基于复合储能的混合动力电动汽车再生制动能量回馈研究

【摘要】：汽车工业的发展所带来的对石油资源需求的急剧增加和对全球环境造成的严重负面影响日益引起了人们的广泛关注,因此,面向21世纪研究高效节能和低污染的混合动力电动汽车是缓解这两大问题的有效手段,成为汽车工业可持续发展的主要方向之一。车辆在城市路况下行驶,由于交通拥挤须频繁的加速和制动,传统内燃机汽车将制动能量通过制动器以摩擦的形式转化为热能损失掉,而混合动力电动汽车发挥了电机的再生制动功能,可在制动过程中对车辆的动能进行回收利用,其在城市工况下行驶时可显著提高燃油经济性并降低排放。 本文以混合动力电动汽车为研究对象,侧重在关键技术中相对独立的储能系统能量管理进行研究,分析储能系统对再生制动的约束条件,为实现能量的充分回收与利用,要求考虑储能系统在比能量和比功率上做出权衡,来满足混合动力电动汽车的大功率波动需求。本文设计了具有较强脉冲性能、充放电效率高、动态响应快的复合储能系统。主储能装置采用动力铅酸蓄电池组,辅助储能装置应用具有高比功率的超级电容,超级电容和蓄电池的复合储能系统兼顾了超级电容的高比功率和蓄电池的高比能量的优点,实现混合动力电动汽车对能量和功率要求的分离,充分结合了两种储能装置的优势。明确了研究目标。 首先,本文深入研究混合动力电动汽车再生制动理论,综合分析车载能量存储系统,对超级电容和蓄电池的机理与特性进行研究,考虑传统单一的蓄电池储能装置比功率差的缺陷,引入一种新兴的储能元件超级电容进行辅助协同,将两者通过功率总线、双向DC/DC变换器等结合在一起,确立超级电容与蓄电池的复合储能系统方案,对其进行参数匹配。考虑复合储能系统均压控制的必要性,深入研究了双向半桥DC/DC变换器。 其次,在分析汽车仿真软件ADVISOR各部分功能和模型的基础上,对仿真软件ADVISOR的储能系统在MATLAB/Simulink环境下进行二次开发,在数学理论基础上,建立超级电容、蓄电池和复合储能系统仿真模型,并在三种工作模式下,应用变速积分PID算法设计蓄电池和超级电容之间的功率分配控制策略。 最后,将仿真模型嵌入ADVISOR仿真软件,选定ECE+EUDC典型测试循环工况进行仿真分析,对比仿真性能,结果表明,车辆的的制动稳定性、蓄电池的性能、再生制动能量利用效率和整车能耗等方面都有一定程度的改善。该复合储能系统的研究对实现高效的再生制动能量回收有着重要的指导意义。 【关键词】：混合动力电动汽车 再生制动 超级电容 复合储能 功率分配策略
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-11
• 插图索引11-13
• 附表索引13-14
• 第1章 绪论14-25
• 1.1 混合动力电动汽车概论14-16
• 1.1.1 混合动力电动汽车研究背景及意义14-15
• 1.1.2 国内外混合动力电动汽车的发展综述15-16
• 1.2 混合动力电动汽车的分类16-18
• 1.2.1 串联式混合动力电动汽车16-17
• 1.2.2 并联式混合动力电动汽车17-18
• 1.2.3 混联式混合动力电动汽车18
• 1.3 开展混合动力电动汽车研究的必要性和可行性18-20
• 1.3.1 混合动力电动汽车的节能潜力19
• 1.3.2 混合动力电动汽车的环保优势19-20
• 1.4 再生制动领域的研究动态20-23
• 1.4.1 再生制动的研究背景及意义20-21
• 1.4.2 国外再生制动领域的研究状况21-22
• 1.4.3 国内再生制动领域的研究状况22-23
• 1.5 本课题的研究意义和主要内容23-24
• 1.5.1 课题的研究意义23
• 1.5.2 论文主要研究内容23-24
• 1.6 本章小结24-25
• 第2章 混合动力电动汽车再生制动的理论基础25-38
• 2.1 制动能量回收的必要性25-26
• 2.2 再生制动系统构成和原理26-29
• 2.2.1 再生制动系统结构26-27
• 2.2.2 再生制动基本原理27-28
• 2.2.3 再生制动的影响因素28-29
• 2.3 制动过程理论分析29-33
• 2.3.1 制动能量分析29-30
• 2.3.2 再生制动能量回馈的理论计算30-31
• 2.3.3 汽车制动过程31-33
• 2.3.4 汽车制动时车轮的滑移率33
• 2.3.5 附着力系数与滑移率的关系33
• 2.4 车辆制动力分配33-36
• 2.4.1 传统汽车制动力分配34-35
• 2.4.2 混合动力电动汽车再生制动过程的制动力分配35
• 2.4.3 制动规程35-36
• 2.5 再生制动系统制动力分配原则36-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第3章 超级电容和蓄电池的再生制动复合储能系统38-51
• 3.1 HEV车载能量回馈储能系统的综合分析38-39
• 3.2 HEV动力电池和超级电容的机理与特性研究39-43
• 3.2.1 铅酸蓄电池工作原理39
• 3.2.2 铅酸蓄电池的电特性与本征参数39-42
• 3.2.3 超级电容的机理与特性42-43
• 3.3 超级电容再生制动能量回收的主要技术问题43-45
• 3.3.1 均压控制的必要性43-44
• 3.3.2 双向半桥DC/DC变换器工作原理44-45
• 3.4 超级电容与蓄电池的再生制动复合储能系统方案设计45-47
• 3.4.1 复合储能系统结构确立45-46
• 3.4.2 复合储能系统SOC的估算46-47
• 3.5 复合储能系统的参数匹配47-50
• 3.5.1 蓄电池组参数匹配48
• 3.5.2 超级电容储能阵列参数匹配48-50
• 3.6 本章小结50-51
• 第4章 基于ADVISOR的复合储能系统建模51-63
• 4.1 混合动力电动汽车仿真软件ADVISOR51-54
• 4.1.1 ADVISOR简介51
• 4.1.2 ADVISOR软件的功能和用途51-52
• 4.1.3 ADVISOR的系统结构和工作原理52
• 4.1.4 ADVISOR的操作界面52-54
• 4.2 蓄电池组、超级电容和复合储能系统模型54-57
• 4.2.1 蓄电池理论计算与仿真模型54-56
• 4.2.2 超级电容的理论模型与仿真模型56-57
• 4.2.3 复合储能系统模型57
• 4.3 复合储能系统的控制策略57-62
• 4.3.1 复合储能系统控制目标57-58
• 4.3.2 复合储能系统控制策略的制定58-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第5章 复合储能系统再生制动仿真分析63-70
• 5.1 ADVISOR中HEV的仿真方法63-64
• 5.2 复合储能系统模型及控制策略在ADVISOR中的嵌入64-65
• 5.3 测试循环工况的选择65-66
• 5.4 仿真结果分析66-69
• 5.4.1 制动力分配曲线66-67
• 5.4.2 电流变化曲线67-68
• 5.4.3 复合储能系统SOC值变化曲线68-69
• 5.5 仿真结论69
• 5.6 本章小结69-70
• 总结70-72
• 参考文献72-75
• 致谢75-76
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录76

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