（电机与电器专业论文）基于超级电容蓄电池的电动汽车能量管理系统研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包 含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：脊侯噬 列f 年6 月吁日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 江苏大学硕十学位论文 摘要 面对f l 趋严重的能源短缺与环境恶化问题，寻求社会、经济与资源、环境相 互促进与协调发展的可持续发展模式正在成为世界性潮流，在这种背景下，清洁 无污染、零排放的新能源汽车将成为市场新宠。电动汽车的能量来源是非常丰富 的，运行零排放以及无废气污染，对环境保护和空气的洁净十分有益。但电动汽 车至今尚未形成规模，其中，电池技术是制约电动汽车发展的关键技术之一。由 于蓄电池的密度低、能量密度低等特性，以蓄电池作为唯一储能单元的电动汽车， 其动力性和续驶里程也因之受到极大的限制。不过，蓄电池在使用中其性能发挥 得如何，除了与电池模块自身性能有关，还与其应用的能量管理系统有着密切的 关系。将能量管理作为关键技术引入到纯电动汽车上，可以提高车载能量的利用 率和车辆的动力性能，在一定程度上弥补了蓄电池的低功率密度和低能量密度等 缺陷。 本文以蓄电池一超级电容的能量管理系统为研究对象，做了如下工作： 首先，从汽车动力学的角度分析了电动汽车行驶在典型城市循环工况下的功 率需求曲线。以理论分析为依据，表明以单一蓄电池作为能量源无法满足电动汽 车的动力性要求。 然后，针对传统纯电动汽车续驶里程短、加速性能不佳的问题，研究了蓄电 池一超级电容新型双储能单元的纯电动汽车结构，超级电容器具功率密度高、循 环寿命长等突出特点。它能存储大量电荷，并且充放电迅速，能够在电动汽车加 速时提供足够高的峰值电流，刹车时吸收制动大电流。因此由蓄电池和超级电容 构成的储能系统与单一蓄电池相比，具有短时高功率密度和高能量密度的特性。 考虑到电动汽车行驶工况复杂和储能系统状态变化频繁，如何协调蓄电池与 超级电容之间的功率分配，本文提出了四种工作模式，四种模式的划分是充分考 虑了电机的功率需求和储能单元的状态后作出的，在每个模式下所采用的策略也 不相同。 能量管理的一个重要内容是再生制动，针对再生制动的特性和约束条件，本 文提出了将矢量控制引入到电机回馈制动中，并进一步提出了新型电流滞环控制 基于超级电容一蓄电池的电动汽车能量管理系统研究 和直流电压控制策略，以实现再生制动时电机可以同时获得高转矩和高转速。利 用再生制动不仅可以提高车载能量的利用率，也可以改善车辆的刹车性能。 最后，本文在仿真环境下对能量管理系统做了理论性验证，并做了一些相关 的试验，以验证能量管理系统的可靠性和可行性。 关键词：超级电容再生制动能量管理功率分配储能单元 s e r i o u s ，s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tm o d e lo fm u t u a lp r o m o t i o na n dc o o r d i n a t e d d e v e l o p m e n tb e t w e e ns o c i a l ，e c o n o m i ca n dr e s o u r c e s ，e n v i r o n m e n ti sb e c o m i n ga g l o b a lt r e n d u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，n e we n e r g y v e h i c l e sw i t ht h em e r i to f n o n p o l l u t i o na n dz e r o - e m i s s i o nw i l lb e c o m eam a r k e td a r l i n g s o u r c eo fe n e r g yf o r e l e c t r i cv e h i c l e si sv e r yr i c h ，r u n n i n gz e r oe m i s s i o n sa n dn oa i rp o l l u t i o n ，i ti su s e f u l f o re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dc l e a na i r ，b u tt h ee l e c t r i cv e h i c l eh a sy e tt os c a l e ， b a t t e r