（车辆工程专业论文）电动汽车关键技术——复合电源的研究.pdf

硕l ：论文电动汽车关键技术复合电源的研究 摘要 本文对电动汽车关键技术复合电源进行研究。复合电源由超级电容和蓄电池 并联构成，它将蓄电池的高比能量和超级电容的高比功率的优点结合到一起。超级电 容可以在电动汽车启动、加速、爬坡时提供强大的电流，避免了因大电流放电而损坏 了蓄电池，延长了蓄电池的使用寿命；在电动汽车下坡或制动时，反馈的大电流被超 级电容所吸收，实现了能量回收，同时也保护了蓄电池不受大电流的冲击而损坏。本 文的研究内容可以作为解决电动汽车电源技术的初步探索。 首先，本文对复合电源各元件的特性进行分析研究，在充分掌握蓄电池、超级电 容和双向d c d c 变换器特性的基础上，确定复合电源的结构特点和工作模式；其次， 采用合适的建模方法分别建立复合电源各元件的模型，并将它们分别封装成独立的模 块，采用模块化的思想，应用在复合电源的模型中：再次，确定道路循环和整车参数， 选择合适的参数进行匹配，并根据复合电源的控制目标，制定了复合电源的控制策略， 运用m a t l a b s i m u l i n k 进行复合电源和单一电池电源在道路循环下的仿真，研究超级电 容是否对蓄电池有“削峰填谷”的作用，仿真结果表明，超级电容在电动汽车加速时 提供能量，制动时回收能量，避免了蓄电池的大电流充放电，不仅对蓄电池起到了保 护作用，还能有效延长电动汽车的续驶里程：最后，根据复合电源对双向d c d c 变换 器的设计要求，运用软件p r o t e l 设计出双向d c d c 变换器，并运用软件m a t l a b s i m u l i n k 对它进行仿真，仿真结果验证了理论计算的正确性。再制作出双向d c d c 变换器，应 用在以后的复合电源台架试验中。 关键词：复合电源，控制策略，仿真，双向d c d c 变换器 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t t h ek e yt e c h n o l o g yi nh y b r i dp o w e rs y s t e mo fe l e c t r i cv e h i c l ew a sr e s e a r c h e di nt h i s p a p e r t h eh y b r i dp o w e rs y s t e mc o n s t i t u t e db yt h eb a t t e r ya n dt h eu l t r a c a p a c i t o rc a n c o m b i n et h ea d v a n t a g eo ft h eh ig he n e r g yd e n s i t yo fb a t t e r ya n dt h eh i g hp o w e rd e n s i t yo f u l t r a c a p a c i t o r u l t r a c a p a c i t o rc a np r o v i d es t r o n gc u 】陌e n tw h e ne l e c t r i cv e h i c l ei ss t a r t i n g ， a c c e l e r a t i n ga n dm o u n t a i nc l i m b i n gi no r d e rt oa v o i dt h es t r o n gc u r r e n td i s c h a r g ew h i c h c a nd e s t r o yt h eb a t t e r ya n dt oe x t e n db a t t e r yl i f e t h ef e e d b a c ko fs t r o n gc u r r e n tc a nb e a b s o r b e db yt h eu l t r a c a p a c i t o rw h e ne l e c t r i cv e h i c l ei sm o u n t a i nc l i m b i n g d o w no rb r a k i n g i no r d e rt oi m p l e m e n tt h ee n e r g yr e c o v e r ya n dp r o t e c tt h eb a t t e r yf r o mt h ei m p a c to ft h e s t r o n gc u r r e n t t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rc a nb eu s e da st h ei n i t i a le x p l o r a t i o no fs o l v i n g p o w e rt e c h n o l o g yo fe l e c t r i cv e h i c l e f i r s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o