基于ADVISOR电动汽车复合储能系统的研究

论文作者:本站 论文来源:本站 发布时间:2021/01/10

基于ADVISOR电动汽车复合储能系统的研究

 

传统汽车工业的迅猛发展,伴随着社会的进步和经济的发展,带来了严重的污染和能源短缺问题。电动汽车以其使用效率高、零污染、低噪音等一系列优点受到广大研究人员的青睐。电动汽车集机械、电气、化学、磁等多学科工程技术于一身,发动机驱动及其控制系统,蓄电池及其控制系统,整车控制系统是电动汽车三大关键系统,其中整车控制系统作为电动汽车的“大脑”,核心部分的整车控制策略负责调控电机、电池及整车的其他模块协同运行,以确保安全高效的行驶。当前,由于电池的关键技术不能同时考虑诸如能量密度,功率密度和结构紧凑性等优点,因此严重阻碍了电动汽车的发展。本文考虑将超级电容器与动力蓄电池和弹簧储能以合理的结构组合成复合电源系统,实施能源管理策略,充分利用组合能源的优势,以改善汽车的动力、经济两方面的性能,同时提高电动汽车续驶里程以及蓄电池使用寿命。

首先,本文深入研究了混合动力电动汽车的二次制动理论,对汽车的储能系统进行了全面分析,对超级电容和蓄电池以及弹簧储能的机理与特性进行研究,考虑传统电动汽车仅采用蓄电池供电,不仅供电时间短且电池长期处于充放电过程造成电池的使用寿命严重缩短的问题,引入这两种新兴的储能元件超级电容和涡簧储能装置进行辅助协同,将三者者通过功率总线、双向DC/DC变换器等结合在一起,确立超级电容、涡簧储能装置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,在对MATLAB / Simulnk环境中ADVISOR各个组件的功能和模型进行分析的基础上,开发了ADVISOR仿真软件存储系统的第二个模型。在数学理论基础上,建立超级电容、涡簧储能装置、蓄电池的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、涡簧储能装置之间的功率分配控制策略。

最后,ADVISOR仿真器软件中内置的仿真模型选择ECE + EUDC模型进行仿真分析,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于确保制动能量的有效再生至关重要。

 

 

关键词:电动汽车;复合储能;能量节约;ADVISOR

 

Abstract

With the rapid development of traditional automobile industry, with the progress of society and economic development, serious pollution and energy shortage have been brought. Electric vehicles are favored by researchers because of their high efficiency, zero pollution and low noise. the electric vehicle integrates mechanical, electrical, chemical, magnetic and other multidisciplinary engineering technologies. the engine drive and its control system, the battery and its control system, and the whole vehicle control system are the three key systems of the electric vehicle, in which the whole vehicle control system acts as the "brain" of the electric vehicle. the core vehicle control strategy is responsible for regulating the coordinated operation of the motor, battery and other modules of the vehicle to ensure safe and efficient driving. At present, the key technology of battery can not consider the advantages of energy density, power density and compact structure at the same time, so it seriously hinders the development of electric vehicle. this paper considers combining supercapacitors with power storage batteries and spring energy storage with a reasonable structure to form a composite power supply system, implementing energy management strategies, making full use of the advantages of combined energy, in order to improve the performance of the vehicle in both power and economy, while improving the driving mileage and battery life of electric vehicles.

 First of all, this paper deeply studies the secondary braking theory of hybrid electric vehicle, makes a comprehensive analysis of the energy storage system of the vehicle, studies the mechanism and characteristics of super capacitor and battery and spring energy storage, considering that the traditional electric vehicle only uses battery power supply, not only the short power supply time and the serious shortening of battery life caused by the long-term charge-discharge process, introduces these two new energy storage elements super capacitor and vortex spring energy storage device for auxiliary cooperation, and combines the three through power bus, bidirectional DC/DC converter and so on, The composite energy storage system scheme of super capacitor, vortex spring energy storage device and battery is established and its parameters are matched. Considering the necessity of uniform voltage control of composite energy storage system, a bidirectional half-bridge DC/DC converter is studied.