yt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s tc r i t i c a lt e c h n o l o g i e st h a tb a s i c a l l yl i m i tt h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e b e c a u s eo fb a t t e r yh a v el o wp o w e rd e n s i t y ，l o w e n e r g yd e n s i t ya n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea c c e l e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n dd r i v er a n g e o fe l e c t r i cv e h i c l ew h o s ee n e r g ys t o r a g eu n i ti so n l yb a t t e r ya r ea l s oe x t r e m e l yl i m i t e d h o w e v e r ，t h eb a t t e r yh o wt op l a y ，n o to n l yd e p e n d so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb a t t e r y m o d u l ei t s e l f , a n db u ta l s oc l o s e l yr e l a t e dt oe n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m s i n t r o d u c i n g e n e r g ym a n a g e m e n ta sak e yt e c h n o l o g yt o e l e c t r i cv e h i c l e ，c a ni m p r o v ev e h i c l e e n e r g ye f f i c i e n c ya n da c c e l e r a t i n gp e r f o r m a n c e t oac e r t a i ne x t e n t ，t h ee n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m sm a k eu pf o rb a t t e r yl o wp o w e rd e n s i t y ，l o we n e r g yd e n s i t ya n d o t h e rd e f e c t s 。 w i t he n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mo fb a t t e r y - s u p e r - c a p a c i t o ra st h er e s e a r c h o b j e c t ，t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fa u t o m o t i v ed y n a m i c s ，a n a l y z e st h ep o w e r d e m a n dc u r v eo fe l e c t r i cv e h i c l ew h e nd r i v i n go nt h et y p i c a lc i t i e sd r i v i n gc y c l e s i t s h o wt h a ta s i n g l eb a t t e r ya st h ee n e r g ys o u r c ec a n n tm e e tt h ep o w e rr e q u i r e m e n t so f e l e c t r i cv e h i c l e s t r a d i t i o n a lp u r ee l e c t r i cv e h i c l e sh a v es u c hp r o b l e m sa ss h o r td r i v em i l e a g ea n d p o o ra c c e l e r a t i n gp e r f o r m a n c e a i m e da tt h e m ，w es t u d yn e wb a t t e r y - s u p e r - c a p a c i t o r i i