纯电动大客车复合电源系统能量管理关键技术研究

本论文将针对纯电动大客车只使用单一能源所带来起步慢、电池能量损耗大、电池寿命短、制动能量回收不充分的问题,将动力电池和超级电容器有机结合,组成复合电源加以解决。主要研究内容有： (1)复合电源性能分析、建模及参数辨识 动力电池性能分析、SOC估算、建模及参数辨识。动力电池性能测试包括模块电池和模块电池组性能测试,含常温放电性能、低温放电性能、高温放电性能、和常温放电倍率放电性能测试。通过测试,得到模块电池和模块电池组的放电容量与温度、放电倍率之间的关系。基于PID神经网络估算电池的SOC,建立模块电池模型。通过模块电池性能试验对电池模型进行参数辨识。 超级电容器性能分析、建模及参数辨识。分析了超级电容器性能,建立一种改进型的超级电容动态等效电路模型。分别在不同的放电电流下,进行测试记录了放电时间和电压数据后,计算超级电容器模型中理想电容值和等效串联电阻值,实现超级电容器参数辨识。 (2)复合电源功率能量比参数匹配设计与优化 为了更好地匹配由动力电池和超级电容器组成的复合电源参数,提出一种基于功率能量比参数匹配方法。根据复合电源中电池的能量要求和4种典型工况中对超级电容器的功率和能量要求,得到3条约束方程式。建立优化目标函数,优化设计方案,使复合电源的功率能量比达到车辆性能要求。 (3)复合电源能量均衡管理 非耗散性电池组或超级电容器组能量均衡是将高能模块电池或超级电容器的能量转移到中间储能体上,再将转移的能量转移到低能模块电池上,这种方式可以最大限度地减少能量的损耗。本课题设计出的电池组和超级电容器组能量均衡电路,通过控制电路控制开关管的导通和关断,将高能量电池或超级电容器上的能量存储在电感或电容上,再通过控制电路将电感或电容上能量转移到低能量的电池或超级电容器上。设计的电路能够实现任意2组电池或超级电容器进行能量均衡,均衡效率高,能量损耗低。 (4)复合电源能量控制策略设计 根据车辆需求功率和复合电源当前的容量状态,设计出合理、科学的复合电源功率分配控制策略。分别考虑模糊控制和NSGA-Ⅱ控制算法建立相应的控制策略,仿真得到2种控制方案的结果。比较2种控制策略的结果,得出采用NSGA-Ⅱ算法控制复合电源能量流动效果更好,但其控制算法复杂,工程应用困难,而模糊控制在工程应用上较易实现的结论。 (5)台架与整车试验 在复合电源台架上进行复合电源充放电试验、充放电均衡测试和简单工况模拟试验。通过整车进行车辆加速性能、最高车速和制动能量回收试验。数据表明车辆在动力性能和续驶里程方面都能达到设计要求,验证了复合电源参数匹配方法正确,能量控制策略有效。 本论文的创新之处在于： (1)电池是高度非线性系统,目前没有能在所有工作范围内都能描述电池特性的数学模型。基于PID神经网络估算磷酸铁锂电池的SOC值,设定电池的电压、放电电流、电池累积放电容量和电池电极温度4个变量为模型输入量,电池剩余容量为模型输出量,建立动力电池SOC的PID神经网络模型。 (2)提出一种基于典型工况下,考虑动力电池组能量、超级电容器组功率和超级电容器能量的复合电源系统功率能量比参数匹配方法。 (3)通过控制电路控制开关管的导通和关断,将高能量电池或超级电容器上的能量存储在中间储能体上,再通过控制电路将中间储能体上能量转移到低能量的电池或超电容器上。设计的电路能够实现任意2组电池或超级电容器进行能量均衡,均衡效果好。 (4)提出2种复合电源能量分配控制策略。第1种是根据车辆需求功率、动力电池组SOC和超级电容器组SOC状态,基于模糊控制理论,控制复合电源中的能量分配。第2种是以电池组能量消耗最小和大客车实际输出功率最大为优化目标函数,以电池组SOC和超级电容器的SOC、电池输出最大电流、加速踏板开度及其变化率为约束项,设计基于NSGA-Ⅱ控制算法,控制复合电源能量分配。