混合动力汽车复合储能系统参数匹配与控制策略研究

【摘要】：现有的混合动力汽车(HEV,Hybrid Electric Vehicle)大多采用蓄电池作为其车载储能源,但蓄电池储能的HEV在加速、爬坡或再生制动时突发大功率的能力由于蓄电池较低的比功率而受到限制。鉴于此,结合高比能量储能源和高比功率储能源的复合储能技术引起了一定的重视,可以同时满足HEV运行过程中对能量和功率的双重要求。本身即为多能量源交通工具的HEV,引入复合储能之后,不但HEV的能量流变得更加错综复杂,也为其参数匹配与控制策略的设计带来新的挑战。而车载复合储能源的参数匹配和控制策略是改善HEV性能的核心技术,除与整车动力性能与经济性能息息相关外,还直接关系到整车成本与质量。因此,对其进行深入研究十分必要。本文针对混合动力汽车和复合储能系统的工作特性,就混合动力汽车及复合储能系统建模方法、复合储能系统的参数匹配以及控制策略等理论和应用问题进行了研究。 配备复合储能技术的HEV,是涉及蓄电池、超级电容、燃油等多能量源的复杂系统。为了更清晰描述系统内部的能量流动关系,并为系统控制策略的制定提供参考,本文从能量流和功率链的角度,引入能量宏观表达法(EMR,Energetic Macroscopic Representation)对混合动力整车和复合储能系统进行了建模,并借助反转规则得到了系统的控制方案。重点研究了基于试验的电池建模方法。采用EMR所建模型的能量流动情况变得更加清晰、直观,更具条理性,有利于系统整体建模和控制的规范化,为研究复合储能系统的参数匹配与控制策略奠定了基础。 对混合动力汽车复合储能系统中两种储能源功率和能量的合理分配问题进行研究。研究了整车设计指标、整车控制策略、目标行驶工况对动力系统功率和能量需求以及影响,分别从功率和能量角度对复合储能系统的参数匹配进行分析研究,并根据不同优化目标,对初步匹配结果进行优化。在此基础上,提出了HEV复合储能系统参数匹配的方法,在满足电动系统功率和能量要求的前提下,充分考虑了整车的燃油经济性、动力性以及整车使用成本问题。考虑到混合度对复合储能系统参数匹配的影响,考察了三种不同混合度混合动力汽车的复合储能系统参数优化匹配结果,并给出了复合储能源的混合比。 复合储能HEV合理而有效的控制策略可以提高系统效率,改善蓄电池的使用寿命。本文在对复合储能HEV的能量流动模式分析的基础上,提出了复合储能系统的控制策略。对复合储能HEV的系统效率进行了较为详细的分析,在非线性比例因子分配控制策略的基础上,充分考虑系统各部件的效率,提出了基于动态规划全局最优的控制策略,在不降低原HEV燃油经济性的前提下,较非线性比例因子分配策略,电池循环次数进一步降低,其循环寿命得到有效改善,以上海工况为例,再生制动能量回收比例提高了3%。 给出了基于EMR的复合储能系统控制方案,搭建了实验平台。最后对由镍氢电池组、超级电容组和DC/DC变换器构成的复合储能系统基本工作模式和特定工况进行了实验研究,验证了本文所建仿真模型以及所提出控制策略的正确性和有效性。 本文通过对复合储能系统的仿真与实验研究,旨在探索适合于混合动力汽车的车载储能技术,并在车载复合储能源的合理优化匹配和控制方面提供一定的指导,为混合动力汽车突破电源技术瓶颈创造基础条件。 【关键词】：混合动力汽车 复合储能系统 模型建立 参数匹配 控制策略
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-13
• 第1章 绪论13-29
• 1.1 课题研究的目的和意义13-14
• 1.2 混合动力汽车储能技术现状14-16
• 1.3 国内外复合储能技术研究状况16-22
• 1.3.1 HEV复合储能技术研究现状17-18
• 1.3.2 EV与FCEV复合储能技术研究现状18-21
• 1.3.3 其它应用领域复合储能技术研究现状21-22
• 1.4 复合储能系统组合方式与匹配结构22-25
• 1.4.1 复合储能系统组合方式22-24
