混合动力汽车复合电源捅量管理系统研究

【摘要】：新能源汽车已经成为未来汽车行业发展的必然趋势,混合动力汽车集传统燃油汽车性能良好、行驶里程长和未来纯电动汽车低排放、高能源利用率以及再生制动能量的回收等诸多优点于一身,是当前最有发展前景的新能源汽车之—。目前,混合动力汽车的动力性能依然比不上传统的燃油汽车,导致这一问题的主要原因是蓄电池能量存储系统的功率密度较低,不能满足汽车在启动、加速和爬坡时的高功率密度需求。另外,当汽车处于再生制动状态时,蓄电池不能快速回收再生制动能量,从而导致了能源的浪费。为此,有必要增加辅助储能系统来满足混合动力汽车的高功率密度需求,同时充分快速地回收汽车的再生制动能量。超级电容器凭借功率密度大、充电时间短、充电速度快以及循环寿命长等优点,无疑是最佳选择之一。超级电容器与蓄电池相结合构成复合电源,超级电容器和蓄电池的优势可互补,同时最大程度地弥补蓄电池或者超级电容器单一电源的不足,大大提高了混合动力汽车能量存储系统的性能。本文对混合动力汽车复合电源能量管理系统中蓄电池和超级电容器的功率分配、再生制动能量回收、能源效率优化以及荷电状态预测等问题进行了深入研究,主要研究工作及取得的成果如下：(1)给出了混合动力汽车复合电源的拓扑结构,在分析拓扑结构原理和工作状态的基础之上,针对复合电源中蓄电池和超级电容器的功率分配问题,提出了一种自适应滤波器功率分配控制策略,旨在使得超级电容器主要承担负载需求功率中的峰值功率,而蓄电池则主要承担平均功率,从而达到超级电容器对蓄电池功率的“削峰填谷”。同时,为了使得复合电源适应不同的循环工况,有必要对功率分配控制策略的控制参数进行设计与优化。高级车辆仿真软件ADVISOR下的仿真结果验证了所提出的复合电源功率分配控制策略与参数优化设计方法的有效性。(2)针对以蓄电池-超级电容器复合电源为储能系统的混合动力汽车再生制动能量回收问题,提高再生制动能量回收率,提出了一种适用于复合电源型混合动力汽车的制动力分配策略。不拘泥于传统ADVISOR高级车辆仿真软件中以速度为控制对象的分配策略,引入车身作用力、道路环境和整车结构等参数,兼顾蓄电池和超级电容器的安全充电条件,在ECER13制动法规的约束下对再生制动力和摩擦力进行了合理分配。在ADVISOR下对所提出的制动力分配策略进行建模和仿真验证,结果表明：该策略能很好地实现再生制动力和摩擦力的分配,提高了再生制动能量的回收率,延长了混合动力汽车的续航里程。(3)为提高混合动力汽车复合电源储能系统能源利用率,降低系统损耗,提出了一种能源效率最大化优化算法。建立了复合电源储能系统中蓄电池、超级电容器以及DC/DC变换器的数学模型,求解出各个功能模块的功率损耗。优化设计的目标旨在降低系统损耗,提高能源效率。由于优化问题属于非线性规划问题,故采用近似规划方法求解之。在ADVISOR下,对优化算法进行程序化实现,并进行仿真研究,结果发现：优化后复合电源储能系统的功率损耗相比于优化前大大降低,能源利用率得到提高。同时伴随着驱动电机的功率损耗降低,电机效率提高,高效率区的电机工作点增多。(4)为实现混合动力汽车复合电源中蓄电池荷电状态的快速、精确预测,引入贝叶斯极限学习机方法。对极限学习机和贝叶斯极限学习机的基本原理进行详细地介绍,采用贝叶斯线性回归方法来优化极限学习机输出层的权重,从而提高极限学习机的拟合和泛化能力。在循环工况条件下选择电池的工作电压、工作电流和表面温度以及SOC历史值等参数用来预测荷电状态的实时值,同时兼顾混合动力汽车再生制动状态下的能量回馈过程。MATLAB下的仿真结果和实例结果均表明：所设计的预测模型具有较高的精度,能够快速、实时、准确地预测出荷电状态值,实用性强,有效性高。(5)给出了混合动力汽车复合电源能量管理系统总体实验结构,对实验系统的软件和硬件进行了详细地设计,开发出了小功率复合电源样机,对能量管理系统进行了实验研究,实验结果验证了本文中所提出的能量管理系统的实际可行性。 【关键词】：混合动力汽车 复合电源 能量管理系统 超级电容器 功率分配 再生制动 能源效率 荷电状态
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U469.7
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-28
• 1.1 课题研究背景及意义13-15
• 1.2 课题相关研究综述15-25
• 1.2.1 复合电源功率分配控制策略研究综述15-19
