插电式混合动力汽车复合电源系统集成优化方法研究

【摘要】：面对能源和环境的严峻挑战,插电式混合动力汽车引起广泛的关注。目前满足纯电动汽车使用的高比能量动力电池组和满足混合动力汽车使用的高比功率动力电池组,均难以独立满足插电式混合动力汽车对动力电池组兼顾功率和能量的双重需求。本论文研究将动力电池组和超级电容组成复合电源使用,获得良好的比功率和比能量特性,延长电源系统的服务寿命。开展的具体研究工作包括:复合电源系统拓扑结构的确定是以提高超级电容峰值助力和能量回收的响应能力以及降低动力电池的大电流冲击和提高循环寿命为目标,系统分析、评价了常用几类复合电源系统构型和有无DC/DC变换器参与的控制模式,明确了动力电池系统和DC/DC变换器串联后再与超级电容系统并联并入母线的复合电源系统拓扑结构,建立了复合电源系统数值仿真模型。搭建了性能测试试验平台,设计了复合电源系统部件的测试程序,建立了完整的动力电池和超级电容实验数据库。在此基础上,建立了动力电池和超级电容的动态仿真模型,应用遗传算法提出了模型的参数优化方法。使用AVL-Cruise软件,搭建了装备有动力电池-超级电容组成的复合电源系统的插电式混合动力客车模型。首次提出了一种复合电源系统状态估计的方法。基于复合电源系统能量特性和功率特性解耦的基础上,提出了模糊优化与扩展卡尔曼滤波算法相融合的动力电池荷电状态估计方法和基于工作电压实时预测超级电容状态估计的方法,实现了复合电源系统状态的高精确在线估计。针对不确定的操作条件、老化状态以及不精确的SOC初值等影响因素下进行实验验证。结果表明,动力电池SOC的最大估计误差限制在2%以内,为复合电源系统能量管理提供精确的决策因素。通过建立复合电源系统优化模型的基础上,提出基于动态规划算法和粒子群优化算法相结合的集成优化方法,应用粒子群优化算法确定复合电源参数、动态规划算法优化不同参数配组下的最优控制率,以复合电源系统能量损失、动力电池充/放电电流倍率的峰值和均值等的最小为优化目标,系统评价确定复合电源系统的最优参数组。基于分析PHEV工作模式的基础上,推导了不同工作模式下的能量分配管理策略。进行了基于工况和基于动力性指标的能量和功率需求分析,并提出基于最优参数匹配的复合电源系统能量管理优化策略。基于中国典型城市循环工况和重型商用车辆瞬态循环工况确定的复合电源系统的电池组容量、超级电容容量和电压等参数,应用动态规划优化算法确定动力电池和超级电容的最佳工作特性和最优控制率,分析复合电源系统的节能机理并提取最优控制规律,制定能量优化管理策略。与传统逻辑门限策略的对比仿真试验结果表明,基于集成优化方法提取的能量管理策略能够有效降低复合电源系统能耗6.48%。同时,对单一动力电池系统和复合电源系统中动力电池的充放电倍率特性进行了仿真对比与分析。结果表明,单一电池系统中的电流会随着负载功率的需求进行充放电,电流呈现出正负值交替的现象;对于复合电源系统中的动力电池,其电流变化范围被限定在有限的范围内变化,减小了峰值电流对动力电池的冲击。通过现有研究成果的定性分析,讨论了充放电倍率对动力电池循环寿命的影响。针对复合电源系统能量策略验证的问题,基于xPC Target实时仿真系统搭建复合电源系统在环仿真实验平台,将插电式混合动力汽车仿真模型下载至目标机,解析驱动电机的实时需求功率并发送至索英电子负载仪实施动力电源系统的实时充放电操作,验证复合电源系统状态估计算法和能量管理策略。台架试验结果表明,本文所提出的复合电源系统状态估计方法具有较高的估计精度,能量管理策略高效可行。本论文研究提出的复合电源系统的状态估计方法,针对不同部件工作特性差异将功率特性和能量特性进行解耦的基础上,提出基于模糊优化与扩展卡尔曼滤波算法相融合的动力电池荷电状态估计方法,解决了动力电池在不同老化程度下状态初值难以预测估计的问题,实现了动力电池系统状态的精确估计,为插电式混合动力汽车的能量管理提供了理论支撑;提出的基于粒子群优化算法和动态规划算法的集成优化算法,解决了复合电源系统参数匹配和能量管理策略协同优化、更新与标定问题,研究成果具有一定的理论研究指导意义和工程推广应用价值。 【关键词】：动力电池 荷电状态估计 复合电源系统 集成优化 能量管理 动态规划 电动汽车
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U469.7
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-15
• 第1章 绪论15-37
• 1.1 本论文研究的背景和意义15-18
• 1.1.1 论文研究的背景15-16
• 1.1.2 PHEV电源系统特征16-17
• 1.1.3 PHEV复合电源系统研究的意义17-18
• 1.2 PHEV复合电源系统的方案18-21
• 1.3 复合电源系统国内外研究现状21-33
• 1.3.1 动力电池技术现状21-27
• 1.3.2 超级电容技术现状27-28
• 1.3.3 复合电源技术现状28-33
• 1.4 现有研究的不足与难点33-34
