基于伪谱法的车用复合电源能量管理策略与参数匹配研究

发布时间：2020-03-22 18:12

【摘要】：汽车电动化作为缓解环境污染与能源安全的有效途径,正逐渐在全球推广。作为电动汽车的核心部分,储能系统的特性将影响整车的动力性及经济性。以锂离子电池为储能系统的电动汽车越来越多,在一定程度上减少了环境污染,但目前电动汽车的续航里程与电池的耐久性还有待提高,且在电池寿命终止时的置换成本也很高。因此,如何解决电动汽车储能系统的寿命及成本问题,成为目前电动汽车学术界和产业界共同关心的热点。超级电容具有功率密度高、使用寿命长和充放电电流大等优点,能够弥补锂电池的不足。将超级电容与电池联合起来组成复合电源系统(Hybrid Energy Storage System,HESS),是解决上述电动汽车问题的良好方案。本文以某款乘用车为对象,以优化整车运行下的电池使用寿命、系统能耗及部件成本为目标,从复合电源的拓扑结构、部件特性与模型、能量管理策略及参数匹配优化等方面进行了分析和研究。在不同构型复合电源系统特性分析的基础上,结合目标车型的特点选定合适的复合电源构型,并对其关键部件进行试验及特性分析。包括对锂离子电池的容量、内阻与极化特性进行试验分析,测量电池开路电压(Open Circuit Voltage,OCV)与荷电状态(Battery State of Charge,BSOC)的关系,对超级电容的容量、内阻及充放电特性进行分析,最后对双向DC/DC变换器的效率特性进行分析。基于整车参数与电机参数,建立了归一化的电机效率模型,建立了考虑了充放电内阻特性的电池等效Thevenin模型、超级电容经典RC模型、整车系统功率平衡模型,进行了系统部件的初步参数匹配,为基于全局优化算法进行能量管理策略制定和参数匹配优化奠定基础。提出一种基于Radau伪谱法的能量管理策略优化法,以加入惩罚因子的电池寿命模型为目标函数,将复合电源电动汽车中的电池使用寿命与单一电池能量源在NEDC循环工况下对比分析,验证了Radau伪谱法求解复合电源能量管理策略的可行性。考虑到复合电源系统中电池使用寿命和系统能耗往往相互冲突,将上述复合电源能量管理策略转换为多目标优化问题,构建了包括电池使用寿命和系统能耗的目标函数,通过Radau伪谱法进行求解,得到相应的Pareto最优解集。选取解集中具有代表性的电池使用寿命最长、系统能耗最低及二者均衡最优三组解,进行了基于电池使用寿命与系统能耗的分析讨论。均衡最优解与单一电池能量源计算结果的对比分析表明,经Radau伪谱法优化后的复合电源系统能量管理策略延长了电池组的使用寿命,同时降低了系统能耗。由于复合电源能量管理策略与参数匹配优化具有高度耦合性,以基于伪谱法的多目标能量管理策略优化算法为基础,提出一种参数匹配优化方法。选取电池与超级电容的并联数为优化变量,并考虑两者质量变化对复合电源优化结果的影响,以系统能耗、电池寿命及部件成本为优化目标进行参数匹配。基于多目标的参数匹配结果分析表明:随着复合电源系统成本的增加,系统能耗逐渐增大,而电池使用寿命逐渐延长。设计人员可根据对复合电源系统各目标的侧重点不同,赋予三个目标不同的权重系数,即可得到相应的最优参数配置。
【图文】：

对比图,能量源,综合性能,对比图

善电动汽车在启动、加速和爬坡时的动力不足[14]。2004 年 7 月，国内首部“电容蓄能变频驱动式无轨电车”在上海张江投入试运行，该公交车充分利用超级电容的特点，经 30s 内快速充电后可使车辆时速达到 44km/h[15]。目前超级电容的国外生产厂商有美国 Maxwell 公司、日本 Elna 公司、Panasonic 公司、韩国 Ness 公司、Korchip公司等，国内的生产厂商有辽宁百纳、锦州凯美、上海奥威科技、北京合众汇能等。综上所述，目前电动汽车上的能量源可大致分为能量型与功率型，文献[16]采用雷达图的形式，描述了目前常用能量源的综合性能，指标包括循环寿命、单体电压、电量维持、工作温度范围、功率密度、能量密度、可循环性、安全性、价格/kWh与价格/kW，如图 1.2 所示，由图可知目前没有一种能量源在各个指标都具有良好的特性，所以本文将能量型锂电池和功率型超级电容进行组合成复合电源，以弥补单一能量源电动汽车的不足。

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14c) 数据采集设备 d) 锂电池单体图 2-2 锂离子电池实验测试系统及电池单体Fig.2-2 Lithium-ion battery experiment test system and battery cell电池容量特性池容量指的是在一定条件下电池所能放出来的电量，单位为 Ah。在实响电池容量变化的因素有环境温度、充放电电流、放电深度等[40]。由制，在进行电池容量试验时无法将环境温度的变化考虑在内，故本小电倍率对锂离子电池容量特性的影响。室温(23 2℃)环境下，对单体三元锂离子电池进行恒流-恒压充电，具率电流将电池充电至终止电压4.2V时，，改为恒压充电(恒压电压限制为
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U469.72

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