行駛過(guò)程中的排放,尤其對(duì)于城市的未來(lái)健康發(fā)展,具有重要的積極作用。電動(dòng)汽車(chē)的核心是車(chē)載電源,如何盡可能延長(zhǎng)目前成本較高的電池的車(chē)載使用壽命,是電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電源的研究熱點(diǎn)。其中,車(chē)載復(fù)合電源是純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電源發(fā)展的一個(gè)重要方向。從純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)角度,本文針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際運(yùn)行需要和電源系統(tǒng)在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題,引入復(fù)合電源系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行深入研究。本文重點(diǎn)針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載復(fù)合電源匹配理論和控制技術(shù)開(kāi)展研究工作,在對(duì)復(fù)合電源的功能及其特點(diǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)的基礎(chǔ)上,率先開(kāi)展了復(fù)合電源系統(tǒng)參數(shù)匹配與優(yōu)化算法設(shè)計(jì),提出了基于車(chē)輛標(biāo)準(zhǔn)行駛工況和單一運(yùn)行狀態(tài)的CPE函數(shù),其中,采用的標(biāo)準(zhǔn)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(chē)特點(diǎn);而單一運(yùn)行狀態(tài)是車(chē)輛的起步和加速過(guò)程,這兩種運(yùn)行狀態(tài)是車(chē)輛運(yùn)行時(shí)最常見(jiàn)的需要大功率驅(qū)動(dòng)的行駛狀態(tài)。通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算,配置合適的功率容量和能量容量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容容量的配置。充分發(fā)揮復(fù)合電源中超級(jí)電容帶電量少、帶電功率大的優(yōu)勢(shì),在高功率需求工況下通過(guò)讓超級(jí)電容輔助放電來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池壽命的保護(hù)。在復(fù)合電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上,通過(guò)增加可控開(kāi)關(guān)把復(fù)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(shí)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(dāng)車(chē)輛行駛在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下時(shí),復(fù)合電源有四種工作模式:超級(jí)電容單獨(dú)驅(qū)動(dòng)電機(jī),電池和超級(jí)電容共同驅(qū)動(dòng)電機(jī),電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)電機(jī),電池同時(shí)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)和超級(jí)電容供電。制動(dòng)時(shí),復(fù)合電源有三種工作模式:超級(jí)電容單獨(dú)進(jìn)行制動(dòng)能量回收,電池單獨(dú)進(jìn)行制動(dòng)能量回收,超級(jí)電容進(jìn)行制動(dòng)能量回收同時(shí)也接收電池的補(bǔ)電。本文的研究目標(biāo)是讓復(fù)合電源系統(tǒng)中的電池壽命盡可能延長(zhǎng),分析了電池在充放電過(guò)程中兩個(gè)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(xué)模型,并歸納了影響電池壽命的因素,以經(jīng)驗(yàn)公式為基準(zhǔn),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(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)匹配后,依據(jù)車(chē)輛在不同行駛工況下的放電特點(diǎn),本文采用不同的控制優(yōu)化理論對(duì)復(fù)合電源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化求解,包括:1)使用fmincon非線性求解器計(jì)算給定工況下的電池與超級(jí)電容之間功率分配的最優(yōu)結(jié)果;2)使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論求解車(chē)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(jìn)行對(duì)比。使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理進(jìn)行功率分配優(yōu)化,雖然無(wú)法在實(shí)時(shí)運(yùn)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(shí)現(xiàn)效果;3)結(jié)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)匹配結(jié)果,以邏輯門(mén)限值控制方法為基礎(chǔ),使用自動(dòng)尋優(yōu)的方法,搜索在特定工況下的復(fù)合電源控制算法中的最優(yōu)邏輯門(mén)限值,確定最優(yōu)控制參數(shù);通過(guò)對(duì)超級(jí)電容的實(shí)時(shí)SOC和電池放電功率閾值的預(yù)判,確定車(chē)輛在行駛時(shí)需求功率在超級(jí)電容與鋰電池之間的分配策略。既要讓超級(jí)電容在車(chē)輛需求功率較大時(shí)能夠協(xié)助電池進(jìn)行大倍率放電,又要確保超級(jí)電容在車(chē)輛需求功率較小時(shí)候能夠快速恢復(fù)電量。4)把該方法擴(kuò)展到不同的標(biāo)準(zhǔn)工況下。針對(duì)車(chē)輛在不同工況下運(yùn)行時(shí)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)控制各有差異,本文針對(duì)三種典型的標(biāo)準(zhǔn)行駛工況進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定,確定各個(gè)工況下的最優(yōu)參數(shù)值組合。引入工況辨識(shí)算法,通過(guò)對(duì)車(chē)輛的實(shí)時(shí)行駛狀態(tài)進(jìn)行分析,采用單位距離內(nèi)的車(chē)輛起停次數(shù)、平均速度和速度方差三個(gè)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(shí)的自適應(yīng)控制算法,復(fù)合電源在進(jìn)行功率分配時(shí),極大地減小了電池的容量衰退�；阡囯姵貑误w、超級(jí)電容單體的物理特性,建立各個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型。測(cè)試了電池單體、超級(jí)電容單體的充放電特性,并將結(jié)果應(yīng)用在各電組件的建模之中。搭建聯(lián)合仿真測(cè)試平臺(tái),通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)復(fù)合電源系統(tǒng)的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。測(cè)試在一個(gè)隨機(jī)工況下車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的工況辨識(shí)結(jié)果,并且以單一電池、超級(jí)電容無(wú)限大的理想情況下的電池容量衰退為基準(zhǔn),對(duì)比了采用多種不同控制策略的純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制優(yōu)化結(jié)果,驗(yàn)證了自適應(yīng)控制算法的有效性。本文研究?jī)?nèi)容為純電動(dòng)乘用車(chē)車(chē)載復(fù)合電源的匹配和控制提供了理論支持,有助于復(fù)合電源在純電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：U469.72

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本文編號(hào)：1268497