i 基丁超级电容一蓄电池的电动汽车能：鞋管理系统研究 d o u b l ee n e r g ys o u r c eo fp u r ee l e c t r i cv e h i c l e s s u p e r c a p a c i t o r sh a v eh i g hp o w e r d e n s i t y ，l o n gc y c l el i f ea n do t h e rp r o m i n e n tf e a t u r e s i tc a ns t o r el a r g ea m o u n t so f c h a r g e ，a n dt h er a p i dc h a r g ea n dd i s c h a r g e ，i tc a np r o v i d eah i g hp e a kc u r r e n tw h e n t h ee l e c t r i cv e h i c l e sa c c e l e r a t i n g ，a b s o r b h i g hb r a k i n g c u r r e n tw h e nb r a k i n g t h e r e f o r e ，t h ee n e r g ys t o r a g es y s t e m w h i c hi sc o n s t i t u t e d b yb a t t e r y a n d s u p e r - c a p a c i t o rh a ss h o r th i g hp o w e rd e n s i t ya n dh i g he n e r g yd e n s i t yc o m p a r ew i t h b a t t e r y t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ed r i v i n gc o n d i t i o n s o fe l e c t r i cv e h i c l e sa n de n e r g y s t o r a g es y s t e ms t a t e ，h o wt oc o o r d i n a t ep o w e rd i s t r i b u t i o no f t h eb a t t e r i e sa n ds u p e r c a p a c i t o r s ? t h i sp a p e rp r o p o s e sf o u rm o d e s ，d i v i s i o no ff o u rm o d e sd e p e n d o np o w e r d e m a n do fm o t o ra n ds t a t eo fe n e r g ys t o r a g eu n i t s t r a t e g i e si ne a c hm o d ei sn o ts a m e r e g e n e r a t i v eb r a k i n gi sa ni m p o r t a n tp a r to fe n e r g ym a n a g e m e n t ，a i m e da t r e g e n e r a t i v eb r a k i n gf e a t u r e sa n dc o n s t r a i n t s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dv e c t o rc o n t r o lt o m o t o rr e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，a n df u r t h e rp r o p o s e dan e wh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l a n dd cv o l t a g ec o n t r o ls t r a t e g y ，t oa c h i e v eh i g ht o r q u ea n dh i g hs p e e dw h e nm o t o r r e g e n e r a t i v eb r a k i n g u s eo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n ge n e r g y c a nn o to n l yi m p r o v e v e h i c l ee n e r g ye f f i c i e n c yb u ta l s