（电力电子与电力传动专业论文）基于混合动力汽车复合电源及能量回馈研究.pdf

a b s t r a c t w i t l lt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fw o r l de c o n o m y , e n e r g ya n de n v i r o n m e n t i s s u e sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ，h y b r i dv e h i c l e sb e c a m et h em a i nt h e m e o ft h et i m e si nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y , s ot h eg o v e r n m e n t sa n dc a rm a n u f a c t u r e r sa r e h i g h l yv a l u e d a sh y b r i dv e h i c l e sc o n t i n u et or e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，l a c ko f b a t t e r yp o w e r b o t t l e n e c k sg r e a t l yr e s t r i c t e dt h ed e v e l o p m e n to f h y b r i dv e h i c l e s h y b r i dv e h i c l e sc a nd r a m a t i c a l l yr e d u c ef u e lc o n s u m p t i o na n dr e d u c ev e h i c l e e m i s s i o n s ，e s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rg e n e r a lc o n g e s t i o ni nb i gc i t i e s ，t h ec o n d i t i o n so fc a r f r e q u e n tb r a k i n g s u p e rc a p a c i t o r sc a np r o v i d ea n da b s o r bl a r g ep o w e ri nas h o r tt i m e ， h i g he f f i c i e n c ye n e r g yr e c o v e r y , h i g hc h a r g ea n dd i s c h a r g et i m e s ，l o n gc y c l el i f e 。 w i d eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e ；i t su s eb a s e do nm a t e r i a lp r i c e sa r ea l s ov e r yc h e a p ，f o r t h e f r e q u e n t a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nu r b a nt r a m cc o n d i t i o n s b u tt h e s u p e r - c a p a c i t o rc a l lo n l ys t o r eas m a l la m o u n to fe n e r g y b a a e r yh a v et h ec a p a c i t yo f s t o r a g el a r g ee n e r g y ，b u tt h eo u t p u tp o w e ri sl o w , h i g hc u r r e n tc h a r g ea n dd i s c h a r g e c a nn o tb ed e t e r m i n e dt h a tt h eb a t t e r yc a t lp r o v i d ep o w e ri nas h o r tt i m e s u p e r c a p a c i t o ra n db a k e r yw i l lb eu s e di nc o m b i n a t i o n ，d u r i n gt h eo p e r a t i o nb yt h em o t o r v e h i c l eb a t t e r yt op r o v i d et h e a v e r a g ee l e c t r i cp o w e rd e m a n d ，w h i l et h es u p e r c a p a c i t o rp r o v i d e st h ep e a ke l e c t r i c a ld e m a n df o rp o w e r , t h i sc a ng i v ef u l lp l a yt ot h e b a a e r yt h a nt h ee n e r g yo fl a r g ea n ds u p e r - c a p a c i t o rh i g hs p e c i f i cp o w e ra d v a n t a g e s h y b r i dp o w e r 觞t h er e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e r , i ni n t r o d u c i n gt h ec o m p o s i t e s t r u c t u r ea n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fp o w e rb a s e do nt h ea n a l y s i so fah y b r i de l e c t r i c v e h i c l el e a d - a c i db a a e r ya n ds u p e rc a p a c i t o rc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gt h ew o r k i n g p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fl e a d - a c i db a a e r i e sf o rh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ee n e r g y s y s t e m ss u p e rc a p a c i t o rp a r a m e t e r sa n db r a k i n gp a r a m e t e r sw e r es t u d i e di nat w o - w a y h y b r i dp o w e rd c d cc o n v e r t e rb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fi t sd e s i g np a r a m e t e r s ， d e s i g no ft h ec o n v e r t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e v e l o p e dac o m p o s i t eo ft h r e ep o w e r c o n t r o ls t r a t e g y , a n dc o n t r o ls t r a t e g y o p t i m i z a t i o n ，a n df i n a l l y , o nt w oo ft h e o p t i m i z e dc o n t r o ls t r a t e g ys i m u l m i o nt oc o m p a r et h es a m eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ， w h i c hc o n t r o ls t r a t e g yi sb e a e l k e yw o r d s ：h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ，h y b r i dp o w e r , s u p e rc a p a c i t o r s ， b i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e f t e r 江苏大学学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密匹 学位论文作者签名：翻岂 洲。年月哆日 诎 7 a万 厂六u 名 日 签 3 师 月 教 导 年 荆 吲 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。除文中已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。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：确0 乡 1， 日期：v o l 。年月f 多日 江苏大学硕士学位论文 1 1 混合动力电动汽车概述 第一章绪论 随着哥本哈根气候大会的召开，世界的气候问题被进一步提出，二氧化碳气 体的减排是当前减少全球变暖的有限途径。目前，汽车已成为人们主要交通方式 之一，但也带来了日趋严重的环境污染和潜在的能源危机，如二氧化碳，氧化 碳，氮氧化物等污染气体。汽车的发展时刻面临着环保和节能等问题，电动汽车 又重新受到重视。世界各国政府都在探索新型节能环保汽车的研发，在努力提高 汽车安全性能的同时，极力减少汽车能源的消耗，并且降低汽车尾气的排放。 