n e n t so ft h eh y b r i dp o w e rs y s t e mw e r er e s e a r c h e d o nt h eb a s i so fp r e d o m i n a t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb a t t e r y ，u l t r a c a p a c i t o ra n db i d i r e c t i o n - 一a ld c d cc o n v e r t e r ，t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r kp a t t e r n so ft h es y s t e mw e r e d e t e r m i n e d s e c o n d ，t h em o d e l so fc o m p o n e n t so ft h es y s t e mw e r er e s p e c t i v e l ye s t a b l i s h e d u s i n ga p p r o p r i a t em e t h o do fm o d e l i n ga n dt h em o d e l sw e r ep a c k e da ss e p a r a t em o d u l e s w i t ht h ei d e ao fu s i n gm o d u l ei no r d e rt oa p p l yt ot h em o d e l so ft h es y s t e m t h i r d ，ac y c l e o fr o a da n dv e h i c l ep a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e da n dt h ea p p r o p r i a t em a t c h i n gp a r a m e t e r s w e r es e l e c t e d a c c o r d i n gt oc o n t r o lo b j e c t i v eo ft h es y s t e m ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h e s y s t e m sw a sc o n s t i t u t e d t h es i n g l eb a t t e r yp o w e rs y s t e ma n dh y b r i dp o w e rs y s t e mw e r e s i m u l a t e di nac y c l eo fr o a du s i n gm a t l a b s i m u l i n ki no r d e rt o s t u d yt h ee f f e c to ft h e u l t r a c a p a c i t o r ”c l i p p e dp e a ka n df i l l e dc h a n n e l ”f o rt h eb a t t e r y f r o mt h er e s u l t so ft h e s e s i m u l a t i o n s ，u l t r a c a p a c i t o rc a np r o v i d ee n e r g yw h e ne l e c t r i cv e h i c l ei sa c c e l e r a t i n ga n d r e c o v e re n e r g yw h e ne l e c t r i cv e h i c l ei sb r a k i n g s oi tc a n p r o t e c tt h eb a t t e r ya c c o r d i n gt o a v o i d i n gt h es t r o n gc u r r e n tc h a r g ea n dd i s c h a r g eo fb a t t e r ya n di ta l s oc a ne f f e c t i v e l y e x t e n dt h ee l e c t r i cv e h i c l ec o n t i n u e dd r i v i n gm i l e a g e s a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n r e q u i r e m e n t so fb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r , t h eb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e rw a s d e s i g n e du s