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超级电容关键技术及其在电动汽车中的应用研究

丁石川  
【摘要】:在过去的几十年内人类对于交通的需求越来越高,其中最重要也是保有量最高的交通工具是汽车。我国自改革开发以来,经济发展迅猛,已经成为全球最大的汽车消费市场。汽车不仅消耗了巨量的石油资源,加剧了高度依赖石油的能源危机,而且传统以汽油作为动力的汽车产生了大量的排放,给环境污染的治理带来了极大的不利影响。为了能源安全和环境保护,电动汽车因其不消耗石油能源,零排放等突出优势,在过去的十多年时间内,已经成为各主要工业国热捧的对象。然而制约电动汽车的发展因素也不少,从技术层面看,最大的瓶颈因素当属车载电储能源的问题。目前尚无任何一种电储能源在能量密度、功率密度、循环寿命、使用成本、可靠性这几个关键指标的综合性方面能够和传统的汽油燃料相比拟。在可以预见的较长一段时间内,单一电储能源很难在多个关键指标上同时取得突破性进展,因此普遍认为,将高能量密度的锂离子动力电池和高功率密度的超级电容组成复合储能系统是当下一个很有吸引力的选项。关于锂离子电池的研究相对比较丰富,但是针对车载超级电容的研究则相对匮乏,因此本课题聚焦超级电容在电动汽车中应用及其关键技术,展开系列研究。本文分析了现有超级电容的主要建模方法,并提出了一种基于支持向量机的超级电容建模方法;本文充分考电动汽车使用环境的特点,针对性地分析了车载超级电容器组的均压问题,设计了静态均压策略,提出了一种动态均压电路及对应的动态均压策略;本文挖掘了超级电容的优点,提出了一种新型的基于超级电容的多电平泵升电路结构,可用于电动汽车中需要高压的特殊应用;进一步基于由超级电容和电池组成的复合储能系统,进行了复合储能系统结合电动汽车驱动系统的研究,提出了复合储能系统的管理策略和制动能量回收的控制策略。本文的研究内容主要包括以下几点:1.在较为详细地探讨超级电容结构的基础上,结合实验测试对几种经典模型进行了分析比较,并基于电动汽车使用特点,提出一种基于支持向量机的超级电容建模方法,实验结果验证了该方法的有效性。2.基于对现有超级电容均压电路的研究,根据电动汽车使用特点,针对车载超级电容器组选择一种改进的飞跨电容静态均压电路,并基于该电路提出了均压策略。搭建了上述均压电路的实验平台,实验结果表明静态均压电路及控制策略符合电动汽车使用要求。3.考虑到超级电容器组在车载能源中所承担的功能,往往处在相对频繁的充放电状态中,鉴于此,提出了一种新型的动态均压电路,并设计了均压策略。仿真和实验结果表明所提出的均压电路和控制策略符合预定要求。4.为了发挥超级电容快速充放电能力强、效率高的优点,提出了一种新型多电平泵升电路拓扑,该电路可以用于车载条件下部分需要高压的特殊应用,分析了该电路的工作原理和工作模式,并通过仿真和实验加以验证。5.对由超级电容和电池组成的复合储能系统在电动汽车中的应用展开研究,根据超级电容和电池的特点,将该复合储能系统与电驱动系统联合建模,提出复合储能系统的制动控制策略,根据所建模型和基本工作原理建立数学模型,并在此基础上搭建Matlab/simulink仿真模型,研究该系统的运行特性,并验证所提出的复合储能系统控制管理策略和制动控制策略。6.根据电动汽车驱动系统和能量制动回收的特性,搭建基于超级电容+电池的复合储能系统模拟电动汽车电驱动及制动系统实验平台,并建立基于STM32控制器和大功率驱动器的控制平台,以验证所提出的复合储能系统能量制动回收策略的正确性。


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