车用复合储能装置的设计与功率分配策略研究

发布时间：2017-08-13 02:39

  本文关键词：车用复合储能装置的设计与功率分配策略研究

  更多相关文章： 锂离子电池 超级电容 复合储能装置 机电复合传动 参数匹配 功率分配策略

【摘要】：目前使用在混合动力及纯电动等新能源车辆上的电储能装置主要由动力电池组成。但是,由于车辆在行驶过程中会需要大功率电能进行辅助驱动或制动时回收大功率电能,动力电池组经常受到冲击,使其寿命和效率产生影响。因此,学者提出了将具有高比功率的超级电容和高比能量的电池结合在一起使用的复合储能装置,以满足车辆对电储能装置的容量和功率的双重需求。本文主动并联结构的复合储能装置的参数匹配及功率分配策略进行研究,并在此基础上提出了一种新型复合储能装置结构及该结构的控制策略。本文首先对组成复合储能装置的主要元件的特性进行研究。搭建电池测试平台,通过对电池试验数据的辨识获得锂离子等效电路模型中各元件的参数。在MATLAB/Simulink软件中建立锂离子电池和超级电容单体的等效电路模型。对复合储能装置的执行机构——双向dc/dc变换器的工作原理进行了分析。提出复合储能装置的参数匹配优化方法,基于机电复合传动车辆在军用行驶工况下的电功率需求,以复合储能装置的质量、体积、损耗、容量和电池组的平均充放电倍率为优化目标,以电池组的并联单体数量和电池组的功率限值为优化变量,对主动并联结构的复合储能装置的参数进行优化计算,并在MATLAB/Simulink软件中建立复合储能装置的仿真模型。对主动并联结构的复合储能装置的功率分配策略进行研究。分别采用逻辑门限值及基于随机预测的模糊逻辑方法对复合储能装置的功率进行分配,并在MATLAB/Simulink软件中进行仿真验证。搭建主动并联结构的复合储能装置试验验证平台,两种功率分配策略的可行性得到验证。基于降低复合储能装置中双向dc/dc变换器的功率等级这一目标,本文设计了一种新型复合储能装置结构,并提出了该结构的控制策略。在复合储能装置的主动并联结构的基础上,增加两个电力电子开关器件及并联二极管,使得复合储能装置针对不同功率等级的负载需求时,工作在不同的模式下,达到降低流过双向dc/dc变换器峰值功率的目的。新型复合储能装置结构共有3个工作模式,针对每一工作模式设计一个控制策略,使得复合储能装置内部电功率得到合理的分配,并实现不同工作模式间的切换。在MATLAB/Simulink软件中建立新型符合储能装置结构的仿真模型,并搭建了新型复合储能装置的试验验证平台,新型复合储能装置的结构、工作模式间的切换及控制策略得到了验证。
【关键词】：锂离子电池 超级电容 复合储能装置 机电复合传动 参数匹配 功率分配策略
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.7
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-27
• 1.1 引言13
• 1.2 车载电能存储元件研究现状13-18
• 1.2.1 动力电池13-16
• 1.2.2 超级电容16-17
• 1.2.3 超高速飞轮17-18
• 1.3 复合储能技术的研究意义及研究现状18-21
• 1.3.1 复合储能技术的研究意义18-19
• 1.3.2 复合储能装置的研究现状19-21
• 1.4 复合储能装置的结构21-23
• 1.5 复合储能装置的功率分配策略研究现状23-25
• 1.5.1 逻辑门限值功率分配策略23-24
• 1.5.2 模糊逻辑功率分配策略24-25
• 1.5.3 基于优化的功率分配策略25
• 1.6 论文主要研究内容25-27
• 第二章 复合储能装置的主要元件特性分析27-53
• 2.1 引言27
• 2.2 锂离子电池特性分析及等效电路模型的建立27-38
• 2.2.1 锂离子电池的工作原理27-28
• 2.2.2 锂离子电池容量测试28-31
• 2.2.3 锂离子电池的等效电路模型31-33
• 2.2.4 电池模型参数辨识33-38
• 2.3 基于扩展卡尔曼滤波的SOC估算方法38-43
• 2.3.1 常用的电池SOC估算方法38-40
• 2.3.2 扩展卡尔曼滤波（EKF）方法估算电池SOC40-42
• 2.3.3 锂离子电池模型的建立42-43
• 2.4 超级电容性能及建模43-46