 Secondly, based on the analysis of the functions and models ADVISOR each component in the MATLAB /Simulnk environment, the second model of the ADVISOR simulation software storage system is developed. Based on the mathematical theory, the simulation model of the composite energy storage system of super capacitor, vortex spring energy storage device and battery is established, and the power distribution control strategy between battery and super capacitor and vortex spring energy storage device is designed by using variable speed integral PID algorithm in three working modes.

 finally, ADVISOR simulation model built in the simulator software selects the ECE EUDC model for simulation analysis and compares the simulation performance. the results show that the braking stability of the vehicle, the performance of the battery, the efficiency of regenerative braking energy utilization and the energy consumption of the whole vehicle have been improved to some extent. The research of the composite energy storage system is very important to ensure the effective regeneration of braking energy.

 

Keywords: electric vehicle; compound energy storage; energy saving; ADVISOR

 

 

 

 

 

 

基于ADVISOR电动汽车复合储能系统的研究.................................................... 1

  .................................................................................................................... 1

Abstract.................................................................................................................. 2

  .................................................................................................................... 4

第一章 绪论.......................................................................................................... 7

1.1 电动汽车复合储能研究的背景和意义................................................. 7

1.1.1 电动汽车复合储能研究的背景.................................................. 7

1.1.2 电动汽车复合储能研究的意义.................................................. 7

1.2 电动汽车国内外研究现状..................................................................... 8

1.2.1 国外研究现状.............................................................................. 8

1.2.2 国内研究现状............................................................................ 10

1.2 储能系统的研究概况........................................................................... 10

1.2.1 蓄电池........................................................................................ 11

1.2.2 超级电容.................................................................................... 11

1.2.3 涡簧/弹簧储能装置.................................................................. 12

第二章 储能系统的原理特性分析.................................................................... 13

2.1蓄电池的特性分析................................................................................ 13

2.1.1 蓄电池的性能指标.................................................................... 13

2.1.2 蓄电池容量特性................................................................................ 14

2.1.3 蓄电池充放电特性.................................................................... 14

2.1.4 蓄电池的内阻特性.................................................................... 16

2.2 超级电容器的特性分析....................................................................... 17

2.2.1超级电容器结构与工作原理..................................................... 17

2.2.2超级电容器充放电特性............................................................. 18

2.2.3超级电容器内阻特性................................................................. 19

2.2.4超级电容器温度特性................................................................. 20

2.3 簧储能装置特性分析....................................................................... 21

2.3.1机械弹性储能技术的原理......................................................... 21

2.3.2提高储能密度的原理................................................................. 22

2.2.3双向DC/DC转换器的特性分析................................................ 22

2.4 复合储能类型....................................................................................... 23

2.4.1超级电容与蓄电池直接并联的形式......................................... 23

2.4.2超级电容器与DC/DC转换器串联后再与蓄电池并联............ 23

2.4.3蓄电池与DC/DC转换器串联后再与超级电容器并联............ 23

2.4.4超级电容器和蓄电池分别与DC/DC转换器串联后再相互并联 24

2.5 ADVISOR仿真软件的介绍.................................................................... 24

2.5.1 ADVISOR的介绍......................................................................... 24

2.5.2 ADVISOR仿真软件的特点......................................................... 25

2.5.3 工作原理.................................................................................... 25

2.6 新型复合储能方案设计....................................................................... 27

第三章 方案参数设计........................................................................................ 29

3.1 整车基本参数与性能指标................................................................... 29

3.2驱动电机参数匹配................................................................................ 31

3.2.1 基速nb与最高转速nmax............................................................ 31

3.2.2 峰值转矩Tmax与峰值功率Pmax................................................. 31

3.2.3 额定转矩Tr与额定功率Pr....................................................... 33

3.3 复合电源系统参数匹配....................................................................... 34

3.3.1 动力蓄电池参数匹配................................................................ 34

3.3.2 超级电容器参数匹配................................................................ 36

3.3.3 平面涡卷弹簧的参数设计和计算............................................ 38

第四章 复合电源系统能量管理控制策略........................................................ 41

4.1 复合电源的控制目标........................................................................... 41

4.2 蓄电池的建模分析............................................................................... 41

4.2.1 内阻模型.................................................................................... 41

4.2.2 阻容模型.................................................................................... 44

4.3 超级电容器模型................................................................................... 44

4.4 弹簧弹性储能建模............................................................................... 45

4.5 复合储能系统控制............................................................................... 46

第五章 仿真测试分析........................................................................................ 48

5.1 电动汽车的仿真设置........................................................................... 48

5.1.1 电动汽车循环工况的选择........................................................ 48

5.1.2 仿真的参数设计........................................................................ 49