oi m p r o v et h ev e h i c l e sb r a k i n gp e r f o r m a n c e f i n a l l y ，t h e o r e t i c a lt e s t t h ee n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mi nt h es i m u l a t i o n e n v i r o n m e n t ，a n dd os o m er e l a t e de x p e r i m e n t st ov e r i f yt h er e l i a b i l i t ya n df e a s i b i l i t y o ft h ee n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：s u p e r - c a p a c i t o r ；r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ；e n e r g ym a n a g e m e n t ； p o w e ra l l o c a t i o n ；e n e r g ys t o r a g eu n i t i v 摘要i a b s t r a c t i i i 目录1 0 ， 第一章绪论1 1 1 能量管理的研究现状和意义2 1 1 1 纯电动汽车的关键技术2 1 1 2 能量管理研究现状及其重要性。3 1 2 能量管理系统的主要内容4 1 2 1 储能系统的功率分配一5 1 2 2 再生制动及制动力分配5 1 3 本文研究内容及主要工作7 1 4 本章小结8 第二章纯电动汽车系统结构与典型工况功率需求一9 2 1 纯电动汽车的主要结构9 2 2 纯电动汽车的储能单元1 0 2 2 1 锂离子电池1 0 2 2 2 超级电容1 1 2 3 纯电动汽车的动力性能1 4 2 3 1 纯电动汽车的驱动力1 4 2 3 2 纯电动汽车的行驶阻力1 4 2 3 3 纯电动汽车的行驶方程式1 5 2 4 纯电动汽车典型工况分析1 5 2 4 1 几种典型循环工况1 6 2 4 2 典型工况下功率需求分析1 8 2 5 本章小结1 9 第三章双储能单元电动汽车能量管理系统及工作模式2 0 v 基于超级电容一蓄电池的电动汽车能篷管理系统研究 3 1 双储能单元纯电动汽车系统结构：2 0 3 2 双储能单元的纯电动汽车能量管理问题2 1 3 2 1 功率分配原则。2 2 3 2 2 功率分析2 2 3 2 2 约束条件。2 3 3 3 本章小结2 4 第四章能量管理系统主电路及策略研究2 5 4 1 能量管理电路拓扑结构2 5 4 1 1 逆变器2 5 4 1 2d c d c 变换器2 6 4 2 四种工作模式2 7 4 2 1 储能系统的工作模式分析2 8 4 2 2 四种工作模式的划分方式2 9 4 3 四种模式下的控制策略3 1 4 3 1 共同驱动模式下的控制策略3 1 4 3 2 超级电容预充电模式下控制策略3 1 4 3 3 再生制动模式下的控制策略3 2 4 4 本章小结一3 2 第五章能量管理系统中再生制动及制动力分配3 3 5 1 再生制动的基本原理3 3 5 1 1 液压储能式再生制动系统3 4 5 1 2 飞轮式再生制动系统3 4 5 1 3 电储能式再生制动系统3 5 5 1 4 再生制动的约束条件一3 5 5 2 再生制动控制策略研究3 7 5 2 1 永磁同步电机矢量控制概述3 7 5 2 2 基于矢量控制的永磁同步电机制动策略研究3 8 5 3 基于i 曲线的前后轮制动力分配4 2 5 4 本章小结4 3 v i 4 4 4 4 4 4 6 1 2 定予电流矢量控制模型的仿真模块4 5 6 2 仿真结果及分析4 9 6 2 1 最高车速仿真测试5 0 6 2 20 型制动仿真测试5 1 6 2 3 循环工况仿真测试5 3 6 2 4 能量利用率5 6 6 3 再生制动试验平台5 7 6 3 1 试验原理概述5 7 6 3 2 试验内容一5 8 6 3 3 复合启动试验6 0 6 4 本章小结6 2 第七章总结与展望6 3 7 1 总结一6 3 7 2 展望6 3 致谢6 5 参考文献6 6 攻读硕士学位期问发表的学术论文6 9 v i i 生 活方式，提高了人们的生活质量。如今，汽车已经成为人们日常生活中不可缺少 的代步和交通运输工具。但随着全世界汽车产量和保有量的不断增加，汽车所带 来的环境污染和石油资源消耗日趋增加等问题是人类所不得不面对的。据统计， 每千辆汽车每天排出一氧化碳约3 0 0 0 k g ，碳氢化合物2 0 0 - 4 0 0 k g ，氮氧化合物 5 0 - - - 1 5 0 k g 。