1 1 1 混合动力电动汽车的特点 电动汽车在广义上可分为3 类，即纯电动汽车( e v ) 、混合动力电动汽车 ( 髓v ) 和燃料电池电动汽车( f c e v ) 。纯电动汽车是取代传统内燃机汽车、 满足零排放的最终选择，但由于电池的能量密度、充放电时间、价格和不能进行 大电流充放的问题，制约着纯电动汽车的发展。近年来燃料电池汽车发展十分迅 速，但燃料电池不可逆，安全等问题还有待进一步解决。混合动力汽车是指由两 种和两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源，其中至少有一种能提供电能 的车辆。它将原动机、电动机、能量储存装置( 蓄电池) 组合在一起，它们之间 的良好匹配和优化控制，可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的 不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车【1 1 。 混合动力电动汽车可以从根本上解决纯电动汽车动力性能差和续驶里程短 的问题。h e v 主要具有如下优势【2 】： ( 1 ) 与传统的内燃机汽车相比，混合动力电动汽车具有很大的提高燃油经 济性和排放指标的潜力。由于其使用了较小的内燃机，降低了h c 和n o x 的排 放。在h e v 上采用高度实时和动态的优化控制策略，优化控制的结果尽量使动 力系统各部件工作在最佳状态和最高效率区域，大大限制了内燃机在恶劣工况下 的高燃油消耗和大量的尾气排放，提高了h e v 的燃油经济性，并使其成为超低 江苏大学硕士学位论文 排放汽车。在排放限制严格的区域，还可关闭辅助动力，以纯电动方式工作，成 为零排放的汽车。 ( 2 ) 由于采用辅助动力驱动，打破了纯电动汽车续驶里程的限制，其长途 行驶能力可与传统车辆相媲美。 ( 3 ) 与纯电动汽车相比电池容量大为减少，进而可以降低整车重量，为提 高车辆的动力性和机动性能做出贡献。电池组在使用过程中是浅充浅放，所以可 以延长电池的使用寿命。 ( 4 ) 借助原动机动力直接带动车内有关附件，减少电能消耗，保证车辆的 舒适性。在控制策略的作用下，辅助动力可以向储能装置提供能量，从而保证混 合动力汽车无需停车充电，同时使得电池的维护费用和维护工作量大大降低，目 前先进的混合动力汽车基本上都能实现这一要求。 1 1 2 混合动力电动汽车的研究现状 自从年日本丰田公司批量生产了p r i u s 混合动力轿车，现在已经发展到了第 三代，相比第二代p r i u s ，第三代是一款全新改款的车型，其油电混合系统更加 强化，尺寸更大、动力性能更高。丰田第三代普锐斯混合动力车于2 0 0 9 年5 月 上市，是全球最畅销的混合动力车，目前该车型在日本已经销出1 7 万辆，在美 国卖出近1 0 万辆，欧洲卖出近3 万辆，另外这款车在中东也有很大销量。最近 丰田脚踏门事件，使人们进一步了解了混合动力汽车。 2 0 0 2 年4 月，本田汽车公司在美国市场上投放了c i v i c 混合动力汽车，此 外本田汽车公司开发的i n s i g h t 混合动力电动汽车也已投放市场。日产汽车公司 也于2 0 0 6 年向美国市场销售a h i m a 牌混合动力汽车【3 】。 美国能源部与三大汽车公司于1 9 9 3 年签订了h e v 开发合同，其中通用汽车 公司投入1 4 8 亿美元。福特汽车公司投入1 3 8 亿美元，克莱斯勒汽车公司投入 8 4 8 0 万美元，进行为期5 年的研发，并在1 9 9 8 年北美国际汽车展上展出了样车。 1 1 3 混合动力电动汽车的基本类型 混合动力汽车是采用传统的内燃机和电动机共同作为动力源，因而具有内燃 机和电力两套驱动系统。通常在起动和低速阶段采用电力驱动，当汽车达到额定 2 江苏大学硕士学位论文 转速后自动转换为内燃机驱动，以便最大限度地节省燃料和降低空气污染，同时 又可克服了纯电动汽车行驶里程不够长，车速不够快等弊端。按内燃机与电动机 的不同工作组合，混合动力电动汽车主要可以分为三类：串联型、并联型和混联 型 4 1 。 串联型混合动力汽车( s e r i e sh ：y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，s h e v ) 由内燃机带动 发电机，再拖动电动机来驱动汽车，但内燃机不直接参与s h e v 的驱动。动力 系统采用直接传动方式( 没有机械变速箱) ，并为蓄电池充电。当内燃机停止工 作时，由蓄电池的电能通过电动机来驱动汽车。s h e v 驱动系统的结构及其控制 系统比较简单，动力特性趋近于纯电动汽车。s h e v 的缺点是全功率高速运行时 系统总体效率低于内燃机汽车。整个系统体积大，重量大，一般适合城市客车短 途应用。其结构布置如图1 1 。 一电力传输 = 帆饭动力传输 + “ 图1 1 串联式s h e v 并联型混合动力电动汽车( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p h e v ) 由内燃机 通过变速箱驱动汽车，同时电力驱动系统通过电动机也能驱动车辆。内燃机在一 定条件下可为蓄电池充电，但内燃机应工作在最佳工况下。因此可以采用较小功 率的发动机和电动机，整个动力系统的尺寸较小，重量较轻，成本也较低。