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纯电动汽车复合电源高效双向DC-DC变换器及能量管理研究

刘恩杰  
【摘要】:针对目前日益严峻的资源短缺和环境污染形势,电动汽车由于其高效节能环保等优点得到了快速发展。复合电源综合了蓄电池和超级电容各自所具有的优势,被广泛地用作电动汽车的动力来源。本文主要对复合电源中高效双向DC-DC的控制方式以及能量管理策略进行深入研究,并从以下几方面具体分析:首先,全面地剖析复合电源各组成部件的工作原理和特性,在兼顾系统效率、稳定性以及成本的前提下,选择超级电容串联双向DC-DC的拓扑结构作为所研究复合电源的结构形式。根据电动汽车不同的行驶工况,详细地阐述复合电源的功率分配方式,并充分地分析复合电源四种不同的供电方式。其次,选择易于实现软开关和功率密度较高的双有源(Dual-Active-Bridge,DAB)DC-DC变换器作为研究拓扑,分别对传统单移相(Single-Phase-Shifting,SPS)控制和双重移相(Dual-Phase-Shifting,DPS)控制下变换器的工作状态进行阐述,然后分析两种不同控制方法下变换器的功率特性以及开关管的软开关范围,分别建立两种不同控制方法下变换器的仿真模型对理论分析进行仿真验证。再次,为了进一步提高变换器的功率传输效率,本文重点对DAB变换器的双重移相效率优化控制进行研究。在DPS控制的基础上,分析变换器在稳定运行时各部分损耗的产生机制及其主要影响因素,推导双重移相效率优化控制的数学模型,得出在给定传输功率时变换器总损耗达到最小的内移相比,同时闭环调节外移相比,从而降低变换器工作过程中的电流应力和总损耗。通过对比分析仿真结果可知,相比于传统SPS控制和DPS控制,本文采用的双重移相效率优化控制策略可以有效改善变换器的功率传输效率。最后,为了合理地分配蓄电池和超级电容的能量,选取模糊控制策略对复合电源的能量进行管理。搭建复合电源的仿真模型,经过对ADVISOR的二次开发可以得到复合电源电动汽车的整车仿真模型,并在中国典型城市道路循环工况下,比较单一电源和复合电源中蓄电池的电流波形。通过对比分析一个完整循环工况仿真结束后蓄电池的SOC可知,双重移相效率优化控制策略的使用可以有效提高电动汽车的经济性能和续驶里程。


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