汽车尾气己成为城市空气污染的主要来源之一【l j 。 汽车工业的可持续发展面临节能与环保的双重压力，世界各国为此正大力发 展电动汽车，电动汽车研发方向大体分为3 类：纯电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，e v ) 、 混合动力汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 和燃料电池汽车( f u e lc e l le l e c t r i c v e h i c l e ，f c e v ) 。其中，用电能驱动的纯电动汽车拥有环保和节能的优势，相对 于混合动力汽车和燃料电池汽车，纯电动汽车有自身的优势：1 ) 以电动机代替燃 油机，噪音低、无污染，电动机、油料及传动系统少占的空间和重量可用以补偿 电池的需求；2 ) 使用单一的电能源，电控系统相比混合电动车大为简化，降低了 成本，也可补偿电池的部分价格；3 ) 电池可在夜间利用电网的廉价“谷电”进行 充电，可以平抑电网的峰谷差。随着研究的不断深入和技术的不断进步，纯电动 汽车电池的成本、安全和使用等关键问题可以通过扩大生产规模、利用电网的廉 价“谷电”进行充电、采用p l u g i n 等措施得到解决。 我国在“十一五”期间，为了支持电动汽车的发展，国家制定了相应的补助 政策。财政部、科技部联合发出节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理 暂行办法，针对公共服务领域购车进行一定的补贴【2 j 。在未来5 年将是电动汽 车从研发阶段向产业化阶段过渡的关键时期，我国在“十二五”期间将重点开展 7 个方面的工作。第一、坚持“三纵三横”研发布局。第二、加大充电基础设施 科技创新力度，加快基础设施建设。第三，加快技术标准研究，完善标准体系建 设。第四、深化示范推广，探索商业推动模式。第五、支持组建产业技术创新新 联盟、承担科技计划任务。第六、完善公共平台，加强人才培养。第七、深化国 基丁超级电容一蓄电池的电动汽乍能量管理系统研究 际技术交流合作，推动电动汽车国际化发展。随着电动车技术的日益成熟，纯电 动汽车逐渐成为各国城市交通工具和短途代步工具的首选。 1 1 能量管理的研究现状和意义 蓄电池作为纯电动汽车主要的储能系统仍是电动汽车商业化发展的瓶颈，尽 管近年来蓄电池技术研究取得了很多成就，但是，电动汽车能携带的能量仍然非 常有限，其行驶里程远达不到燃油车的水平。从技术发展趋势来看，在短时间内 电池技术不会有大的突破，这也就意味着电动汽车的发展在很大程度上要受到电 池技术的制约。电池技术难题体现在两个方面：其一是电池的比能量低，仅为汽 油的几十分之一，难以满足电动汽车续驶里程的要求；其二是电池功率密度低， 循环寿命短，功率密度低影响电动汽车的动力性；其三是蓄电池充电电流过小， 仅为其放电电流的三分之一至二分之一，这表明若蓄电池作为再生制动的储能装 置，就不能提供足够的再生制动力，影响能量回收的效率。不过，蓄电池在使用 中其性能发挥得如何，除了与电池模块自身性能有关，还与其应用的能量管理系 统有着密切的关系。借助能量管理系统可以使电池模块的性能得以充分发挥，减 少电池模块故障，延长电池模块的使用寿命，增加电动汽车的使用安全感。因此， 电动汽车能量管理系统的研究备受电动汽车科研人员和使用者的重视。 1 1 1 纯电动汽车的关键技术 纯电动汽车是用电机作为动力代替传统发动机，用蓄电池作为能量源储存单 元，用电力作为能源，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。它的技术包括电 气技术、电子技术、汽车技术、信息技术和化技术学技术等，因此可以说，多个领 域技术上的整合才是电动汽车技术成功的关键。其中，能量存储技术、车身技术、 电驱动技术等是电动最为的关键技术【3 1 。 ( 1 ) 能量存储系统 车用储能装置( 即电池技术) 仍然是现代电动汽车的瓶颈，电池的尺寸、比功 率、比能量、成本、寿命等都制约着电动汽车的发展。电动汽车对其储能装置的要 求如下：1 ) 高的比能量和能量密度；2 ) 高的比功率和功率密度；3 ) 长循环寿命；4 ) 2 江苏大学硕士学位论文 自放电率小，充电效率高；5 ) 安全，易保养；6 ) 原材料来源丰富，成本低廉；7 ) 对 环境无危害，可回收性好。 然而，目前还没有一种储能装置可以完全满足上述全部要求，选用某一种储能 装置只能满足上述部分要求。为解决一种储能装置不能同时提供足够高的比能量和 比功率这个问题，可采用多个储能装置配合使用，即可选用一个具有高比能量的储 能装置和具有高比功率的储能装置，两者之间密切配合，以弥补各自的不足。有蓄 电池和蓄电池相结合的双能量源系统，也有采用蓄电池和超级电容、蓄电池和超高 速飞轮相结合的系统。 ( 2 ) 车身设计 电动汽车车身设计有两种基本方法：一种是改装，另一种是专门设计制造。目 前，现代电动汽车大部分是为特定目的而设计的，这种特定设计的电动汽车与改装 车相比有一定的优势，它允许工程师灵活地调整和整合各子系统，使之能有效地工 作。对于电动汽车来说，除了传统汽车的相关结构外，更重要的是储能装置的结构 形式，它很大程度上决定了电动汽车的控制方式和性能指标。 ( 3 ) 电驱动系统 电驱动系统的主要任务是把电能转换为机械能，使汽车能克服空气阻力、滚动 阻力和加速阻力而前进。另外，现代电动机的高转矩、低转速和恒功率、高转速的 工作范围可以通过电子控制来获得，使得电动汽车的驱动系统设计更加灵活多样。 优化系统效率，扩大高效率运行工作范围，人们正在寻求新的电动机设计技术和控 制策略。同时，应用新开发的一些电子技术以改善系统的性能及降低成本。 1 1 2 能量管理研究现状及其重要性 迄今为止，电动汽车存在的主要问题是初始成本高和续驶里程不理想。为了降 低电动汽车的成本，人们正努力改善电动汽车的各个子系统，t t - , 女n 电动机、功率转 换器、电子控制器、充电器、电池以及其它辅助设施，同时对电动汽车整车系统进 行综合和优化。为解决续驶里程不足的问题，除了不断开发先进的车用动力电池外， 还应有效地设计合理的能量分配和回收策略，高效地利用有限的能源。 传统纯电动汽车中，蓄电池作为唯一的能量源，承担着车辆的全部功率负荷。 3 基于超级电容一蓄电池的电动汽下能量管理系统研究 这种结构决定了：只需设计简单的能量管理策略即可实现能量的分配。因此，可以 看到，现有的能量管理策略大都是针对采用内燃机和电动机的混合动力汽车，而这 种混合动力汽车只是由传统内燃机汽车向纯电动汽车和燃料电池电动汽车过渡的 中间产品。世界各国发展电动汽车的中长期目标都是采用化学电池或燃料电池的零 排放电动汽车( 无内燃机) 。尽管锂电池技术近年来同趋成熟，但仍不能从根本上解 决车辆续驶里程短、加速性能不佳的问题。 目前国内外兴起的新型能量存储形式一电池一超级电容器，可以很好地满足电 动汽车对能量储存和瞬时大电流的需求。然而关于双储能单元的电动汽车能量管理 控制策略的研究很少。而现有的混合动力汽车控制策略主要有：( 1 ) 简单地限定发 动机工作区的静态逻辑门限控制策略；( 2 ) 通过实时计算比较确定发动机和电机的 最佳工作点的瞬时优化控制策略；( 3 ) 基于模糊逻辑等的智能控制策略；( 4 ) 应用最 优控制理论和最优化方法的全局最优控制策略。然而这种能量存储并联单元的工作 特性与采用内燃机和电动机的混合动力系统有很大区别，因此，迫切需要在分析吸 收目前已有的混合动力电动汽车能量管理策略研究成果的基础上，研究这类系统的 能量优化管理策略。 1 2 能量管理系统的主要内容 电动汽车的能量管理系统的目的就是要最大限度地利用有限的车载能量，发挥 两种储能装置的各自优点，以弥补彼此的不足，增加行驶里程，提高车辆的动力性 能。智能能量管理系统采集从各个子系统输入的传感器信息，这些传感器包括车内 外气温传感器、充放电时电源电流和电压传感器、电动机电流和电压传感器、速度 和加速度传感器以及车外环境和气候传感器等。一般来说，能量管理系统需具备以 下几项功能： 优化储能系统的功率分配； 估算蓄电池s o c 和预测电动汽车的续驶里程； 提供再生制动功能，最大化车载能量的利用率； 诊断电源错误的工作模式和有缺陷的部件。 其中，储能系统的功率分配和再生制动能量回收是目前纯电动汽车能量管理问 4 江苏大学硕士学位论文 题研究中的热点和关键问题。 1 2 1 储能系统的功率分配 储能系统的功率分配的目的在于发挥能装置的各自优点，以弥补彼此的不 足，优化储能系统的整体性能，最终提高纯电动汽车的动力性和改善车辆的刹车 性能。虽然蓄电池、超级电容都是纯电动汽车的储存单元，但是从本质上讲，蓄 电池才是真正的储能单元，它携带着绝大部分的车载能量，纯电动汽车能跑多远， 主要取决于蓄电池存储的能量多少；超级电容只是携带着很小部分的车载能量， 只是超级电容可以在短时间内释放或吸收大量电能，但超级电容能够持续工作， 其本质是不断地吸收直接来源于或间接来源于蓄电池的电能，然后再将这部分电 能释放以辅助蓄电池驱动汽车。概括地说，能量管理过程就是超级电容持续吸收 电能再释放电能的过程，因此，能量管理的关键在于如何管理超级电容，使其以 适当的功率充电或放电。 将超级电容引入纯电动汽车的储能系统，是为了解决车辆需求功率与蓄电池功 率不匹配的问题。车辆行驶工况复杂，其功率需求变化大，而蓄电池适宜工作在低 功率放电状态，因此，电池功率不能在大范围内跟随车辆需求功率。如何解决车辆 需求功率与蓄电池功率不匹配的问题，本文利用超级电容能够大功率充放电的特 性，由超级电容功率在大范围内跟随车辆需求功率。所以，储能系统的功率分配就 是依据车辆行驶状况和储能系统的状态合理地调节超级电容的输入和输出功率，以 求稳定电池功率。 