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内燃—直线发电集成动力系统储能装置的研究

任桂周  
【摘要】:内燃-直线发电集成动力系统储能装置的研究是内燃-直线发电集成动力系统应用的关键技术之一,内燃-直线发电集成动力系统是主要由四冲程自由活塞内燃机、永磁直线电机、储能装置以及控制单元等构成的新型动力系统,可用于电动混合动力汽车取代传统内燃机,实现清洁高效利用能源。储能装置的最大特点是能够实现短时间、大电流、感应电动势大范围变化条件下的储能以及电能的高效、双向流动,且响应快速准确。本文主要以内燃-直线发电集成动力系统储能装置为研究对象,依托国家高技术研究发展计划(863计划)“内燃-直线发电集成动力系统”(项目号:2006AA05Z236)和国家自然科学基金项目“内燃-直线发电集成动力系统中的发动机热力学分析与优化”(项目号:50876043),对内燃-直线发电集成动力系统储能装置的结构和参数设计、模型建立、能量流控制策略、实验验证及扩展应用等方面开展了系统深入的研究。 根据内燃-直线发电集成动力系统储能装置的工作要求,以高效性和实用性为指导原则,对内燃-直线发电集成动力系统储能装置进行了研究、设计和开发,提出了一种新型储能装置及其控制方法,满足电能量双向流动的内燃-直线发电集成动力系统中高效率的能量变换和存储要求。所设计的储能装置采用新颖的超级电容器组串并联切换技术,与优化设计的双向DC-DC功率变换器(Bi-directional DC-DC power converter, BDPC)结合使用,实现了低电压值等级电源供电的可变电压系统的设计,在理论分析的基础上进行了仿真和实验研究,仿真与实验结果验证了设计的正确性和有效性。 在对内燃-直线发电集成动力系统储能装置各组成部分进行分析、设计的基础上,建立了由蓄电池组和超级电容器组组成的混合电源模型、BDPC模型、H桥直流PWM变换器模型、永磁直线电机模型和控制器模型,并给出了整个储能装置的仿真模型,仿真结果证明了所建模型的正确性,能够满足储能装置实时控制的精度要求和能量流效率要求。 能量流控制策略的设计是内燃-直线发电集成动力系统储能装置研究的关键环节,能量流控制策略是影响能量流效率的主要因素。为了保证储能装置稳定、可靠、高效工作,需要采用最优的能量流控制策略,使得储能装置在稳态时具有较高的精度,在瞬态时具有快速响应能力。本文提出了一个工作周期内四种工作模式的能量流控制策略,分别为:降压提供能量、升压提供能量、升压回馈能量和降压回馈能量。设计了基于模糊控制算法的BDPC控制器和H桥直流PWM变换器的数字PID控制器,并采用遗传算法对H桥直流PWM变换器的数字PID控制器的相关参数进行了优化设计,实现了能量流的合理有效控制,通过仿真分析验证了理论分析的正确性和控制策略的有效性,使得系统在安全可靠的基础上高效工作。 为了进一步验证内燃-直线发电集成动力系统储能装置的相关理论分析、设计及控制策略的有效性和实用性,完成了基于TMS320F2812DSP的储能装置控制器的设计。在实验室搭建了储能装置小型实物原型,进行了原理性验证实验的研究,对某小型永磁直流电机两个方向运行模式分别进行了原理性验证实验。研制了内燃-直线发电集成动力系统储能装置样机,建立了储能装置实验系统,对储能装置样机的相关实验进行了研究,实验结果分析表明,所设计的储能装置以及提出的能量流控制策略能够满足内燃-直线发电集成动力系统的能量双向高效流动要求。 所设计的内燃-直线发电集成动力系统储能装置及其控制方法基于改善能量的传输与转换效率的目的,可实现能量的储存、转换、传输、回馈,不只局限用于内燃-直线发电集成动力系统,对其扩展应用进行了部分研究工作。在与常规驱动系统实现能量回馈的方法比较分析的基础上,把该储能装置作为电动汽车(Electric vehicle, EV)电机驱动系统实现能量回馈制动,并通过计算机仿真对不同回馈制动方法进行了对比分析,结果验证了该方法的可行性和有效性。本储能装置适用于混合动力汽车(Hybrid electric vehicle, HEV)、纯电动汽车、功率缓冲系统、发电系统以及能量回馈系统等以电机作为动力系统且能量双向流动的场合,相对于传统方法有很大的优势,对于能量传输与转换效率技术的相关研究具有重要的理论意义和工程应用价值。


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