5.2 测试结果和分析................................................................................... 50

5.2.1 储能系统的分析........................................................................ 50

5.2.2 燃油经济性分析........................................................................ 53

5.2.3 动力性的对比分析.................................................................... 54

5.2.4 复合储能系统的分析................................................................ 54

第六章 总结与展望............................................................................................ 56

6.1 总结....................................................................................................... 56

6.2 展望....................................................................................................... 57

参考文献:.......................................................................................................... 58

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第一章 绪论

1.1 电动汽车复合储能研究的背景和意义

1.1.1 电动汽车复合储能研究的背景

新世纪以来,随着人们消费能力的不断增强,汽车开始以普通的家用产品进入日常生活,给人们带来了更大的行动自由和便利,极大地提高了人们的生活和工作效率。据公安部统计,截至2019年底,全国汽车保有量达2.4亿辆,从车辆类型看,小型载客汽车、私家车、货车等持续快速增长,再创历史新高;其中新能源汽车保有量达291万辆,仅占汽车总量的1.09090,电动汽车约占新能源汽车总量的81.0607,从以上数据可以看到,国民拥有的汽车数量非常庞大,其中非常大一部分为燃油汽车,电动汽车仅占很小的一部分,但增速明显[1]

燃油汽车使人们的日常生活更轻松、方便,也无意中影响了环境。使用燃料的车辆产生的废气中含有许多污染物,包括一氧化碳,二氧化碳,硫化物,颗粒物等,逐渐成为一个难题。针对这一问题,世界各国开始围绕能源节约,可持续发展,环境绿色平衡等主题寻求适当的解决方案,重新考虑汽车工业的发展,欧美国家纷纷发布燃油汽车禁售期限,加大电动汽车研发力度,希望借助电动汽车的环保,节能特性来解决与传统汽车燃油有关的问题,并逐步取代它[2]。我国政府发布了一项政策,将电动汽车产业列为七大战略产业之一,强烈呼吁开发新能源,并颁布了鼓励汽车制造商生产和销售的政策。

电动汽车的动力源为驱动电机而不是发动机,驱动电机从车载储能装置汲取电能并驱动汽车。电动汽车的三个关键组成部分,分别是发动机驱动及其控制技术,电池及其控制系统,整车控制系统,整车控制器是电动汽车控制系统的核心,在电动汽车的正常行驶,再生控制中起着关键作用。驱动电机依靠电磁效应工作,具有极其优良的调速性能、结构相对简单、维护方便、质量轻等优点,不同于发动机,首先,转矩特性的输出非常接近理想的转矩速度曲线,因此不需要太多的齿轮来平滑扭矩,并且具有低速和恒定功率的特点。动态电池管理系统负责调节电池的正常功能,包括实时充电状态评估,监视电池单元中的电压当前温度信息,电池健康评估,热量管理和其他模块以执行完全放电,能量回收等功能[3]

作为电动汽车的大脑,整车控制系统要控制汽车的所有子系统,监测整车运行状态,直接影响电动汽车的能源,经济,行业研究人员不断制定更强大的汽车控制策略,从而进一步提高汽车的性能。 总体而言,为满足消费者的性能需求,抢占电动车市场。

1.1.2 电动汽车复合储能研究的意义

虽然电动汽车可以解决与能源和环境有关的两个全球性问题,但电动汽车的普及仍然受到技术问题的严重限制。动力蓄电池在汽车正常行驶时不需要较高的功率密度,此时汽车能够具备良好的使用性能,蓄电池也能充分发挥出其高能量密度的优点,但是当汽车起步,上坡并加速运行时,汽车必须是提供高瞬时功率的驱动力,而高功率意味着较大的冲击电流,这样的使用工况将会对蓄电池造成不可修复的损耗,降低蓄电池使用寿命[4]。电动汽车相对于传统汽车,其续驶里程较短,以蓄电池作为唯一动力源时,如果要求增大续驶里程,唯一的办法是增大蓄电池的数目,但这受到车辆整体结构的限制。超级电容器的高功率密度以及弹簧储能机构的小尺寸和高传输效率的优势,与超级电容器和涡簧储能系统的连接可以解决单个电池作为能源系统相关的许多问题,可以为汽车提供最大的能源需求。对于启动,爬坡或加速超高速过载来说是必不可少的,电容器可以在


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