i n gp r o t e la n ds i m u l a t e du s i n gm a t l a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h ec o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n a n dt h ec o n v e r t e rw a sm a n u f a c t u r e di no r d e rt o a p p l yt oe x p e r i m e n tb e n c hi nh y b r i dp o w e rs y s t e m k e y w o r d ：h y b r i dp o w e rs y s t e m ，c o n t r o ls t r a t e g y , s i m u l a t i o n ，b i d i r e c t i o n a ld c d c c o n v e r t e r 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：2 口u 扩年f 瞒日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：4 纽塑矗2 ，g 年f 月2 日 硕士论文 电动汽车关键技术复合电源的研究 1 绪论 1 1 选题背景及意义 汽车自诞生起已有一百多年历史，其发展速度不断加快。常规的内燃机汽车正在 面临可持续发展能源的挑战，大气环保和地球温室效应的挑战，以及噪声方面的限制。 为了解决环境污染和能源紧缺的问题，“节能减排”在世界各国政府产业政策中 都处于重中之重的地位。为此世界各国的政府、学术界、工业界等正在加大对电动汽 车开发的力度，加速电动汽车的商品化步伐。电动汽车将使能源的利用多元化和高效 化，达到能源可靠、均衡和无污染地利用的目的【3 】。从环保的角度来看，电动汽车是 无排放交通工具，即使计及发电厂增加的排放，总量上来看，它也将使空气污染大为 减岁。此外，电动汽车比传统的燃料汽车更易实现精确的控制。 在电动汽车的部件中，电源是电动汽车的心脏，电源技术是电动汽车的关键技术。 电动汽车对电源的要求主要有： 1 高比能量，以提供较长的一次充电续驶里程。 2 高比功率，以确保车辆足够的加速和爬坡性能。 3 循环寿命长，以降低车辆使用期内的运行成本。 4 制造成本低廉，原材料来源丰富，它涉及到基本建设费用等。 5 充电快、效率高、设备简单。 6 低的自放电率，使用安全，更换简便，可回收性好。 电动汽车最常用的电源是蓄电池，而铅酸电池是最古老的蓄电池。它的开路电压 高、放电电压平稳、技术可靠、充电效率高、生产技术成熟、价格便宜、正不断地被 应用到电动汽车上 4 1 。 但是目前电池技术发展缓慢，存在很多不足。蓄电池单独作为电动汽车的电源就 存在以下问题： 1 蓄电池的比功率太低，电动汽车很大一部分功率将消耗在无效载荷上，所以 不能满足电动汽车对起步、加速、爬坡等性能的功率需求。 2 蓄电池在低温条件下的工作性能极差，给使用带来诸多不便。 3 蓄电池的循环寿命有限，增加了使用及更换电池的费用。 4 废旧蓄电池的环保问题。 5 蓄电池的充电时间长，给消费者带来诸多不便。 如果想让蓄电池提供大电流和高功率，蓄电池的体积和质量都要增加，这样不但 给电动汽车增加了重量，而且整车的成本也会增加。电池问题始终得不到很好的解决， 致使电动汽车始终难与燃油汽车竞争。于是电动汽车正在谋求其它的电池，例如燃料 l 1 绪论硕士论文 电池、惯性蓄能、超级电容、太阳能等作为电动汽车新的车载能源，但还在实验试制 阶段，离应用和产业化还有较大距离。 既然单一的能量源不能满足需要，我们想到用超级电容和蓄电池组合成复合电 源，充分利用超级电容比功率高和蓄电池比能量高的特剧3 1 。超级电容可以在电动汽 车启动、加速、爬坡时提供强大的电流，避免了因大电流放电而损坏了蓄电池，延长 了蓄电池的使用寿命；在电动汽车下坡或制动时，反馈的大电流被超级电容所吸收， 实现了能量回收，同时也保护了蓄电池不受大电流的冲击而损坏。 复合电源在电动汽车上的应用，具有重要意义，它使得电动汽车对蓄电池比能量 和比功率的要求分离开来【l 】。蓄电池设计可以集中于对比能量和循环寿命要求的考 虑，而不必过多地考虑比功率问题。由于超级电容的负载均衡作用，蓄电池的可利用 能量和使用寿命都得到显著提高，而且与蓄电池相比，超级电容可以迅速高效地吸收 电动汽车制动产生的再生动能。由于超级电容的负载均衡和能量回收作用，电动汽车 的续驶里程得到极大地提高。同时，复合电源中由于有了超级电容的加入，全部的能 量或功率不是由一个部分来提供，不仅可以减少蓄电池的使用数量，而且还可以优化 输出能量，提高每个部分的工作效率，系统的尺寸、重量以及成本都会有大幅度地降 低。 总之，复合电源的应用使电动汽车满足动力性、经济性的要求，提高了电动汽车 的实用性，具有重要的实用价值和广阔的发展前景。 1 2 复合电源研究现状 1 2 1 国内研究现状 近年来，由于大型公交车在整个交通运输体系中扮演着重要角色，电动汽车技术 在这一领域的应用，对缓解能源危机、促进环境保护有着极为重大的意义。