考虑动力电池寿命衰退的PHEV能量管理控制策略研究

发布时间：2020-03-24 00:14

【摘要】：我国的汽车保有量正随着经济的腾飞而快速增长,但庞大的汽车使用量使得人类面临的环境和能源问题日益尖锐,大力发展新能源汽车已经成为世界各国一致的战略选择和汽车行业变革的必然趋势。而插电式混合动力汽车既可以利用传统汽车工业中的各项技术成果,又能在一定程度上减少排放、降低油耗、保证续航里程,这使其成为了混合动力汽车向纯电动汽车过渡的理想车型。由于受到设计制造工艺、组成材料、能量密度、安全性能、动力电池管理系统等方面的制约,电池在成本、寿命、质量、安全性等方面依然存在着问题,这无疑会影响到整车的购买成本、使用成本和使用年限。从目前新能源汽车的产品来看,动力电池组的寿命仍然不能满足人们的预期。当动力电池组寿命终止时,消费者主要有以下三个选择:一是根据质保期限,与整车生产企业协商更换动力电池或由消费者自行更换电池,但目前动力电池的质保期限均比新能源汽车产品的寿命要短,且更换成本会给整车生产企业和消费者带来二次成本消费;二是报废电池,把插电式混合动力汽车作为传统燃油车继续使用,这会导致整车在使用时间内的经济性降低;三是继续使用电池,这会增加电池在大功率放电时发生安全事故的频率。目前主流的插电式混合动力汽车能量管理策略大都没有考虑电池寿命衰减这一因素,但它却是影响整车成本及性能的一个重要参数。因此,在制定插电式混合动力汽车能量管理控制策略时,有必要从电池寿命模型入手,使用发动机来调节电池的工作状态,以改善动力电池的使用寿命、优化整车设计和降低消费者用车成本。本文主要从以下两个方面在控制策略中引入电池寿命衰减:一是在保证整车动力性的前提下,通过发动机调整电池的工作状态,减少电池大倍率充放电的频率;二是使控制策略中电池的充放电功率限值与其寿命状态相匹配,进一步延长电池的使用寿命。基于以上研究目的和思路,本文主要进行的研究内容如下:(1)通过查阅相关文献,分析总结了目标车型的控制策略和电池容量衰退模型的发展和研究现状。并基于车用动力电池寿命不能满足消费者需求,过早更换电池又会带来不必要的二次成本消费这一问题,确定了本文的主要研究内容及章节之间的逻辑结构。(2)分析了研究车型的动力系统结构,并根据原型车参数和动力性能指标对驱动电机、发动机、发电机、电池组和传动系统的传动比进行参数匹配,在此基础上建立了发动机、驱动电机和发电机的数值模型和三元锂离子动力电池单体PNGV模型。(3)分析了锂离子动力电池的工作原理、寿命的主要影响因素、寿命衰减机理和寿命测试试验数据,建立了包含循环寿命和日历寿命的三元锂离子动力电池容量衰减模型,并对模型的精度进行了验证。(4)从减少电池高倍率充放电频率的角度,在CD-CS控制策略中引入电池寿命衰减。主要实现方法如下:根据下限效率法确定了发动机高效工作区下限,发动机高效工作区上限是最大转矩曲线。考虑到充放电倍率对电池组寿命衰减速率、电池中各电池单体容量一致性的影响,确定了电池组的充放电倍率,从而确定了电池组的充放电功率阈值。(5)从使控制策略中电池的充放电功率阈值与电池的寿命状态相匹配的角度,进一步在控制策略中引入电池的寿命衰减。并使用MATLAB/Simulink中搭建的整车模型对不同控制策略下的整车使用寿命、油耗、使用成本进行了仿真。分析结果证明了考虑电池寿命衰减的能量管理控制策略既能在一定程度上延长电池的使用寿命,又能在一定程度上降低整车的使用成本。
【图文】：

分布图,放电倍率,样品,电池组

倍率正相关的趋势，即放电倍率越大，电池单体之间的容量差异性越大。因此，单纯地从降低成组对电池寿命的影响方面考虑，电池组的放电倍率应该在大于0.5C 的范围内越小越好。但电池组的放电功率限值还应该满足整车动力性的要求，由 2.3.1 章节中的循环工况负荷功率分布图可知，18kW 以内的放电功率需求在NYCC、1015、NEDC 三种循环工况的放电时间历程中所占的比例均在 90%以上，大于 18kW 的放电功率求减少。考虑到传递过程中的能量损失，最终将电池组的放电倍率限制在 0.9C，即电池组的最大放电功率Bat max_DP 定为 18.89kW。121==( )=1NiiNiiCOVXNXN （4.1）式中：表示标准偏差；是平均值；iX 此时表示各动力电池单体的容量，Ah。

分布情况,倍率,充电功率,样品

4 考虑电池寿命的 PHEV 能量管理控制策略电倍率恒流充电的各动力电池的容量一致性，试验结果如图 4.4 所示，从图中可以看出各电池单体间容量的一致性随着充电倍率的增大而变差。因此，需要对制动模式下驱动电机的发电功率进行限制，这就需要首先分析整车对驱动电机/车载电源的充电需求功率。为了得到 NEDC 循环工况中的充电功率分布情况，，利用MATLAB/Simulink 建立 PHEV 在制动模式下的后向仿真模型，用此模型计算出整车在 NEDC 循环工况下的充电功率需求，结合式（2.4）得出整车在 NEDC 循环工况下的充电功率需求分布，如图 4.5 所示。由图 4.5 可以得出：整车的最大充电功率需求是 16kW，小于 10kW 的充电需求功率占比 90%，5kW 以内的充电功率需求占比 85%，即大部分时间内整车的充电功率需求不超过 5kW。兼顾充电倍率对电池成组差异性和整车充电功率需求，最终选择电池组的充电倍率为 0.35C，由此可以计算出动力电池组的最大充电功率Bat max_CP 为 7.35kW。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912

【参考文献】