p h e v 以内燃机为主要驱动方式。它被控制在低油耗、高效率和低污染的转速范围内稳 定工作。p h e v 高速下动力特性更加趋近于内燃机汽车，而中低速、反复起动与 刹车工况下性能有显著的提升。其结构布置如图1 2 。 聱 l 叻传譬= 规攮动力储 2 图1 2 并联式p h e v 3 江苏大学硕士学位论文 混联式混合动力电动汽车( s p l i th y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p s h e v ) 是综合了 s h e v 和p h e v 结构特点组成的，发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给 驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给驱动电动机或电 池组，电动机产生的驱动力矩通过动力合成装置传送给驱动桥。混联式驱动系统 的控制策略是在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作当汽车高速稳定 行驶时，则以并联工作方式为主。该结构的优点是控制方便，缺点是结构比 较复杂。丰田的p r i u s 属于以电机为主的形式。其结构布置如图1 3 。 车始 一电力传输 = 机械动力传输 图1 3 混联式p s h e v 1 2 混合动力汽车动力电池的现状与发展 蓄电池作为电动汽车的动力源而成为电动汽车发展的关键，其主要性能指标 是比能量( e ) 、能量密度( e d ) 、比功率( p ) 、循环寿命( l ) 和成本( c ) 等。 能量密度决定了电动汽车一次充电的续驶里程，功率密度则决定了电动汽车的加 速性能和最高车速，在某种意义说电动汽车的成败首先取决于电池技术f 5 1 。要使 电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿 命长的高效电池。 1 2 1 传统电池 1 ) 铅酸电池 铅酸电池是汽车储能动力源中应用最为广泛、技术最为成熟的一种，它的比 能量一般为3 0 一- 4 0 w h k g ，比功率一般为1 5 0 2 0 0 w k g ，循环使用寿命一般为 5 0 0 - 7 0 0 次。其技术水平到目前为止已经达到了阀控式密闭铅酸蓄电池阶段。铅 酸蓄电池基本上可以满足混合动力汽车加速度和爬坡要求，主要有以下优点【6 l ： 4 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 价格低廉。铅酸电池是在世界范围内均可生产的低倍率和高倍率放电的电 池，价格为镍镉蓄电池的1 3 1 5 ； ( 2 ) 高低温性能良好，可在4 0 6 0 条件下工作； ( 3 ) 电能效率高达6 0 ； ( 4 ) 在常用体系蓄电池中，铅酸蓄电池的电压较高，为2 0 v ； ( 5 ) 高倍率放电性能良好，可用于引擎启动，能以3 5 倍率的电流放电； ( 6 ) 易于浮充使用，没有“记忆 效应； ( 7 ) 易于识别荷电状态； ( 8 ) 铅酸蓄电池制造原料比较容易得到； ( 9 ) 尺寸和结构多样化可制成小至几大至几千的各种尺寸和结构的蓄电池。 2 ) 钠硫蓄电池 钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车电池，它具有相当高的比能量、其 质量比能量是常用的铅酸电池的2 3 倍。美国福特汽车公司的m n i v a n 电动汽车 就是使用钠硫蓄电池的。它己被美国先进电池联合体( u s m a b c ) 列为中期发 展的电动汽车蓄电池。德国a b b 公司生产的b 2 4 0 k 型钠硫蓄电池，其质量为 1 7 5 k g ，比能量达1 0 9 w h k g ，循环使用寿命1 2 0 0 次。钠硫蓄电池主要存在高温腐 蚀严重，电池寿命较短，性能稳定性及使用安全性不太理想等问题吲。 3 ) 镍镉电池 早期的电动车大多采用镍镉电池，其比能量可达5 5 w h k g ，比功率超过 1 7 0 w k g ，可快速充电，循环使用寿命教长，是铅酸蓄电池的两倍多，可达2 0 0 0 多次，但由于镍镉电池本身的一些缺点，如镉污染严重，且有记忆效应，回收困 难，另外最近几年，氢镍电池和锂离子电池的发展迅速，故许多国家已经限制镍 镉电池的生产或使用引。 4 ) 镍氢电池 镍氢电池是一种碱性电池，它的正极为镍氧化物，负极为氢载体合金存储的 氢，比能量可达到7 0 8 0 w h k g ，比功率可达2 0 0 w k g 以上，并且具有很好的 耐过充电特性，良好的使用安全性和充放电效率，更重要的是该电池的反应物中 无溶解析出物f 9 】。但镍氢电池自放电高，成本较高，高温性能差。目前不能提供 普遍的回收技术，氢镍电池存在的另一个问题是在电池管理控制中，电池的荷电 江苏大学硕士学位论文 水平不容易准确判断。 5 ) 锂离子电池 锂离子电池是1 9 9 0 年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池。其 优点是比功率和比能量高，比功率为3 0 0 - 6 0 0 w k g ，比能量1 0 0 - 1 5 0 w h k g ，是 当前比能量最高的蓄电池。