如何实现超级电容功率跟随车辆需求功率? 本文采用了h 桥式的d c d c 变换 器，它不仅能调节超级电容功率以匹配车辆需求功率，还可以保证能量流动的双向 性，使得超级电容可以作为再生制动能量回收的储能装置，这大大保证了能量回收 的效率。 1 2 2 再生制动及制动力分配 纯电动汽车与传统汽车的一个最重要的区别便是可以在车辆刹车时采用再生 制动，回收一部分在制动过程中的再生能量。再生制动亦称回馈制动，在车辆减速 5 基于超级电容一蓄电池的电动汽车能鼍管理系统研究 或制动时，将车辆的动能转化为其它形式能量并储存起来，而不是变成热能散发到 空气中。电动汽车采用电机驱动系统，保证了能量双向流动的能力，使再生制动回收 制动能量成为可能【吼。电动汽车的再生制动就是在刹车时让电动汽车的驱动电机工 作于发电模式，将汽车原本要转化为热能散发到空气中的动能转变为电能并储存于 电动汽车的储能装置中，同时电机产生的制动转矩对汽车起制动作用。 然而，并不是所有的能量都可以回收再利用的。在纯电动车上，只有驱动轮上 的动能可以沿着驱动轴传到电机中回收储存，另一部分的动能只能由车轮上的摩擦 制动以热的形式散失掉。再生制动过程中，能量的转化、传递、储存、再利用等环 节都要消耗一部分能量。当再生制动回收的能量超过储能系统能够吸收能量的范围 时，电动机可以工作于能耗制动以吸收额外的能量，并保持再生制动力不变，但这 部分能量最终还是以热的形式散发掉。由此看来，传统的摩擦制动也是必需的。一 方面，单纯地采用再生制动，储能系统难以承担全部回馈能量的吸收；另一方面， 出于刹车安全的考虑，在汽车需要紧急制动时，摩擦制动将起到关键性的作用。只 有将再生制动与摩擦制动有效结合，才能产生一个高效的制动系统。因此，如何设 计高效地制动能量回收策略来协调再生制动和摩擦制动成为十分重要的问题。 目前，关于电动汽车再生制动技术的研究主要集中在五个方面：1 1 再生制动能 量建模方面；2 ) 再生制动能的效率方面；3 ) 再生制动策略方面；4 ) 机电复合制动的 协调性方面。其中再生制动策略方面的研究是最为关键的技术。现有的再生制动能 量回收策略，归纳起来大致有以下几种： ( 1 ) 基于c 曲线的制动力分配策略 该制动力分配策略可使前、后轮远离抱死区域，从而使汽车的制动性能更加可 靠，同时能获得一定的能量回收率。但是所设计方法中，前轮制动力没有得到充分 利用。 ( 2 ) 基于最d , n 动力保证曲线的制动力分配策略 该策略引入了最小制动力保证曲线进行制动力的分配，可获得较大的能量回收 率，也可保证车辆的制动性能，是一种很好的策略。但是，由于没有考虑到实际应 用时前后轮摩擦制动力的分配，还需要进行改进。 ( 3 ) 基于i 曲线的制动力分配策略 6 江苏大学硕士学位论文 制动时前后车轮同时抱死，对附着条件的利用、制动时汽车的方向稳定性均较 为有利，此时前后轮制动强度分配关系符合i 曲线。驱动方式采用后轮驱动的纯电 动汽车刹车时的再生制动力加在后轮上，虽然采用基于i 曲线的制动力分配策略不 能充分利用驱动轮上的制动力，但可以保证后轮远离抱死区，提高了汽车制动刹车 的安全系数。 鉴于上述原因，本文采用了基于i 曲线的制动力分配策略，在下面的章节将就 制动力分配策略方面展丌详细论述，在此不再赘述。 1 3 本文研究内容及主要工作 本文关于纯电动汽车的双储能单元能量管理系统的主要工作、相关试验及章 节安排如下： ( 1 ) 第一章首先简单地回顾了纯电动汽车能量管理的研究现状，然后阐述 了能量管理系统对提高电动汽车动力性和改善刹车性能的重要作用，最后，叙述 了能量管理的两个主要方面一功率分配和再生制动的相关内容。 ( 2 ) 第二章对能量管理系统做了进一步阐述，先重点介绍了电动汽车的储 能单元一蓄电池和超级电容的特性。接着，从理论上分析了在典型工况下纯电动 汽车的功率需求，结合蓄电池和超级电容的特性，说明了由蓄电池、超级电容组 成的双储能单元比单一蓄电池可以更好地满足电动汽车的功率需求。 ( 3 ) 在第三章中，首先介绍了双储能单元纯电动汽车的结构，又考虑到汽 车行驶工况复杂和储能单元状态变化频繁等一系列问题都会对能量管理系统的 功率分配产生影响，进而提出了能量管理系统的四种工作模式，并在此基础上提 出了工作模式划分标准。 ( 4 ) 第四章主要讨论了能量管理系统的主电路拓扑结构和四种模式下的控 制策略。首先，叙述主电路的工作原理及其如何实现能量流动的双向性。然后， 阐述四种模式下的控制策略如何实现超级电容跟随车辆的功率需求。 ( 5 ) 再生制动是作为能量管理的重要内容之一，在第五章中讨论了再生制 动的控制策略和制动力分配。提出了将矢量控制引入到p m s m 回馈制动中，在 此基础上又提出了全新的电流滞环控制策略和直流侧电压控制策略。