• 1.2.2 复合电源再生制动能量回收控制策略研究综述19-22
• 1.2.3 复合电源能源效率最大化优化方法研究综述22
• 1.2.4 复合电源荷电状态预测方法研究综述22-25
• 1.3 论文研究内容及组织结构25-28
• 1.3.1 论文研究内容25-26
• 1.3.2 论文组织结构26-28
• 第二章 混合动力汽车复合电源功率分配控制及其参数优化设计28-46
• 2.1 引言28-29
• 2.2 复合电源结构选型与工作模式29-33
• 2.2.1 复合电源结构选型29-31
• 2.2.2 复合电源工作模式31-33
• 2.3 自适应滤波器功率分配控制策略及其参数优化设计33-38
• 2.3.1 控制策略描述33-34
• 2.3.2 控制策略参数设计与优化34-37
• 2.3.3 控制策略及其参数设计优化的实现37-38
• 2.4 控制策略仿真验证38-43
• 2.4.1 仿真参数匹配38-39
• 2.4.2 仿真分析39-43
• 2.5 控制策略性能评价43-45
• 2.5.1 UDDS工况下两种储能系统的工作电流分布43-44
• 2.5.2 EUDS工况下两种储能系统的工作电流分布44-45
• 2.6 本章小结45-46
• 第三章 混合动力汽车复合电源再生制动能量回收控制策略研究46-59
• 3.1 引言46-47
• 3.2 复合电源型混合动力汽车再生制动原理47
• 3.3 ADVISOR制动力分配原理47-48
• 3.4 复合电源型混合动力汽车制动力分配策略48-54
• 3.4.1 制动力分配因素49-51
• 3.4.2 制动力分配策略的制定51-54
• 3.5 制动力分配策略仿真验证54-58
• 3.5.1 UDDS工况下的制动力分配策略仿真研究54-56
• 3.5.2 EUDS工况下的制动力分配策略仿真研究56-58
• 3.6 本章小结58-59
• 第四章 混合动力汽车复合电源能源效率最大化优化设计59-74
• 4.1 引言59-60
• 4.2 复合电源各部件模型解析60-63
• 4.2.1 蓄电池模型60-62
• 4.2.2 超级电容器模型62-63
• 4.2.3 DC/DC变换器模型63
• 4.3 复合电源能源效率最大化优化设计63-65
• 4.4 能源效率最大化优化仿真验证65-72
• 4.4.1 UDDS工况下的能源效率优化仿真研究66-69
• 4.4.2 EUDS工况下的能源效率优化仿真研究69-72
• 4.5 本章小结72-74
• 第五章 混合动力汽车复合电源荷电状态预测74-92
• 5.1 引言74-75
• 5.2 混合动力汽车电池荷电状态的定义及影响因素75-76
• 5.3 极限学习机基本原理76-78
• 5.4 贝叶斯极限学习机基本原理78-79
• 5.5 混合动力汽车电池SOC预测的BELM方法仿真验证79-87
• 5.5.1 UDDS工况下的电池SOC预测BELM方法仿真研究80-84
• 5.5.2 EUDS工况下的电池SOC预测BELM方法仿真研究84-87
• 5.6 混合动力汽车电池SOC预测的BELM方法实例验证87-91
• 5.6.1 实例样本数据采集87-88
• 5.6.2 实例样本数据预处理88-89
• 5.6.3 实例研究89-90
• 5.6.4 实例预测模型评价90-91
• 5.7 本章小结91-92
• 第六章 混合动力汽车复合电源能量管理系统实验研究92-113
• 6.1 实验系统总体结构92-93
• 6.2 实验系统软硬件设计93-102
• 6.2.1 DC/DC变换器主电路设计93-96
• 6.2.2 采样电路设计96-99
• 6.2.3 电源模块设计99-100
• 6.2.4 实验系统软件设计100-102
• 6.3 实验验证102-111
• 6.3.1 脉冲电流负载性能实验研究102-106
• 6.3.2 不同工况下的供能实验研究106-110
• 6.3.3 再生制动能量回收实验研究110-111
• 6.4 本章小结111-113
• 第七章 总结与展望113-116
• 7.1 创新性成果总结113-114
• 7.2 下一步工作展望114-116
• 参考文献116-129
• 致谢129-130
• 攻读博士期间的学术成果130-132

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