1 9 9 5 年，索尼公司又开发成功用于电动车的锂离子 蓄电池，共分两种类型。一种是用于纯电动车容量为1 0 0 a h 的圆拄形单体电池， 8 只串联成一个电池模块；另一种是用于混合动力车，容量为2 2 a h ，8 只串联成 电池模块，其输出功率是前者的2 7 倍。但铿离子电池目前还有很多没有解决的 其它缺点，限制了它的广泛使用，如：不能快速充电，可靠性、一致性差，技术 不成熟，高温性能差，低温情况下，由于电池内阻高，有机电解液电导低，充放 电性能很差。若深度放电或在高温情况下储存或放电，容易造成容量的不可逆损 失。由于电解液大多为有机易燃物，当电池热量产生速度大于散热速度时，就有 可能出现安全问题1 1 0 1 。 1 2 2 超级电容 h e v 车载电池不仅需要具有高能量密度、高功率密度，还要具备体积小、 重量轻、充放电效率高、成本低、寿命长等优点。到目前为止，还没有一种电池 在能量密度、功率密度、使用寿命和制造成本几方面同时满足应用要求，对其中 任何一方面的性能改善必然导致其它性能的降低。 超级电容是一种新型高功率密度的储能元件，其容量是同等体积下电解电容 的2 0 0 0 - - 6 0 0 0 倍，容值可以从几法拉到几百法拉。放电电流可高达几千安培，能 量密度是电解电容的数百倍，瞬时放电功率是蓄电池的十倍以上。而且充放电效 率高，循环使用寿命长。但是单纯作为h e v 的储能元件，超级电容的能量密度 还远远达不到应用水平，通常将其与常规的蓄电池混合使用，不仅可以增强电动 汽车加速及爬坡性能，而且能有效减少蓄电池工作循环次数，对蓄电池起到保护 作用。表1 1 列出了电解电容、超级电容以及铅酸蓄电池的性能对比。 从表1 1 中可以看出超级电容兼具蓄电池能量密度大和电解电容功率密度大 的特点，循环寿命比铅酸蓄电池大的多，充放电效率快，充电时间是秒级，工作 温度范围广的优点。此外，超级电容的原材料几乎无毒性，并且在使用中无需维 6 江苏大学硕士学位论文 护。但是，超级电容的端电压随着储能的改变波动较大。在使用过程中需要双向 直流变流器来进行功率变换。当电容端电压较低时，直流变流器工作在低压大电 流条件下。而当电容端电压较高时，变流器工作在高压小电流条件下【1 1 】。 表1 1 超级电容、铅酸蓄电池争电解电容器性能对比 性能超级电容铅酸蓄电池电解电容器 循环寿命( 次) 5 0 0 ，0 0 0 1 0 0 0 ，0 0 0 充放电效率9 0 9 5 7 0 - 9 0 1 充电时间秒级数小时微、毫秒级 工作温度范围 - 4 0 - - 7 0 室温- 4 0 1 0 5 能量密度( w m ( g ) 5 1 0 2 5 4 5 0 ，现为放电系数； 当蓄电池处于充电状态时：i 0 ，劬为充电系数； 式中c i 表示以电流i 放电时的电池容量，单位为a h ，i 表示放电电流，单 位为a ；t 表示以电流i 放电的时间，单位为h 。 用安培时间积分法检测s o c 比较简单，它不研究相对而言较为复杂的电化 学反应及电池内部各参数之间的关系，而是着眼于该系统的外部特征，在电量监 测中即着眼于进出电池这一密闭系统的电量。该方法采用积分实时测量充入电池 和从电池放出的能量，对电池的电量进行长时间的记录和监测，从而能够给出电 池任意时刻的剩余电量。该方法较前述的几种方法而言，实现起来较简单，受电 池本身情况的限制小，宜于发挥微机监测的优点，但是安时法没有从电池内部解 江苏大学硕士学位论文 决电量与电池状态的关系，而只是从外部记录进出电池的能量，不可避免的使电 量的计量可能因为电池状态的变化而失去精确度，比如电池温度老化因素的影响 等。要提高安时法的精度，就必须对这些因素有较好的处理方法，建立相应的电 量补偿关系口1 1 。 使用安培时间积分法的关键是监测电池在充电过程和放电过程的电量出入 的情况。但实际上电池被充入的电量并不等于其可以放出的电量，这当中最重要 的是电池的容量效率的概念。蓄电池实际上是一个能量存贮器。充电时将能量转 化为化学能存储起来，放电时将化学能转变为电能释放出来。但蓄电池并不能作 为理想的储能器，它在工作过程中有一定的能量消耗。通常用容量效率或能量效 率来表示。 影响蓄电池容量效率的主要因素是负反应，当蓄电池充电时，有一部分电量 消耗在水的分解上。此外，自放电、电极活性物质的脱落、结快、孔率收缩等也 降低容量输出。影响能量效率的原因是电池存在内阻，它使电池充电电压增加， 放电电压下降。这部分能量以热的形式损耗掉。 因此电池的容量效率是决定安培时间积分法在使用过程中能否保持长期精 度的关键。这一因素不仅同电池性能有关，而且同电池的充电方法有关。这一问 题的解决同电池的充电技术是联系在一起的。 2 ) 线性模型法 c e h r e t 等提出用线性模型法估计电池s o c 。该方法是基于s o c 变化量、电 流、电压和上一个时间点s o c 值，建立的线性方程： a s o c ( f ) = 鼠+ 屈u ( f ) + 屐，( f ) + # 3 s o c q 1 ) ( 3 1 6 ) s o c ( i ) = s o c ( i - 1 ) + a s o c ( i ) ( 3 1 7 ) s o c ( i ) 为当前时刻的s o c 值；s o c ( i ) 为s o c 的变化量：u 和i 为当前时刻的电压与电流。