• 1.4.2 复合储能系统匹配结构24-25
• 1.5 复合储能系统参数匹配与控制策略研究状况25-28
• 1.5.1 复合储能系统参数匹配26-27
• 1.5.2 复合储能系统控制策略27-28
• 1.6 本文的主要研究内容28-29
• 第2章 基于EMR的复合储能混合动力汽车建模29-45
• 2.1 引言29
• 2.2 能量宏观表达法概述29-30
• 2.3 基于EMR的混合动力汽车建模30-35
• 2.3.1 发动机和道路负载等源模块建模30-31
• 2.3.2 逆变器建模31-32
• 2.3.3 电机建模32-33
• 2.3.4 轴及传动系统建模33-35
• 2.4 基于反转规则的混合动力汽车EMR控制系统35-37
• 2.4.1 调节链和控制链35-36
• 2.4.2 整车EMR模型的反转36-37
• 2.5 复合储能系统的EMR建模37-44
• 2.5.1 复合储能系统结构37-38
• 2.5.2 各单元部件建模38-43
• 2.5.3 EMR模型的反转43-44
• 2.6 本章小结44-45
• 第3章 混合动力汽车复合储能系统的参数匹配45-73
• 3.1 引言45
• 3.2 混合动力汽车整车性能需求分析45-53
• 3.2.1 整车控制策略及分析47-49
• 3.2.2 循环工况对储能源参数匹配的影响分析49-53
• 3.3 基于循环工况的复合储能系统参数匹配53-55
• 3.3.1 功率需求角度匹配53-54
• 3.3.2 能量需求角度匹配54-55
• 3.4 复合储能系统参数匹配优化方法55-57
• 3.4.1 优化问题的提出55-57
• 3.4.2 优化方法描述57
• 3.5 复合储能系统参数匹配的步骤57-58
• 3.6 不同混合度HEV复合储能系统的参数匹配58-71
• 3.6.1 混合动力汽车混合度分析58-60
• 3.6.2 重度混合动力汽车储能源参数匹配与分析60-61
• 3.6.3 重度混合动力汽车储能源优化匹配结果与分析61-66
• 3.6.4 中度混合动力汽车储能源优化匹配结果与分析66-68
• 3.6.5 轻度混合动力汽车储能源优化匹配结果与分析68-71
• 3.7 本章小结71-73
• 第4章 混合动力汽车复合储能系统控制策略研究73-100
• 4.1 引言73
• 4.2 能量流动模式分析73-76
• 4.2.1 混合动力汽车工作模式73
• 4.2.2 复合储能混合动力汽车能量流动模式73-75
• 4.2.3 复合储能系统内部能量流动模式75-76
• 4.3 非线性比例因子分配控制策略76-86
• 4.3.1 控制目标77
• 4.3.2 非线性比例因子分配控制策略描述77-80
• 4.3.3 仿真结果与分析80-86
• 4.4 基于效率优化控制策略86-99
• 4.4.1 复合储能HEV系统效率分析86-92
• 4.4.2 基于效率优化的控制策略描述92-96
• 4.4.3 仿真结果与分析96-99
• 4.5 本章小结99-100
• 第5章 复合储能系统实验研究100-111
• 5.1 引言100
• 5.2 双向DC/DC变换器拓扑结构及工作模式分析100-102
• 5.3 基于EMR的复合储能系统实验102-105
• 5.3.1 实验方案及实验台架102-103
• 5.3.2 基于EMR的控制方案及实现103-105
• 5.4 实验结果与分析105-110
• 5.4.1 基本模式实验106-107
• 5.4.2 特定工况实验107-110
• 5.5 本章小结110-111
• 结论111-113
• 参考文献113-121
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果121-123
• 致谢123-124
• 个人简历124

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