电动汽车 的研制开发已经成为我国治理环境污染、减少石油能源开支以及使我国的汽车工业走 向全世界的关键突破口。 而复合电源的研制与开发可以进一步提高电动汽车的经济性及动力性，降低整车 成本和使用费用，加快电动汽车在我国推广应用的进程，尽快使我国汽车工业在世界 汽车舞台上占有一席之地。 因此，国内一些汽车公司和高校已经加快了对复合电源的研制工作，并且已经取 得了相应的进展。 2 0 0 3 年北京理工大学与北方华德尼奥普兰客车股份有限公司共同研制纯电动旅 游客车“b f c 6 1 1 0 。e v 7 1 】。该车使用安装了锂电子电池组、超级电容储能系统以及 先进的多能源管理控制系统、交通驱动系统，目前已通过整车型式认证试验，主要技 2 硕：论文电动汽车关键技术复合电源的研究 术指标达到或超过预定要求。 吉林大学汽车工程学院混合动力客车研究组负责承担解放牌混合动力城市客车 车载部件的实验工作，对电池装置进行了比较充分的研究，并且掌握了大量的相关数 据，为复合电源的开发打下了坚实的基础【7 5 1 。并且该课题组早已着手复合电源的研制 工作，目前已经完成了第一阶段的工作，即仿真软件的编写及开发阶段工作，已经可 以进行各种连接及参数匹配形式的仿真研究。 清华大学与多家单位共同承担的国家8 6 3 燃料电池城市客车课题，采用f c ( 燃 料电池) + b ( 蓄电池) + u c ( 超级电容) 的结构【4 7 1 ，该课题也在进行相关的研制 工作。 总之，国内对由蓄电池和超级电容构成的复合电源的设计与控制理论的研究还刚 刚起步，虽然对超级电容的研究和生产已经有了很大的进展，但对复合电源的研究还 比较少，还需要长时间的努力。在以后的几年内，复合电源的研究必然会引起人们的 高度重视。 1 2 2 国外研究现状 在国外，复合电源作为电动汽车电源装置已经有原型车问世，不少企业及机构的 研究已经取得了一定的进展。 f i a tc i n q u e c e n t oe l e t r a 使用s o n n e n s c h e i n 公司的铅酸电池和a l s t h o ma l c a t e l 的超级电容构成复合电源。性能测试结果显示：市区和郊区行驶工况分别节能4 0 和2 0 ，在完整的e c e 循环工况下节能1 4 t 。 c h u g o k u 电力公司和丰田公司研发中心合作在m a z d ab o n g of r i e n d 上安装由 v r l a 和超级电容组成的混合储能系统，并进行相关的性能测试【。该储能系统使用 4 0 x 2 的p a n a s o n i c 超级电容，用超级电容作为负载均衡装置使阀控铅酸电池更好地 运用于电动汽车。 澳大利亚一家科研机构研制出一台电动汽车，采用的是铅酸电池和超级电容混 合，电动机采用永磁无刷直流电动机。在电动汽车启动时，由超级电容提供能量，采 用降压斩波驱动；正常运行时，由蓄电池提供所需能量，采用升压斩波驱动【6 8 】。 i s e 公司将m a x w e l l 的超级电容整合到汽油、柴油和燃料电池混合动力车之中。 特别需要说明的是，自从开发t h u n d e r c a pi i 超级电容系统，i s e 已经将其动力系统 引入到汽一电混合动力车、柴电混合动力车、氢电混合动力车和燃料电池混合动力车 的设计之中。清洁运行、安静、低维护要求的车辆已经走上了一些美国的城市，包括 l o n gb e a c h 和s a c r a m e n t o c a 。i s e 已经与西门子及f l y e r 公司结成伙伴关系，共同 生产这些混合动力车。 目前，在i s e 的混合动力和燃料电池公交车上，有3 万多超级电容器在工作， 3 l 绪论硕士论文 提供超过7 5 0 0 万法拉的电力驱动和再生刹车功率。早在2 0 0 6 年初，b a r t l e y 就估 计超级电容供电的公交车队已经提供了超过2 0 0 万英里的清洁、可靠的服务，为我 们的星球提供了清洁的运输服务。 i s e 公司新业务经理t o mb a r t l e y 说：“电池具有高能量的能力，而超级电容具 有高功率的能力，在优化的混合储存系统中，两技术的结合最大限度地发挥了两者的 优势，正是i s e 动力系统设计的实质。超级电容提高了动力性、可靠性和车载能量 储存装置的耐久性，公交车配备它之后，对加速环保运输工具的社会影响和生存发展 有着重要的作用。 【7 别 以上可以看出，国外对复合电源的研究已卓有成效，相信在不久的将来，在电动 汽车上，复合电源会得到更广泛的应用。 1 3 相关理论及方法研究概况 1 3 1 复合电源模型研究概况 近年来，由于电动汽车的发展，人们对其车载电源也越来越关注，许多科研单位 都对蓄电池和超级电容组成的复合电源开展了研究工作。对复合电源进行建模及仿真 分析是复合电源设计必不可少的环节，同时随着研究地不断深入，如何精确描述复合 电源模型、开发实用复合电源仿真平台已成为亟待解决的关键问题【4 7 1 。 复合电源的建模包括蓄电池、超级电容模型建立的过程，还包括对控制器及控制 策略的建模过程，其中对蓄电池、超级电容的建模是复合电源建模的关键。