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在能源危机与环境污染问题日益严重的当下,电动汽车由于具有节能环保、污染小等优势而受到人们的青睐,其中储能技术是发展电动汽车行业的关键。现阶段电动汽车多以电池作为单一储能电源,由于动力电池功率密度低,不能大电流充放电等性能限制,无法满足实际工况中电动汽车的功率需求,限制了电动汽车技术的发展。因此,结合高能量密度器件与高功率密度器件的混合储能系统引起业界广泛重视。本文主要围绕电动汽车运行特性与混合储能系统工作特性,从能量与功率需求的角度进行了以下研究:
首先,本文以混合电动汽车能量管理控制为背景,针对国内外的研究现状做了归纳整理。介绍了电动汽车发展现状与不足,并且详细分析了目前市场常见储能元件特性,通过对不同储能元件特点的比较分析,选择超级电容与蓄电池作为电动汽车储能单元,建立了两种储能单元各自等效电路,详细研究了储能元件参数计算方法,为控制策略的研究提供理论基础;讨论了无活性、半活性与全活性拓扑电路的结构特点及应用场合,最终选择全活性拓扑结构作为蓄电池与超级电容混合储能系统的能量管理主电路;详细分析了双向DC/DC变换器工作原理,完成主电路参数设计,推导出数学模型及传递函数。
然后,结合了电动汽车的负载功率需求及变化特性,提出了蓄电池与超级电容混合储能系统能量管理与分配控制策略,以SOC作为能量层调动依据,利用开路电压法与安时积分法进行SOC的估算;根据电机需求功率的阈值与储能元件SOC估算设计了逻辑规则控制策略,进行储能元件配合工作原则,其中,为减少蓄电池大电流放电的次数,添加了蓄电池向超级电容与电机同时供电的模式,增加超级电容使用次数;通过建立小信号模型完成双向DC/DC控制器设计,实现储能系统功率分配与平衡;设计了自动调节控制器,使得储能系统功率分配可以更快地跟随电机功率需求;利用MATLAB/simulink软件搭建蓄电池与超级电容混合储能系统仿真模型,完成储能系统升降压模式下电机加速或减速实验仿真,仿真结果验证该控制策略的可行性。
最后在理论分析及仿真结果的基础上,搭建实验样机模型,对由蓄电池组、超级电容组和双向DC/DC变换器构成的混合储能系统基本工作模式和特定工况进行了实验研究,通过验证每种模型下高压侧电压的稳定性,证明了理论分析及仿真结果的正确性。
首先,本文以混合电动汽车能量管理控制为背景,针对国内外的研究现状做了归纳整理。介绍了电动汽车发展现状与不足,并且详细分析了目前市场常见储能元件特性,通过对不同储能元件特点的比较分析,选择超级电容与蓄电池作为电动汽车储能单元,建立了两种储能单元各自等效电路,详细研究了储能元件参数计算方法,为控制策略的研究提供理论基础;讨论了无活性、半活性与全活性拓扑电路的结构特点及应用场合,最终选择全活性拓扑结构作为蓄电池与超级电容混合储能系统的能量管理主电路;详细分析了双向DC/DC变换器工作原理,完成主电路参数设计,推导出数学模型及传递函数。
然后,结合了电动汽车的负载功率需求及变化特性,提出了蓄电池与超级电容混合储能系统能量管理与分配控制策略,以SOC作为能量层调动依据,利用开路电压法与安时积分法进行SOC的估算;根据电机需求功率的阈值与储能元件SOC估算设计了逻辑规则控制策略,进行储能元件配合工作原则,其中,为减少蓄电池大电流放电的次数,添加了蓄电池向超级电容与电机同时供电的模式,增加超级电容使用次数;通过建立小信号模型完成双向DC/DC控制器设计,实现储能系统功率分配与平衡;设计了自动调节控制器,使得储能系统功率分配可以更快地跟随电机功率需求;利用MATLAB/simulink软件搭建蓄电池与超级电容混合储能系统仿真模型,完成储能系统升降压模式下电机加速或减速实验仿真,仿真结果验证该控制策略的可行性。
最后在理论分析及仿真结果的基础上,搭建实验样机模型,对由蓄电池组、超级电容组和双向DC/DC变换器构成的混合储能系统基本工作模式和特定工况进行了实验研究,通过验证每种模型下高压侧电压的稳定性,证明了理论分析及仿真结果的正确性。