电动汽车复合电源系统设计与功率分配策略研究

摘要

近年来，电动汽车因为其不产生任何污染而得到了迅速的发展，但其发展过程中也产生了许多难题，如蓄电池的功率密度低使整车动力性较差，频繁的大电流充放电使其循环寿命短等。因此本文设计了将比功率高且循环寿命长的超级电容与蓄电池相结合组成复合电源作为电动汽车的能量系统，并对其功率分配策略进行了对比研究。 首先，基于蓄电池和超级电容的充放电试验，分别对其工作特性进行了详细分析。经过对比分析不同复合电源系统结构方式的优缺点，提出了超级电容先与双向DC/DC变换器串联后再与蓄电池并联的复合电源结构，并详细讲述了其不同的工作模式状态。依据原型车参数完成了蓄电池和超级电容的参数匹配，并明确了对双向DC/DC变换器的功能要求，进而完成了双向DC/DC变换器的设计，主要是电感和电容的设计，并根据双向DC/DC变换器的电路原理建立了仿真模型并进行仿真。结果显示：所设计的双向DC/DC变换器具有良好的升降压能力和动态响应能力，满足设计要求。 其次，基于蓄电池和超级电容的工作原理在MATLAB/Simulink分别对其建模，依据双向DC/DC变换器的效率试验数据完成效率模型建模。对现有功率分配策略分析比较后，提出简单逻辑门限值和模糊控制策略，并分别建立了仿真模型。目前，因ADVISOR软件具有对汽车各种性能快速分析的特点而被广泛用于电动汽车和混合动力汽车的整车仿真，但ADVISOR中的能量系统为单一电源系统，因此需要对ADVISOR进行二次开发。将建好的复合电源系统模型导入至ADVISOR中替换单一电源系统对顶层模型进行修改，同时修改相应的M文件和GUI连接完成二次开发。基于UDDS工况，分别对单一电源系统和复合电源系统进行了仿真对比分析，结果表明：系统中超级电容的加入能够起到“削峰”的效果，降低蓄电池的输出功率同时使蓄电池的百公里能量消耗率降低了8.6%。通过对比分析不同控制策略仿真结果可得：模糊控制策略鲁棒性更强且控制效果更好。相对于简单逻辑门限值控制策略，模糊控制策略使蓄电池百公里能量消耗率多降低了3.56%。 最后，对所设计的复合电源系统在试验台架上进行了实验验证。先是将双向DC/DC变换器的高低压端分别连接模拟电池和超级电容模组，通过对超级电容模组的充放电试验来验证双向DC/DC变换器的工作性能，结果表明：所设计的双向DC/DC变换器具有很好的升降压和动态响应性能，可以满足实际的工作要求。随后选用电阻作为负载，分别进行单一电源系统和复合电源系统的供能实验，结果表明：超级电容能够分担蓄电池的大功率输出继而达到保护蓄电池的目的。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外复合电源研究现状

1.2.1 国外复合电源研究现状

1.2.2 国内复合电源研究现状

1.3 论文主要研究内容

第二章 复合电源系统设计与参数匹配

2.1 复合电源系统概述

2.2 蓄电池工作特性分析

2.2.1 蓄电池选型分析

2.2.2 蓄电池的充放电特性分析

2.3 超级电容工作特性分析

2.3.1 超级电容的充放电特性分析

2.3.2 超级电容的内阻特性分析

2.4 复合电源系统结构选型与工作模式分析

2.4.1 复合电源结构选型

2.4.2 复合电源工作模式分析

2.5 参数设计

2.5.1 蓄电池参数

2.5.2 超级电容参数

2.6 本章小结

第三章 双向DC/DC变换器设计及仿真分析

3.1 双向DC/DC变换器的结构选型

3.2 Buck-Boost双向变换器工作原理及参数设计

3.2.1 Buck降压模式工作原理

3.2.2 Boost升压模式工作原理

3.2.3 储能元件的参数设计

3.3 Buck-Boost变换器建模与仿真

3.3.1 Buck-Boost变换器电路模型

3.3.2 Buck-Boost变换器控制模型

3.3.3 Buck-Boost变换器仿真与分析

3.4本章小结

第四章 复合电源系统控制策略设计及仿真分析

4.1 复合电源系统控制策略分析

4.2 复合电源系统功率组成分析

4.3 简单逻辑门限值控制策略设计

4.4 模糊控制策略设计

4.4.1模糊逻辑控制分析

4.4.2模糊逻辑控制器设计

4.5 复合电源系统建模

4.5.1蓄电池建模

4.5.2超级电容建模

4.5.3双向DC/DC变换器效率建模

4.5.4复合电源系统模型

4.6复合电源系统仿真与结果分析

4.6.1 仿真软件介绍

4.6.2 参数设定与工况选择

4.6.3 单一电源和复合电源的仿真对比分析

4.6.4 不同控制策略的仿真对比分析

4.7 本章小结

第五章 复合电源系统实验研究

5.1实验平台的搭建

5.2 双向DC/DC变换器性能实验与结果分析

5.2.1 双向DC/DC变换器恒流实验与结果分析

5.2.2 双向DC/DC变换器动态响应实验与结果分析

5.3 复合电源系统供能实验与结果分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文及其他科研成果