而对蓄电 池及超级电容建模又包括四个关键环节，即模型适用性分析、建模软件的选取、模型 参数的辨识以及模型验证。 蓄电池和超级电容的建模研究方法有很多，主要分为基于理论分析的机理建模方 法和基于试验测试数据的试验建模方法两大类【4 7 1 。理论分析法是在已知系统内部规律 的基础上推导出系统的动态方程，实际应用比较复杂，大多数情况下用作理论上的推 导。试验分析法是通过大量的充放电和脉冲动态响应试验，取得测量数据，进行试验 反映动态性能的试验建模，利用计算机工具和系统辨识方法，它是比较可行的现代方 法。 在国外，特别是技术比较先进的美、日、欧，对蓄电池和超级电容试验建模的研 究非常重视，已成为当前研究的热点；在国内，对蓄电池和超级电容试验建模的研究 也有所进展。 在国内外已经发表的动态试验建模过程中，一般多采用等效电路模型。蓄电池等 效电路模型包括内阻( r i n t ) 模型、电阻电容( r c ) 模型和p n g v 模型等。它使用电 阻、电容、恒压源等电路元件组成电路网络来模拟蓄电池的动态特性。与其他性能模 4 硕士论文电动汽车关键技术复合电源的研究 型如简化的电化学机理模型和神经网络模型相比，它可写出解析的数学方程，便于分 析和应用，并且模型参数辨识试验容易执行，另外在模型中容易考虑温度的影响，适 合电动汽车上应用。其中只有内阻模型在实际中有所应用，该模型结构简单，参数测 量方便，但模型的精确度不高。 超级电容模型的描述也是其中一个关键环节，目前，超级电容的等效模型包括： 经典r c 模型，三支路模型等。但是三支路模型中各个建模参数必须要经过复杂的 试验才能得到，比较难以实现。所以现在广泛采用的超级电容模型还是经典r c 模型， 模型中各参数可以通过设定的直流充放电试验进行模型参数辨识。 1 3 2 复合电源控制策略研究概况 近年来，随着复合电源的应用越来越广泛，相应的研究也不断深入。在国外，有 对超级电容加d c d c 变换器的变化结构和其控制算法进行研究的，也有研究复合电 源的仿真及优化方法的：而在国内研究复合电源的单位和个人也越来越多，吉林大学 就有人通过仿真分析蓄电池和超级电容组成的复合电源在脉冲充放电方面的优势，建 立了以复合电源为电源的整车模型，为建立复合系统模型及复合系统的控制还有仿真 软件的开发奠定基础【6 。7 1 。 总体看来，目前国内外除了对复合电源的建模进行研究外，还对超级电容在电动 汽车上与其它电源共同工作时的控制策略进行了研究与仿真。 现有的复合电源控制策略基本上都是利用的逻辑门限的方法，这个方法基本上在 上个世纪8 0 年代中期就提出来了。此方法预先对若干个控制参数设定一些控制门限 值，制动或驱动时，根据计算的实时参数值与对应门限值的大小关系，做出逻辑判断 和发出控制指令。由于仅用一个控制参数难以保证控制的准确性，因此，目前逻辑门 限控制策略通常有若干个控制参数。 逻辑门限控制策略的特点是简单实用，它可避免一系列繁杂的理论分析和对一些 不确定因素的定量计量。它不需要建立具体系统的数学模型，并且对系统的非线性控 制很有效，整个控制过程比较简单，结构原理上比较容易实现。同时，如果控制参数 选择合理，则可以达到比较理想的控制效果，能够满足各种车辆的要求。但在车辆实 际运行中，对于蓄电池和超级电容时刻改变的状态，这种控制算法就缺少了实时性， 控制逻辑比较复杂，波动较大，限制了复合电源的工作。而且控制系统中的许多参数 都是经过反复试验得出的经验数据，缺乏严谨的理论依据，对系统稳定性品质无法评 价。 在复合电源中，逻辑门限的方法可概括如下：即通过一些具体的数值对蓄电池和 超级电容的工作区间加以限制，并且当超级电容电量不足时，用蓄电池给它充电。对 于用蓄电池给超级电容充电的思想，虽然可以平衡电容的电量，以备突然急加速时电 5 l 绪论硕士论文 容可以瞬时提供大功率，但充电过程中必然存在能量损失，进而影响整车的经济性， 所以可以根据实际情况，取消蓄电池给超级电容充电的部分。 除了逻辑门限控制策略，也有采用模糊控制作为复合电源控制策略的，本质上， 模糊控制也是一种基于规则的控制策略。模糊控制具有与人脑类似的特征，与逻辑门 限控制相比，它是利用人的经验、知识和推理技术及控制系统提供的状态条件信息， 而不依赖物理过程的精确数学模型，对于非线性复杂对象的控制具有较好的鲁棒性和 实时性，控制性能高，能够简化复杂的控制问题。 模糊控制策略与逻辑门限控制策略二者之间的主要区别是各种门限值的表示方 式，模糊控制能将控制参数进行模糊化处理。两种控制策略的控制思路大致相同，规 则集也是基本类似的。 复合电源控制策略制定的核心是如何在蓄电池和超级电容之间分配功率，而模糊 控制策略的制定可以在逻辑门限控制策略的基础上，用模糊控制制定一个控制算法， 将电机需求功率更合理地分配给蓄电池和超级电容，提高效率。选取哪一种控制策略， 要在综合分析的基础上，根据需要合理选取。 1 3 3 双向d c d c 变换器研究概况 d c d c 变换器可广泛应用于直流不间断电源系统、航天电源系统、混合电动汽车 中的辅助动力供应系统、直流电机驱动电路、移动发电系统及其它应用场合【7 6 1 。 在电动汽车上，d c d c 则广泛应用于蓄电池和逆变器之间。