最后，介绍 7 基丁超级电容一蓄电池的电动汽乍能量管理系统研究 了基于i 曲线下制动力分配策略，再从理论上分析得出了再生制动力与机械制动 力关系曲线，这为再生制动离控制提供了依据。 ( 6 ) 第六章是关于能量管理系统的仿真与试验，首先在m a t l a b s i m u l i n k 仿 真环境下搭建了能量管理系统的数学模型，对在仿真环境下做了一系列的仿真测 试，以验证能量管理系统在理论上的可行性和可靠性，并对仿真结果做了进一步 分析。最后，针对整个系统做了一些相关的试验。 ( 7 ) 第七章是对本文工作的总结，并展望了进一步的研究方向。 1 4 本章小结 纯电动汽车作为一种新能源汽车受到各国政府及其众多研究人员的重视，然 而，电池技术一直是电动汽车商业化发展的瓶颈。如何突破技术难关，除了研发 性能更为优越的蓄电池外，借助能量管理系统可以有效地提高和改善包括蓄电池 在内的储能系统的整体性能。本章先叙述了能量管理系统的功能、研究现状及其 意义，再简单阐述了能量管理系统两大主要方面，即功率分配和再生制动。最后， 对本文主要内容就章节安排做了简单的概述。 江苏大学硕士学位论文 第二章纯电动汽车系统结构与典型工况功率需求 纯电动汽车使用电机代替发动机作为动力，用蓄电池作为能量源储存单元，用 电力作为能源。其特点是无排放，不依赖汽油。但由于蓄电池的能量密度和功率密 度比汽油低很多，因此纯电动汽车在动力性、续驶里程方面远不如传统的燃油汽车。 基于超级电容一蓄电池的电动汽车能量管理系统研究 ( 2 ) 驱动电机 驱动电动机的作用是将储能装置输出的电能转化为机械能，通过传动装置或直 接驱动车轮和工作装置。目前纯电动汽车选用的电动机主要有直流电动机、感应电 动机、永磁同步电动机和开关磁阻电动机四类。其中，直流电动机由于有刷、易产 生电火花、维护困难等原因，渐渐处于劣势；交流感应电动机价格低、易维护、体 积小，已成为目前多数交流驱动电动车的首选；永磁同步也渐渐成为与感应电机相 抗衡的选择；开关磁阻电动机，目前的应用范围还受到限制。 ( 3 ) 制动系统 在刹车制动过程中，纯电动汽车与传统汽车有所不同，其制动力可以来源于两 个方面，其一，由机械制动系统产生的机械制动力，它同时对车辆前后轮施加制动 力；其二，由能量回收产生再生制动力，它只作用于车辆的驱动轮。电动汽车的机 械制动系统同其他汽车一样，通常由制动器及其操纵装置组成。而再生制动力是由 电机回馈制动产生制动转矩经传动系统传至驱动轮的制动力。 2 2 纯电动汽车的储能单元 目前，纯电动汽车储能单元主要有蓄电池和超级电容。其中，锂离子电池因高 能量密度、高循环寿命等优点渐渐成为车载蓄电池的首选。研究锂离子电池和超级 电容的机理、特点是纯电动汽车能量管理的基础。 2 2 1 锂离子电池 在蓄电池技术领域，具有重量轻、储能大、功率大、无污染( 也无二次污染) 、 寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛等优点的锂离子电池正逐渐取代铅酸电 池和镍氢电池，成为纯电动汽车中的核心技术之一。截至2 0 0 6 年1 0 月为止，全球 主要国家已有2 0 余家车厂进行锂离子电池研发，如富士重工、n e c 、东芝、j o h n s o n c o n t r o l s ，d e g u s s aa g e n a x ，s a n y o 电机、p a n a s o n i ce ve n e r g y 等。我国在锂离子电 池方面的研究水平，有多项指标超过了u s a b c 提出的2 0 1 0 年长期指标所规定的 目标。缺点是价格较贵、安全性较差。不过现在已有技术开发锰酸锂、磷酸铁锂、 磷酸钒锂等新型材料，大大提高了锂离子电池的安全性，而且降低了成本。 1 0 江苏大学硕士学位论文 铿离子电池具有以下优点： 1 高能量密度 锂离子电池的重量是相同容量的镍镉电池或镍氢电池的一半，而体积是镍镉电 池的4 0 5 0 ，镍氢电池的2 0 3 0 。 2 高电压 锂离子电池单体的平均工作电压为3 7 v ，相当于三只串联的镍镉或镍氢电池 3 无污染 锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。 4 循环寿命高 在正常条件下，锂离子电池的充放电周期超过1 0 0 0 次。 ， 5 无记忆效应 记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中，电池的容量减少的现象。锂离子 电池不存在这种效应。 6 快速充电 使用额定电压为4 2 v 的恒流恒压充电器可以使锂离子电池在一至两个小时内 得到满充。 2 2 2 超级电容 超级电容( s u p e r c a p a c i t o o 是最近几年随着新电极材料的出现而提出一种具有 超级储电能力、可提供强大脉动功率的物理二次电源，它与常规电容器不同，