p o 、屈、屈、屈利用参考数据，通过最小二乘法， 得到的系数，没有特别的物理含义【3 2 1 。上述模型适用于低电池s o c 缓变的情况， 对测录误差和错误的初始条件，有很高的鲁棒性。 3 ) 卡尔曼滤波法 卡尔曼滤波理论的核心思想，是对动力系统的状态做出最小方差意义上的最 江苏大学硕士学位论文 优估计，卡尔曼滤波法应用于电池s o c 估计，电池被看成动力系统，s o c 是系 统的一个内部状态，电池模型的一般数学形式为： 状态方程：以+ ，= 幺以+ 吼 r + 畋= ，( 以，) + ( 3 1 8 ) 观测方程：儿= q x , + 唯= g ( x k ，) + 唯 ( 3 1 9 ) 系统的输入向量蚝中，通常包含电池电流、温度、剩余容量和内阻等变量， 系统的输出儿通常为电池的工作电压，电池s o c 包含在系统的状态量中。 f ( x k ，) 和g ( x k ，u k ) 都是由电池模型确定的非线形方程，在计算过程中要线形 化。估计s o c 算法的核心，是一套包括s o c 估计值和反映估计误差的、协方差 矩阵的递归方程f 3 3 1 。协方差矩阵用来给出估计误差范围，这一方程是在电池模 型状态方程中将s o c 描述为状态矢量的依据： s o c k + l _ s o c k 一盟娑 ( 3 2 0 ) 卡尔曼滤波方法估计电池s o c 的研究在近年才开始，如与其他方法相比， 尤其适合于电流波动比较剧烈的混合动力汽车电池s o c 的估计。它不仅给出了 s o c 的估计值，还给出了s o c 的估计误差，该方法的缺点是对电池以及测试 设备的要求都很高。 4 ) 模糊估算 在模糊推理系统中，模糊模型的表示主要有两类一类是模糊规则的后件是输 出量的某一模糊集合，如n b 、p b 等，这是最常用到的情况，因而称它为模糊 系统的标准型或m a m d a n i 模型另一类是模糊规则的后件是输入语言变量的函数， 典型的情况是输入变量的组合。 图3 3 是基于标准模型的模糊逻辑系统原理图，输入量a d 转换后经模糊化 处理变成模糊量，然后模糊量在模糊推理后得到输出量，再经清晰化( 即反模糊) 变成输出量，即为输出。模糊规则库由若干“i f t h e n ”规则构成。模糊推理在 模糊推理系统中起着核心的作用，它将输入模糊集合按照模糊规则映射成输出模 糊集合。其中模糊规则的前件和后件均为模糊语言值，具有如下形式：i f 五i s qa n d 五i s 口2a n d a n d 以i s t h e n y i sb ，其中，五和y 分别为输入 输出量，q ，( i = 1 ，2 ，n ) 是输入模糊语言值；b 是输出模糊语言值。 江苏大学硕士学位论文 蟹 i甲；鞠 譬 ： 毒 ：鬻 图3 3 模糊逻辑系统原理图 除了上述四种典型的估算方法外，还有几种常用估算方法： 放电实验法是最可靠的s o c 估计方法，采用恒定电流进行连续放电放电电 流与时间的乘积即为剩余电量。放电实验法在实验室中经常使用，适用几乎所有 电池。但它有2 个显著缺点：( a ) 需要大量时间；( b ) 电池进行的工作要被迫中断。 放电实验法不适合行驶中的电动汽车，但可用用于电动汽车电池的检修。 电池内阻有交流内阻( i m p e d a n c e ，常称交流阻抗) 和直流内阻( r e s i s t a n c e ) 之分，它们都与s o c 有密切关系。电池交流阻抗为电池电压与电流之间的传递 函数，是一个复数变量；表示电池对交流电的反抗能力，要用交流阻抗仪来测量， 电池交流阻抗受温度影响大，是对电池处于静置后的开路状态还是对电池在充放 电过程中进行交流阻抗测量，目前还存在争议，所以很少用于实车上直流内阻表 示电池对直流电的反抗能力，等于在同一很短的时间段内，电池电压变化量与电 流变化量的比值。实际测量中将电池从开路状态开始恒流充电或放电，相同时间 里负载电压和开路电压的差值除以电流值就是直流内阻。铅酸电池在放电后期， 自流内阻明显增大，可用来估计电池s o c 。 直流内阻法的缺点是：直流内阻的大小受计算时间段影响，若时间段短于 1 0m s ，只有欧姆内阻能够检测到：若时间段较长，内阻将变得复杂，准确测量 电池的单体内阻比较困难。内阻法适用于放电后期电池s o c 的估计，可与a l l 计量法组合使用。 电池的开路电压在数字上接近电池电动势，是电解液浓度的函数，电解液密 度随电池放电成比例降低，用开路电压法可估计s o c 。 开路电压法的显著缺点是需要电池长时静置，以达到电压稳定，电池状态从 下作恢复到稳定，需要几个小时甚至十几个小时，这给测量造成困难。静置时间 如何确定也是一个问题，所以该方法单独使用只适于电动汽车驻车状态。开路电 压法在充电初期和末期s o c 估计效果好，常与a h 计录法结合使用。 江苏大学硕士学位论文 3 5 本章小结 本章首先提出了混合动力汽车对动力电池的特性要求，在分析了铅酸蓄电 池工作原理及充放电特性的基础上，确定了基于混合动力汽车的铅酸蓄电池能源 系统参数的选取，预测了纯电动行使所需电能。在分析了影响铅酸蓄电池s o c 的主要因素的同时，用典型方法估算铅酸蓄电池的s o c 。 