当蓄电池驱动电机时， d c d c 变换器工作在升压状态，通过控制电机输入电压，改善电机的驱动性能和提高 驱动功率。另一方面，d c d c 变换器可以将制动时由动能转化而来的电能回馈给蓄电 池，提高了整个系统的效率。 因此，根据d c d c 变换器的特性，将它应用在复合电源中。复合电源中的超级电 容既可以吸收制动再生电能，也可以向电动机提供电能。由于车辆在行驶过程中频繁 加速、减速，而且超级电容输出特性软，电压的变化范围较大，在这样的条件下如果 用蓄电池直接连接超级电容，会减弱超级电容的负载均衡作用。使用d c d c 变换器可 以将超级电容的电压调节到蓄电池的电压范围内，从而可以明显提高超级电容的负载 均衡作用：另一方面，d c d c 变换器又可以将电动汽车制动刹车时由机械能转化而来 的电能回馈给超级电容，以可控的方式对超级电容进行充电，这对于电动汽车有着非 常重要的意义，尤其是在电动汽车需要较频繁的启动和制动的城市工况运行条件下， 有效地回收制动能量，可使电动汽车的行驶里程大大增加。 目前，在复合电源中，主要是将d c d c 变换器应用在蓄电池和超级电容之间，弥 补蓄电池瞬时输出、输入功率有限的缺陷。当超级电容输出能量时，d c d c 变换器正 向升压工作，d c d c 变换器将超级电容的电压提高到蓄电池的电压范围内：当超级电 6 硕士论文电动汽车关键技术复合电源的研究 容吸收能量时，d c d c 变换器反向降压工作。通过加入d c d c 变换器和超级电容，达 到提高电动汽车加速和减速性能的目的。通常，在复合电源中，通过电压控制和回馈 电流控制策略来控制驱动和再生制动。 大多数d c d c 变换器是单向工作的，将两个单向d c d c 变换器反并联能实现能量 的双向流动，但是这样总体电路就会变得复杂，因此使用双向d c d c 变换器来实现能 量的双向流动【7 6 】。 双向d c d c 变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，根据实 际需要完成能量双向传输的直流变换器。与传统的采用两套单向d c d c 变换器来达到 能量双向传输的方案相比，双向d c d c 变换器使用的总体器件数目小，且可以更加快 速地进行两个方向功率变换的切换。此外，在低压大电流场合，一般双向d c d c 变换 器更有可能在现成的电路上使用同步整流器工作方式，有利于降低通态损耗。总之， 双向d c d c 变换器具有电路简化、功率传输方向切换方便和低成本等优势。 双向d c d c 变换器的广泛应用，吸引了越来越多的研究者关注。目前双向d c d c 变换器的研究主要在电路拓扑和控制两个方面【4 9 1 ，研究中的几个关键问题是： 1 探寻新型双向d c d c 变换器软开关技术，从而进一步降低变换器的开关损耗， 并拓宽软开关负载适应范围。 2 如何减小双向d c d c 变换器中的循环能量，降低通态损耗，提高总体效率。 3 如何进一步提高双向d c d c 变换器的动态响应。 4 如何研制简单高效的双向d c d c 变换器拓扑。 其中，如何在高频化的同时使用软开关技术降低其开关损耗，提高效率，成了近 年来国际上在双向d c d c 变换器方面的研究热点。由于变换器总的开关损耗与开关频 率成正比，开关频率越高，总的开关损耗就越大，变换器的效率就越低。因此，开关 损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。 目前所研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路，而是真正减小开关损耗，而不 是开关损耗的转移。软开关技术给双向d c d c 变换器的性能带来了很大的改进，它降 低了开关元件的电压电流应力，软化元件的开关过程，减小了开关损耗，提高了变换 器的工作效率，为变换器的高频化提供了可能性，从而大大缩小了变换器的体积重量， 功率密度和动态性能也得到了提高。另外，软开关技术的使用也有助于减小变换器对 其它电子设备的电磁干扰。 1 4 本文的主要工作 本文对电动汽车关键技术一复合电源进行研究。主要应用复合电源、开关电源 相关知识和m a t l a b s i m u l i n k 、p r o t e l 软件，建立复合电源的模型及仿真，设计并制作 出双向d c d c 变换器，并对其进行仿真。根据课题的具体要求，主要在以下几个方 7 1 绪论硕士论文 面开展工作： 1 分析研究复合电源各元件的特性，主要研究蓄电池、超级电容和双向d c d c 变换器各自的特性，并在此基础上，分析研究复合电源的基本组成结构和工 作模式。 2 通过对复合电源各元件特性的分析研究，选择合适的建模方法建立复合电源 中蓄电池、超级电容和双向d c d c 变换器的模型，并将它们分别封装成独立 的模块，采用模块化的思想，应用在复合电源模型中，与控制策略模型组成 总的复合电源模型。 3 确定道路循环和整车参数，计算出电机在道路循环下对复合电源的需求功率， 并选择合适的蓄电池和超级电容的参数进行匹配，满足电机在此道路循环下 对复合电源的功率需求和能量需求，为以后的仿真分析做好准备。 