• 2.4.1 超级电容原理43-44
• 2.4.2 超级电容的能量存储特点44-45
• 2.4.3 超级电容单体参数45
• 2.4.4 超级电容的等效电路模型45-46
• 2.5 双向dc/dc变换器的结构及工作原理46-51
• 2.5.1 双向dc/dc变换器的结构选择47-48
• 2.5.2 半桥结构双向dc/dc变换器工作原理48-51
• 2.6 本章小结51-53
• 第三章 机电复合传动系统的主动并联结构复合储能装置参数匹配方法研究53-77
• 3.1 引言53
• 3.2 复合储能装置的设计流程53-54
• 3.3 机电复合传动车辆在军用行驶工况下的电功率需求54-58
• 3.3.1 机电复合传动系统54-56
• 3.3.2 军用行驶工况56-57
• 3.3.3 机电复合传动车辆在军用行驶工况条件下的电功率需求57-58
• 3.4 复合储能装置的参数匹配优化方法描述58-61
• 3.4.1 复合储能装置的参数匹配优化方法描述58-59
• 3.4.2 优化目标59-60
• 3.4.3 优化变量60-61
• 3.4.4 优化问题求解61
• 3.5 基于军用行驶工况的复合储能装置参数匹配优化计算61-74
• 3.5.1 优化变量61-63
• 3.5.2 每组方案中超级电容参数的计算63-65
• 3.5.3 优化目标精确值的计算65-70
• 3.5.4 优化目标值的无量纲化处理70-72
• 3.5.5 不同优化目标的线性加权和方法选取最佳方案72-74
• 3.6 主动并联结构复合储能装置仿真模型74-75
• 3.7 本章小结75-77
• 第四章 主动并联结构复合储能装置的功率分配策略77-97
• 4.1 引言77
• 4.2 逻辑门限值功率分配策略77-79
• 4.2.1 逻辑门限值功率分配策略77-78
• 4.2.2 逻辑门限值功率分配策略仿真结果78-79
• 4.3 基于随机预测的模糊逻辑功率分配策策略79-88
• 4.3.1 马尔科夫过程概述80-81
• 4.3.2 基于随机预测的模糊逻辑功率分配策略81-82
• 4.3.3 车速和直流负载电功率的离散及状态转移概率矩阵计算82-84
• 4.3.4 基于随机预测的模糊逻辑设计84-86
• 4.3.5 仿真结果86-88
• 4.4 功率分配策略的试验验证88-96
• 4.4.1 试验验证平台88-90
• 4.4.2 逻辑门限值功率分配方法的试验验证90-92
• 4.4.3 基于随机预测的模糊逻辑功率分配策略试验验证92-96
• 4.5 本章小结96-97
• 第五章 新型复合储能装置结构、工作模式及控制策略研究97-119
• 5.1 引言97
• 5.2 新型复合储能装置的结构设计97-98
• 5.3 新型复合储能装置的工作模式98-101
• 5.3.1 模式I98-99
• 5.3.2 模式II99-100
• 5.3.3 模式III100
• 5.3.4 模式IV100-101
• 5.4 新型复合储能装置的控制策略101-104
• 5.4.1 模式I101-102
• 5.4.2 模式II102-103
• 5.4.3 模式III103-104
• 5.5 仿真模型的建立104
• 5.6 仿真结果分析104-106
• 5.7 不同储能装置的仿真结果比较106-108
• 5.7.1 单一电池储能装置106-107
• 5.7.2 不同储能装置的仿真结果比较107-108
• 5.8 试验验证108-116
• 5.8.1 新型复合储能装置试验台架构成108-110
• 5.8.2 双向dc/dc变换器的功能实现110-111
• 5.8.3 新型复合储能装置的功能实现111-116
• 5.9 本章小结116-119
• 第六章 结论与展望119-122
• 6.1 结论119-120
• 6.2 创新点120-121
• 6.3 展望121-122
• 参考文献122-129
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单129-131
• 致谢131-133
• 作者简介133

【参考文献】

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本文编号：664985