电动汽车用混合储能系统的能量管理与非线性控制策略研究

摘要

考虑到电动汽车行驶过程中负载功率具有随机性和波动性，提出了使用高功率密度、充放电循环使用寿命长及响应速度快的超级电容和高能量密度、但不易频繁充放电的电池构成高效可靠的混合储能源，发挥两种能量源的储能特性，实现其优势互补，弥补传统单一蓄电池作为汽车能量源的不足。本文针对电动汽车用混合储能系统的能量管理和接口电路的非线性控制策略两个问题展开研究。 为实现电动汽车的负载功率在电池和超级电容两种能量源之间的合理分配，对储能系统的能量管理策略(EMS)进行研究。为保护蓄电池，减小蓄电池在充电和放电期间的功率波动，在应对频繁剧烈的负载功率波动时，超级电容提供负载功率波动中的高频分量，使得蓄电池提供负载功率波动的低频分量。论文中选用了国际上常用的6种典型车辆行驶工况，分别采用低通滤波、滑动平均滤波以及小波分解三种功率分配策略对电动汽车行驶在不同工况下所需的负载功率进行分解，并对分解后得到的电池功率进行频谱分析，比较三种功率分配策略下的负载功率分解效果。 研究了电动汽车储能系统接口转换器的非线性控制策略。对于采用通过两个双向DC/DC转换器将电池和超级电容两种储能源并联于直流母线构成的主动控制式混合储能系统拓扑结构，首先建立整个混合储能系统的全局数学模型，在此基础上开展相关目标控制器的设计:设计了基于协同控制的电流控制器，实现电池电流和超级电容电流的跟踪控制，设计了基于Lyapunov函数的电压控制器，实现直流母线电压的稳定控制。选用IM240和ECE-15两种典型车辆循环行驶工况，在Matlab/Simulink软件平台上仿真验证了基于协同控制的电流控制器和基于Lyapunov函数的电压控制器的有效性，并且在不同行驶工况下具有较强的鲁棒性和良好的适应性。 搭建了一台小容量混合储能系统的实验平台，进行非线性控制策略的相关实验验证，实验结果与仿真结果相一致，表明基于协同控制的电流控制器和基于Lyapunov函数的电压控制器具有实际的可行性。