江苏大学硕士学位论文 第四章超级电容工作原理与制动分析 4 1 超级电容器的原理及特性 超级电容是种介于传统电解质电容器和电化学电池之间的新型储能元件， 其储能方式与传统电解质电容不同。传统电容器是通过电极问的电解质在电势能 作用下产生极化效应而存储能量，而电化学电容器是依靠电解质与电极问形成特 有的电双层结构和电极表面的氧化还原反应来存储能量。电化学电容的容量远大 于传统电容，达到1 0 3 1 0 4 法拉级。 4 1 1 超级电容器的结构原理 超级电容器是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种新型储能单元，具有功率密度 大、充电时间短、使用寿命长、充放电效率高等优异特性，它与二次电池联用作 为电动汽车的动力系统，已被认为是今后解决电动汽车发展的最优途径之一。电 动车上经常使用的超级电容是以活性炭为电极材料、由碳电极和电解液界面上电 荷分离产生电动势的双电层电容，其结构图如图4 1 所示。 一 电解液 图4 1 双层超级电容器的结构 超级电容可以反复充放电，但是它不同于传统的电容器。首先，传统电容器 的面积是导体的平板面积，为了获得较大的容量，导体材料卷制得很长，有时用 江苏大学硕士学位论文 特殊的组织结构来增加它的表面积，传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板， 一般为塑料薄膜、纸等，这些材料通常要求尽可能的薄。其次，超级电容器的面 积是基于多孔碳材料，该材料的多孔结构允许其面积达到2 0 0 0m 2 g ，通过一些 措施可实现更大的表面积，超级电容器的电荷分离开的距离是由被吸引到带电电 极的电解质离子尺寸决定的【3 4 1 。该距离和传统电容器薄膜材料所能实现的距离 更小。再者，这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较 传统电容器而言有惊人的静电容量，这也是其“超级”所在。 4 1 2 超级电容的性能特点 1 ) 高功率密度 超级电容器的内阻很小，并且在电极溶液界面和电极材料本体内均能够实现 电荷的快速贮存和释放，因而它的输出功率密度高达数k w k g ，是一般蓄电池的 数十倍。 2 ) 充放电循环寿命长 超级电容器在充放电过程中没有发生电化学反应，其循环寿命可达1 万次以 上。当今蓄电池的充放电循环寿命只有数百次，只有超级电容器的几十分之一。 3 ) 充电时问短 由于不受充电电流大小的限制，充放电速度可以变得很快，充电时间约为 o 3 1 5 m i n ，温升小，完全满足混合动力电动汽车再生制动要求。 4 ) 贮存寿命长 超级电容充放电大于5 0 万次，是l i i o n 电池的5 0 0 倍，是n i m h 和n i c d 电池的1 0 0 0 倍。由于在充电之后的贮存过程中，虽然也有微小的漏电电流存在， 但这种发生在电容器内部的离子或质子迁移运动乃是在电场的作用下产生的，并 没有出现化学或电化学反应，没有产生新的物质。而且，所用的电极材料在相应 的电解液中也是稳定的，故理论上超级电容器的贮存寿命几乎可以认为是无限 的。 5 ) 工作温度范围宽 超级电容在酷热、寒冷和潮湿的环境下仍能有效工作，温度范围在4 0 7 0 ，有效的解决了在寒冷地区，汽车无法用蓄电池启动的问题。 江苏大学硕士学位论文 6 ) 安装方便，使用安全 超级电容体积小、外形紧凑，便于安装，节省空间并且具有很好的机械强度， 有防火、防爆型设计不需要维护和保养，使用安全，方便，对环境无害。 7 ) 绿色环保 超级电容器是绿色能源，不污染环境，而化学电池尤其是含有重金属的化学 电池对环境存在着严重的环境污染。 4 1 3 超级电容模型 图4 2 表示的是超级电容物理模型的回路图，模型e h - - 部分组成，r 1 代表 充放电电阻并且与损失有关，r 2 表示自放电损失。 t = f o + 丽1 f f o 衍 ( 4 1 ) 其中：之一流进超级电容系统的电流，单位为a ；乇一存储在超级电容系统 中的净电流，单位为a ；尼一自放电电阻，单位为q ；c - 一电容。 屹= 墨f c + 吉f f o 衍 ( 4 2 ) 其中：足为充电电阻。 叫 图4 2 超级电容等效电路模型 图4 3 是超级电容开路电压在s i m u l i n k 中表示的运算法则。表示了以参 数电流作为输入和开路电压作为输出的超级电容输入输出系统f 3 4 1 。因为自放电 电阻的影响可以忽略，系统的充电效率弘嬲。可表示为： 小譬 ( 4 3 ) 江苏大学硕士学位论文 放电效率劝醒。可以表示为： 矿高 t o 图4 3 超级电容模型的s i m u l i n k 表示 4 2 超级电容充放电特性 ( 4 4 ) 图4 4 为电容器的充电过程，若t = 0 时合上开关，电容与直流电压源接 通，此时就相当于在线路中接通一个以酞为大小的阶跃电压，如果电容原来未 曾充电，即电压的初始值为0 ，电容处于零初始状态，那么直流电压源虮开始 给电容充电1 3 5 j 。充电电流和充电电压为： ，：睾j t ( 4 5 ) 灭 、 7 = 虬( 卜e7 )( 4 6 ) 其中f 为时间常数，f = r c 。 从公式( 4 6 ) 可以看出，电压以指数形式趋近于它的最终恒定值，到达 此值后，电压电流均不随时间变化。 