4 根据复合电源的控制目标，制定复合电源的控制策略，包括充电控制策略和 放电控制策略。用软件m a t l a b s i m u l i n k 在建立的复合电源模型上，对制定的 控制策略在道路循环下进行仿真，并对由蓄电池和超级电容组成的复合电源 以及由蓄电池构成的单一电池电源进行仿真对比，研究超级电容是否对蓄电 池有“削峰填谷 的作用。 5 确定复合电源对双向d c d c 变换器的设计要求，分析研究双向d c d c 变换 器的拓扑结构，选择一种最合适的拓扑结构。根据确定的双向d c d c 变换器 的设计要求，用软件p r o t e l 设计双向d c d c 变换器，主要研究变换器主电路 和控制电路的设计。 6 运用软件m a t l a b s i m u l i n k 建立升压和降压状态下双向d c d c 变换器的仿真模 型，并对其仿真，验证理论计算的正确性。最后制作出双向d c d c 变换器， 应用在以后的复合电源台架试验中，为以后更深一步的研究做好准备。 硕士论文 电动汽车关键技术复合电源的研究 2 复合电源特性研究 2 1 蓄电池的特性研究 2 1 1 车用蓄电池的选择 目前应用于电动汽车的动力电池主要有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等。下 面分别对这几种电池的性能特点进行介绍。 铅酸电池：它诞生于1 8 6 0 年，至今已经有1 4 0 多年的历史【l 】。它具有技术成熟、 使用可靠、原材料丰富及铅的回收率可达9 0 0 0 等优点；缺点是比能量较低，导致一次 充电的行驶里程短，并且质量和体积较大，使用寿命不够长等。 作为电动汽车动力使用，铅酸电池必须解决三大问题：提高能量密度和功率密度； 提高循环使用寿命；快速充电。 虽然铅酸电池有缺点，但由于它性价比较高，技术成熟，还是得到了广泛应用。 镍氢电池：2 0 世纪3 0 年代，镍基电池技术开始出现，最早应用的是镍镉电池， 随后出现了镍锌电池和镍氢电池 2 1 。9 0 年代镍氢电池开始大规模商业化应用。镍氢电 池属于碱性电池，相对于铅酸电池具有高比功率、长寿命、适合大电流放电、充电快、 安全性高、无污染等优点；但镍氢电池也具有自放电大、充电发热、单体电压低、价 格偏高等缺陷。 近几年来，随着混合动力汽车的产业化和燃料电池汽车的研制开发，镍氢电池受 到了非常普遍的关注，许多公司都把镍氢电池作为今后混合动力汽车和燃料汽车使用 的首选电池。 锂离子电池：它是在二次锂电池的基础上发展起来的，出现在上世纪九十年代， 具有比能量高、自放电小、循环寿命长、无记忆效应和对环境污染小等优点。高能量 的锂离子电池的比能量超过l o o w h k g ，高功率的锂离子电池的比功率大于3 0 0 w 蝇，循环寿命超过1 0 0 0 次【2 】。 锂离子电池是在所有可充电电池中，综合性能最优的一种新型电池。与其他电池 相比，锂离子电池应用在电动汽车上，在容量、功率方面均具有较大优势，制约其较 快应用于电动汽车行业的主要问题是人们对其安全性的疑虑以及价格偏高等因素。 表2 1 1 是以上三种蓄电池的性能比较表。从表中可以看出，每种蓄电池都各有 利弊，选用何种蓄电池要根据当时的实际情况。 表2 1 1 蓄电池的性能比较表 l 比能量比功率循环寿命 1种类特点问题成本 i( w h k g )( w k g ) ( 次) 9 2 复合电源特性研究 硕士论文 表2 1 1 ( 续) 铅酸安全，可靠能量密度低 3 0 - 4 54 0 - 7 0 5 0 0 8 0 0低 功率密度和成本高，温 镍氢 5 0 8 51 0 0 6 0 06 0 0 1 2 0 0 较高 能量密度大度特性差 高电压，高成本高，不 锂离子5 5 1 5 01 9 0 0 0 06 0 0 12 0 0 很高 能量密度安全 实际上，较为适合应用于电动汽车且已经商业化和成熟的蓄电池仍旧是铅酸电 池，它是车用蓄电池的首选。目前新近开发的铅酸电池的改进型，在比功率、比能量 以及循环寿命等指标上都已经超过了常规铅酸电池，必将得到更广泛的应用。 2 1 2 蓄电池的充放电特性 在进行蓄电池的建模之前，首先必须弄清蓄电池的充放电特性。 在蓄电池充电开始后，蓄电池内部发生化学反应，蓄电池的端电压迅速地上升【5 1 。 随着反应地进行，蓄电池的端电压上升变得缓慢。随着充电过程的继续进行，达到充 电量9 0 左右，反应的极化增加，蓄电池的端电压明显地再次上升，并达到一个新的 稳定值，如图2 1 1 所示： 2 8 2 6 2 4 拿 出 脚2 2 2 0 1 0 0246e1 0 2 时问( h ) 图2 1 1 不同电流条件下的充放电曲线 从图中可以看出，蓄电池充电还受到充电电流条件的影响。充电电流越大，活性 物质的反应越快，蓄电池的端电压上升也越快。一般来说，用较大的电流充电时，固 然可以加快充电过程，但能量的损失也大。 另外，蓄电池充电时端电压的变化，是随充电时电流强度的变化而变化，电流强 度大，蓄电池端电压也大，电流强度小，蓄电池的端电压也较小。 蓄电池在放电时，端电压随着放电时间和放电率的增加而下降【l 】。