• 1.5 本论文的主要研究内容34-37
• 第2章 复合电源系统性能分析与动态建模研究37-61
• 2.1 问题描述37-38
• 2.2 复合电源系统构型分析38-42
• 2.2.1 整车技术指标38-39
• 2.2.2 复合电源系统的拓扑结构39-42
• 2.3 复合电源系统部件测试程序和数据库42-47
• 2.3.1 电池测试系统及其工作特性42-43
• 2.3.2 动力电池测试程序和数据库43-45
• 2.3.3 超级电容性能测试45-46
• 2.3.4 超级电容的内阻试验46-47
• 2.4 复合电源系统部件的建模47-58
• 2.4.1 动力电池建模47-52
• 2.4.2 超级电容建模52-55
• 2.4.3 DC/DC变换器建模55-58
• 2.5 复合电源系统仿真模型58-60
• 2.6 本章小结60-61
• 第3章 复合电源系统的状态估计方法研究61-79
• 3.1 复合电源系统的状态61-63
• 3.2 基于模糊卡尔曼滤波的动力电池状态估计63-73
• 3.2.1 卡尔曼滤波算法63-64
• 3.2.2 模糊控制算法64-66
• 3.2.3 基于模糊卡尔曼混合算法的SOC估计66-73
• 3.3 算法验证与结果分析73-76
• 3.3.1 算法验证73-74
• 3.3.2 两种方法的SOC估计74-75
• 3.3.3 结果分析与讨论75-76
• 3.4 超级电容的状态估计76
• 3.5 复合电源系统的状态估计76-77
• 3.6 本章小结77-79
• 第4章 基于最优控制策略的复合电源集成优化方法研究79-107
• 4.1 问题描述79-80
• 4.2 复合电源系统集成优化方法80-90
• 4.2.1 粒子群优化算法80-82
• 4.2.2 动态规划优化算法82-86
• 4.2.3 集成优化方法的建模和求解框架86-90
• 4.3 基于工况的能量和功率需求分析90-102
• 4.3.1 工况特性分析90-91
• 4.3.2 基于工况的能量和功率需求分析91
• 4.3.3 中国典型城市公交工况91-99
• 4.3.4 重型商用车辆瞬态循环工况99-101
• 4.3.5 匀速行驶里程验证101-102
• 4.4 基于动力性指标的能量和功率需求分析102-103
• 4.4.1 平均功率计算102-103
• 4.4.2 峰值功率计算103
• 4.4.3 性能需求总结103
• 4.5 集成优化结果与仿真分析103-106
• 4.5.1 复合电源系统优化计算结果104-105
• 4.5.2 仿真与结果分析105-106
• 4.6 本章小结106-107
• 第5章 基于最优参数匹配的复合电源控制策略研究107-137
• 5.1 问题描述107-108
• 5.2 复合电源系统功率分配策略108-118
• 5.2.1 复合电源系统工作模式分解109-110
• 5.2.2 不同模式下功率分配控制算法110-118
• 5.3 基于规则的逻辑门限控制策略118-123
• 5.3.1 逻辑门限控制策略119-122
• 5.3.2 仿真与结果分析122-123
• 5.4 基于集成优化算法的控制策略123-132
• 5.4.1 基于集成优化算法的控制规则124-126
• 5.4.2 集成优化算法的控制策略提取126-128
• 5.4.3 仿真分析与讨论128-132
• 5.5 单一电池系统与复合电源系统比较与讨论132-135
• 5.5.1 两种系统的电流与电压特性132-134
• 5.5.2 电池放电倍率对循环寿命的影响134-135
• 5.6 本章小结135-137
• 第6章 复合电源系统的硬件在环仿真与实验研究137-149
• 6.1 xPC Target仿真工具及特点137-139
• 6.2 复合电源测试系统与接.定义139-142
• 6.2.1 仿真软件及操作系统139-140
• 6.2.2 硬件系统的选择140
• 6.2.3 I/O接.定义140-142
• 6.3 xPC Target硬件在环仿真系统平台的搭建142-145
• 6.3.1 硬件在环仿真系统的逻辑结构142-143
• 6.3.2 仿真实验平台的搭建143-145
• 6.4 硬件在环仿真实验及结果分析145-148
• 6.4.1 仿真实验与验证145-146
• 6.4.2 仿真结果分析146-148
• 6.5 本章小结148-149
• 第7章 结论与展望149-153
• 7.1 论文的主要研究工作149-151
• 7.2 论文的主要创新点151-152
• 7.3 研究展望152-153
• 参考文献153-165
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单165-166
• 攻读学位期间参与的科研项目与参加的学术活动166-167
• 致谢167

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