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电动汽车用复合储能系统关键技术及设计方法研究

王峰  
【摘要】:温室气体排放和化石能源的不可再生性是制约传统汽车发展的两大问题,电动汽车作为解决这一问题的有效途径,近几年在世界各国都得到了快速发展。电动汽车的关键技术之一是储能系统,也是电动汽车发展的最大瓶颈。电动汽车传统的纯电池储能系统,由于受到功率密度、电池寿命的制约,不能很好地满足电动汽车的设计要求。超级电容和电池组成的复合储能系统,可以充分利用电池和超级电容的优点,兼顾储能系统能量、功率、寿命、效率等方面的需求,从而使电动汽车储能系统获得更加均衡的性能。针对电动汽车储能系统存在的问题,本文对锂离子电池+超级电容组成的复合储能系统基础理论、设计方法等关键技术进行了研究,主要解决了工况条件下电池寿命预测问题,集成式功率转换器的设计问题,电池和超级电容的参数匹配与优化问题,电池、超级电容能量管理和控制方法问题,并形成完整的复合储能系统设计方法。论文完成了以下研究工作:(1)锂离子电池、超级电容、电源转换器等核心部件的特性研究及模型建立。对工况条件下锂离子电池的寿命衰减特性进行了研究,提出了汽车行驶工况下的电池寿命预测模型。同时,通过实验测试数据,建立了锂离子电池、超级电容的等效电路模型,并推导建立了永磁同步电机、控制器等关键部件的模型。为了解决复合储能系统不同储能源之间的电源转换问题,提出了一种应用于多能量源复合储能系统的集成式转换器,在增加少量器件的情况下,兼具双向DC/DC、单相逆变器和电池充电器的功能,有效减轻了电源转换器的重量、降低了系统成本。(2)复合储能系统的参数匹配理论和优化设计方法研究。在复合储能系统各部件特性研究的基础上,分析比较了不同构型的复合储能系统,得出了适合目标车型的系统构型。提出了由电池寿命、系统硬件成本、耗电量、系统损耗、续驶里程等多种因素构成的复合储能系统评价方法。针对目标车型,提出了利用动态规划方法、以每千米使用成本为优化目标的最优能量分配策略,并分析了不同电池、超级电容参数对复合储能系统性能的影响,得到最优的锂离子电池、超级电容参数。(3)复合储能系统的能量管理策略研究。对于经过优化的复合储能系统,提出了基于工况预测的自适应神经模糊能量管理策略,作为对比,制定了基于固定规则、基于模糊规则的能量管理策略。仿真结果显示,相较于其他两种能量管理策略,提出的基于工况预测的自适应神经模糊能量管理策略对延长锂离子电池寿命的效果优于其他两种策略。(4)复合储能系统样机开发和实验验证。基于前文研究的复合储能系统设计理论,开发了复合储能系统的锂离子电池包、超级电容包、集成式电源转换器和主控制器样机,并搭建了复合储能系统实验台架。对开发的复合储能系统样机在不同工况、不同能量管理策略下进行了性能测试,验证了复合储能系统设计理论的正确性。测试结果显示,复合储能系统能够有效延长锂离子电池的寿命,降低电动汽车电源系统的使用成本。


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