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电动汽车蓄电池的建模与仿真研究

赵兴福  
【摘要】: 当前,能源危机和环境污染促使以电动汽车(EV,Electric Vehicle)为主的低排放节能汽车得到了重视和发展。在电动汽车的前期开发中,计算机模拟仿真具有重要作用。作为电动汽车的能量存储系统,蓄电池性能是决定整车性能的重要因素,且蓄电池是电、化学、热力学的综合系统,动态特性异常复杂,因此蓄电池建模仿真是电动汽车建模仿真的重要环节和困难部分。作者在参与科研项目的实践中,通过深入研究,将键合图(Bond Graph)理论应用到蓄电池的建模中,收到了很好的效果,开辟了蓄电池建模仿真的新思路。 作者在文中简要介绍了电动汽车蓄电池及其温度管理系统的建模仿真的现状,对几种常用的电池模型的特点进行了论述。详细探讨了键合图理论基础及其在工程中的应用,并重点深入研究了键合图在电系统和热力学系统中建模的特点、方法和步骤,包括传导传热的键合图表示和对流传热的键合图表示,并进一步讨论了键合图的增广定向和系统的数学模型——状态方程的推导。对蓄电池建模方式进行探讨并采用等效电路法建模,在分析比较几种常用等效电路的基础上,采用精度高、更加合理的参考模型(ReferenceModel),并建立了参考模型等效电路的键合图模型。研究了电池温度管理系统的常用的平行气流风冷方式的热力学状态和能量流动,并建立了键合图模型。进而将蓄电池等效电路的键合图模型和温度管理系统的键合图模型耦合,得到蓄电池系统的键合图模型。由蓄电池系统的键合图模型推导出系统的数学模型。对SOC(State of Charge)的影响因素及其定义进行分析探讨,比较讨论了几种常用的SOC预测方法后采用更加合理的算法。利用MATLAB/SIMULINK仿真平台,由蓄电池系统的数学模型建立了仿真模型。实现了某Ni-Zn蓄电池的动态仿真,并与实验结果进行比较得到了很好的效果。将蓄电池仿真模型接入到整车模型中,实现了整车的仿真。 基于上述工作,作者建立了一套完善的电动汽车蓄电池建模与仿真的体系,为整车及控制策略的仿真提供可靠的依据。所建模型适合于所有液体电化学电池。作者的工作为研究模拟蓄电池复杂的动态特性进行了有效的尝试,开辟了新的思路,也为键合图理论的发展做出了贡献。


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