3 2 江苏大学硕士学位论文 图4 4 电容器充电过程示意图 图4 5 为超级电容以l o o a 恒流充电时的电压特性，可见超级电容大电流充 电迅速，能够在很短的时间内充满9 0 的电量，效率较高。 电容器放电过程见图4 6 。开关k 合上前，电容已充过电，电容上电压 = “。开关合上后，电容器对负载放电，电容上电压从按指数规律衰减， 电流i 则从。跃变到警后按同一指数规律衰减，放电电流和放电电压为： 卜v p o p 弓 ( 4 7 ) r 、 7 = u r = 一p 7 ( 4 8 ) 由公式( 4 7 ) 、( 4 8 ) 可以看到，电容电压越高，放电电流越大；在电路刚接通 时，电容电压最高，因此放电电流最大；放电进行后，电容电压随着电容上电荷 的减小而开始下降，放电电流也就变小【3 钉。指数下降的快慢与时间常数t 有关。 o 一 一 一_ l 上一； 于 i “r f f t，； ，： l j 一 i _ r - f ： l ， _ l i _ 【i ，； 。l i i t l 。 二一 jl ，i 量f ； 。： 二卜l 狰i 瑚2 0 6lf)i)曩玲鲴o 蠹e l 曲 图4 5 恒流( i o o a ) 充电电压特性 2 t a v氲善，-一五爱事2髯in- 江苏大学硕士学位论文 图4 6 电容器放电过程示意图 4 3 超级电容的充放电效率特性 电容组假设以恒定的电流i 充放电，经时间t ，电容器的电量从q i 到q 2 ，电 压从u 到，则电容器组储存释放的能量e 为： e ：三! 垒2 二垒2 2c ( 4 9 ) 让电容放电，能量利用率会很低。 电容器组的内阻心消耗的能量昧为： 最心仁掣 ( 4 1 0 ) 定义超级电容的时间常数f = r c ，充放电深度= u ( 充电) 或 = u ( 放电) ，由式( 4 9 ) 、( 4 1 0 ) 得充电效率仉和放电效率嘞关系式： 铲土e + e r 南t + 2 r ( 1 - 2 f 1 ) ( 4 1 1 )仇2 2 【4 1 1 ) 锄= 竽斗争静 超级电容的充放电效率：充放电时：对于相同的放电时间常数，放电时间越 长，放电的效率越高；对于相同的充放电时间，放电时间常数越小，充放电效率 江苏大学硕士学位论文 据电容器的成本随着时间常数的增大而增大，所以，在不影响使用要求的前提下， 应尽可能的使用时间常数小的超级电容器【3 9 1 。 4 4 超级电容与铅酸电池复合电源系统结构与工作模式 4 4 1 复合电源储能系统的基本结构 复合电源应用超级电容比功率大、寿命长的特点，对电源中的易损件蓄 电池“削峰填谷 ，使其得到保护，并使电池工作在比较理想的充放电状况。考 虑到控制、成本等因素以及实用性要求，本课题研究了主辅储能复合系统结构， 其中，主能源采用动力型铅酸蓄电池，辅助能源采用具有高比功率的超级电容。 基于铅酸蓄电池、超级电容复合电源储能系统可以弥补超级电容在比能量和蓄电 池在比功率上的不足。图4 7 是几种常见应用于混合动力电动汽车的超级电容和 蓄电池组成的复合电源储能系统结构图。 ( a ) 直接并联( b ) 电池与d c d c 串联 ( c ) 超级电容与d c i ) c 串联( d ) 超级电容与d c d c 串联改进型 ( e ) 双d c d c 结构 图4 7 混合储能变换结构 3 5 江苏大学硕士学位论文 图4 7 ( a ) ，蓄电池和超级电容直接并联时，功率分配取决于各自内阻，峰值 功率受限于某一元件。直流母线电压变化范围受蓄电池所限，限制了超级电容的 吞吐能力，不利于其优势的发挥； 图4 7 ( b ) ，超级电容和直流母线直接并联，便于超级电容快速提供启动加速 时的功率输出和制动时的能量快速回馈。通过合理设计的控制策略，充分发挥超 级电容瞬间大电流充放电的特性，能够控制蓄电池的充放电电流，既可以提供汽 车需要的能量，又可以减少对电池的冲击并利用超级电容最大限度的吸收制动时 候回馈的能量，这对于目前要提高混合动力电动汽车的续驶里程来说是具有一定 的积极意义的，本文就采取此结构。 图4 7 ( c ) ，蓄电池和直流母线直接并联，超级电容经双向变换器与直流母线 相联。当负载电流突然加大超过某一值时，由超级电容经双向变器提供瞬时功率， 以便将蓄电池输出电流限制在一定的范围之内，进而保护蓄电池免受冲击正常行 驶时，主要由蓄电池提供电流输出，但是其电压变化范围大，不利于电机的运行。 图4 7 ( d ) 的是对图4 7 ( c ) i 作电路的改进，用二极管截止的方式，通过提高 输出电压调节直流母线电压输出瞬时功率，这种调节受功率变换器影响，对其额 定功率要求稍大。反并联的可控开关管能够实现超级电容向蓄电池反馈能量。 图4 7 ( e ) ，采用两个双向变换器，虽然通过合理的控制策略，可以控制蓄电 池和超级电容的输入输出功率大小，但是采用双变换器结构加重了系统的复杂性 和控制的难度。 4 4 2 超级电容与铅酸蓄电池组成复合电源系统工作模式 由超级电容和铅酸电池组成的复合电源，电池的输出功率应与电机的平均功 率需求相当，而超级电容应输出高于平均功率需求的峰值功率，并且在制动时都 能够回收制动能量。在车辆正常行驶低功率要求时，蓄电池向电机提供能量，或 者满足电机功率要求的同时给电容充电在车辆加速爬坡、高功率要求时，蓄电池 和超级电容两者同时向电机提供能量，满足其功率要求在制动下坡时