从图2 1 1 中 t o 硕士论文 电动汽车关键技术复合电源的研究 可以看到，大电流放电时，放电开始后端电压下降明显，曲线平缓部分缩短，其斜率 也大，放电时间缩短。随着放电电流的减小，蓄电池的端电压呈下降趋势，曲线也较 平缓，放电时间延长，这种放电特性对蓄电池的正确使用有着重要的意义。 2 1 3 蓄电池的容量特性 蓄电池的容量c ( a h ) 是指蓄电池在允许放电的范围内所输出的电量，即放电电流 i ( a ) 和放电时间之积的积分【5 j 。对于以恒流i 放电的蓄电池，其容量的表达式为： c = i t 。蓄电池的容量表示了蓄电池的供电能力，它与放电电流、温度及电解液的密 度等因素有关，因此标称的蓄电池容量是以一定的标准规范测得的。 蓄电池容量的大小取决于在放电允许范围内，极板上能参与电化学反应的活性物 质的总型5 1 ，因此影响蓄电池容量的因素有如下四个方面： 1 极板构造的影响。极板的面积大，参与电化学反应的活性物质就多，其容量 也就大。普通蓄电池一般只利用了2 0 - 3 0 的活性物质，因此采用薄形极 板、增加极板的片数及提高活性物质的孔隙率，均能提高蓄电池的容量。 2 放电电流的影响。放电电流越大，单位时间里消耗的h e s 0 4 就越多。加之p b s 0 4 产生速率高，极板孔隙会很快被p b s 0 4 阻塞，电解液不能及时渗透，造成孔 隙内的电解液密度急剧下降，使蓄电池端电压很快下降至终止电压，缩短了 允许放电的时间，使得极板孔隙内参加电化学反应的活性物质数量减少，从 而导致了蓄电池容量的下降。蓄电池的s o c 与放电电流i 的关系如图2 1 2 所示，此图表明，在使用蓄电池时应注意避免经常使用长时间大电流放电。 i ，a 图2 1 2 蓄电池的s o c 与放电电流i 的关系 3 电解液温度的影响。电解液温度低，黏度就会大，使得渗透能力下降，容量 降低。此外，电解液的溶解度与电离度也随温度降低而降低，这两方面综合 作用的结果使蓄电池的容量下降。蓄电池容量与温度的关系如图2 1 3 所示， 2 复合电源特性研究硕士论文 温度下降1 0 c ，容量下降约为1 ( 小电流放电) 或2 ( 大电流放电) ，因此， 适当地提高蓄电池的温度，有利于提高蓄电池的容量。 - 3 0- 2 0 1 0o1 02 03 0 4 0 沮度， 图2 1 3 蓄电池的s o c 与温度的关系 4 电解液密度的影响。电解液的密度过低时，会因为离子数量少而导致容量下 降；电解液密度过高则又会因为其黏度增大、渗透能力降低、内阻增大、极 板容易硫化而导致容量下降。蓄电池容量c 和电解液密度y 在某种情况下的 关系如图2 1 4 所示。实际使用中，电解液的密度一般为1 2 6 1 2 8 5 9 c m 3 ( 充足电状态) 。蓄电池密度偏低时起放电电流大，有效放电时间内输出的 容量也大。因此，对于启动型蓄电池，在防止冬季使用时电解液结冰的前提 下，尽可能采用偏低密度的电解液，这有利于提高启动性能，并可减少极板 硫化合腐蚀，延长蓄电池的使用寿命。 图2 1 4 蓄电池容量与电解液密度的关系 2 1 4 蓄电池的温度特性 温度对蓄电池的充放电特性影响也较大，对蓄电池端电压的影响尤为突出【3 1 ，如 1 2 硕士论文 电动汽车关键技术复合电源的研究 图2 1 5 所示： o2468 时阃( h ) 图2 1 5 温度与充放电曲线关系 l 一一3 0 0 c ；2 一- 2 5 0 c ：3 一1 5 0 c ：仁- 5 0 c ； 5 5 0 c ；6 1 5 0 c ：7 - 2 5 0 c ；8 _ - 3 3 0 c 从图中可以看出，蓄电池在不同温度下进行充放电时，其充放电特性不同。温度 越高，则放电平均电压越高，充电电压越低；温度越低，则放电时平均电压越低，而 充电电压越高。在放电时，蓄电池平均电压随着温度的降低而下降；在充电时，蓄电 池平均电压随着温度的降低而升高，这是因为温度下降会引起蓄电池内部化学物质的 活性下降以及蓄电池内阻的增加。 2 2 超级电容的特性研究 2 2 1 超级电容的组成及原理 超级电容不同于普通电容，它是采用双层电容技术。超级电容的工作原理是基于 电极与电解液界面形成双电层的空间电荷层，在这种双电层中积蓄电荷，达到储能的 目的。超级电容的原理如图2 2 1 所示。 在电极之间，装有电解液和绝缘层【3 1 。电荷沿集电极和电解液成对排列，形成一 个双层电容器，扩大了电容的容量。电容的这种极化作用可以储存电能，这是因为： c ：丝( 2 2 1 ) d e ：婴( 2 2 2 ) 2 式中，r 有效电介质常数； 卜电极表面积； d 一间隙距离； ：； ：暑 ：暑 始 拍 (，、)幽脚罂 2 复合电源特性研究硕士论文 c 一电容的电容量： u 一外加电压； e - 一储存的电量。 由电容量c 的计算公式可知，使用高e 的电介质材料，缩短分层间距，可增加电 极表面积，提高电容的电容量【5 1 。正因为如此，采用高表面积活性炭做电极比一般陶 瓷或铝电解电容存储的电荷多得多，所积存的电量也比后者大1 0 万至1 0 0 万倍。目 前讨论得比较多的也是由活性炭作电极的碳一碳双电层电容。 图2 2 1 超级电容的原理示意图 超级电容的电容量从1 法到几千法，工作电压从几十伏