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纯电动汽车用复合电源匹配与控制理论研究

张聪  
【摘要】:环境保护和节能减排是当前社会面临的两大严峻考验。传统汽车消耗大量化石燃料并排出尾气是造成当前雾霾的重要原因之一。在交通领域推行新能源汽车,将有助于降低污染和能耗问题。电动汽车可以有效降低车辆行驶过程中的排放,尤其对于城市的未来健康发展,具有重要的积极作用。电动汽车的核心是车载电源,如何尽可能延长目前成本较高的电池的车载使用寿命,是电动汽车车载电源的研究热点。其中,车载复合电源是纯电动汽车车载电源发展的一个重要方向。从纯电动汽车的动力系统集成设计角度,本文针对纯电动汽车实际运行需要和电源系统在使用过程中存在的问题,引入复合电源系统并对其进行深入研究。本文重点针对纯电动汽车车载复合电源匹配理论和控制技术开展研究工作,在对复合电源的功能及其特点进行分析和总结的基础上,率先开展了复合电源系统参数匹配与优化算法设计,提出了基于车辆标准行驶工况和单一运行状态的CPE函数,其中,采用的标准行驶工况为城市工况(UDDS)和高速工况(HWFET),这两种工况可以代表绝大部分用户的日常行车特点;而单一运行状态是车辆的起步和加速过程,这两种运行状态是车辆运行时最常见的需要大功率驱动的行驶状态。通过数学计算,配置合适的功率容量和能量容量,进而实现对超级电容容量的配置。充分发挥复合电源中超级电容带电量少、带电功率大的优势,在高功率需求工况下通过让超级电容辅助放电来实现对电池寿命的保护。在复合电源的拓扑结构上,通过增加可控开关把复合电源分成七种工作模式,在仅使用单向DC/DC转换器的情况下实现了与采用双向DC/DC转换器的控制结构的相同功能。当车辆行驶在驱动状态下时,复合电源有四种工作模式:超级电容单独驱动电机,电池和超级电容共同驱动电机,电池单独驱动电机,电池同时给驱动电机和超级电容供电。制动时,复合电源有三种工作模式:超级电容单独进行制动能量回收,电池单独进行制动能量回收,超级电容进行制动能量回收同时也接收电池的补电。本文的研究目标是让复合电源系统中的电池寿命尽可能延长,分析了电池在充放电过程中两个极板之间的电荷转移,阐述了电池的容量衰退原理,建立了电池容量衰退的数学模型,并归纳了影响电池寿命的因素,以经验公式为基准,总结了不同因素与电池容量衰退速率之间的关系。在完成了复合电源拓扑结构和参数匹配后,依据车辆在不同行驶工况下的放电特点,本文采用不同的控制优化理论对复合电源系统进行优化求解,包括:1)使用fmincon非线性求解器计算给定工况下的电池与超级电容之间功率分配的最优结果;2)使用动态规划理论求解车辆需求功率在电源部件之间的最佳分配,并将该结果与fmincon进行对比。使用动态规划原理进行功率分配优化,虽然无法在实时运行中使用,但是可以作为最优结果衡量不同控制方法下的实现效果;3)结合拓扑结构和参数匹配结果,以逻辑门限值控制方法为基础,使用自动寻优的方法,搜索在特定工况下的复合电源控制算法中的最优逻辑门限值,确定最优控制参数;通过对超级电容的实时SOC和电池放电功率阈值的预判,确定车辆在行驶时需求功率在超级电容与锂电池之间的分配策略。既要让超级电容在车辆需求功率较大时能够协助电池进行大倍率放电,又要确保超级电容在车辆需求功率较小时候能够快速恢复电量。4)把该方法扩展到不同的标准工况下。针对车辆在不同工况下运行时所对应的最优控制各有差异,本文针对三种典型的标准行驶工况进行参数标定,确定各个工况下的最优参数值组合。引入工况辨识算法,通过对车辆的实时行驶状态进行分析,采用单位距离内的车辆起停次数、平均速度和速度方差三个参数划分所属的行驶工况,并依此调用该工况下的功率分配控制参数。结果显示,引入基于工况辨识的自适应控制算法,复合电源在进行功率分配时,极大地减小了电池的容量衰退。基于锂电池单体、超级电容单体的物理特性,建立各个部件的数学模型。测试了电池单体、超级电容单体的充放电特性,并将结果应用在各电组件的建模之中。搭建联合仿真测试平台,通过仿真试验对复合电源系统的效果进行了验证。测试在一个随机工况下车辆运行时的工况辨识结果,并且以单一电池、超级电容无限大的理想情况下的电池容量衰退为基准,对比了采用多种不同控制策略的纯电动汽车整车控制优化结果,验证了自适应控制算法的有效性。本文研究内容为纯电动乘用车车载复合电源的匹配和控制提供了理论支持,有助于复合电源在纯电动汽车上的应用。


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