纯电动汽车复合储能系统及其能量控制策略

针对纯电动汽车行驶里程不足、蓄电池使用寿命短等问题,研究了由蓄电池、超级电容和双向DC-DC变换器组成的复合储能系统。为实现能量的合理分配,分别制定了逻辑门限控制策略和模糊控制策略。利用电动汽车仿真软件搭建了整车仿真模型,从而进行仿真研究。得出复合储能系统中蓄电池电流、超级电容电流和蓄电池荷电状态特性曲线,并与蓄电池单独供电的仿真结果进行对比。为验证复合储能系统控制策略的可行性和有效性,搭建了复合储能系统实验平台,对纯电动汽车的驱动与制动过程进行实验研究。仿真和实验结果表明复合储能系统及其控制策略能有效地降低蓄电池充放电电流,回收制动能量,提高纯电动汽车行驶里程。     

融合路况信息的复合电源模型预测控制方法

路况信息是影响复合电源能量管理的关键因素。为提高电动汽车复合电源系统能量管理效率和延长动力电池使用寿命,提出了一种融合路况信息的车载复合电源模型预测控制方法。将未来有限时域内的车辆功率需求纳入控制问题,建立能量管理优化模型,利用二次规划方法对目标函数进行滚动最优求解。与基于模糊控制的能量管理策略相比,模型预测控制策略下的超级电容制动能量回收能力提升了13.7%,动力电池容量衰减速率降低了15.4%。结果表明,融合路况信息的模型预测控制方法能够提高超级电容利用效率,延长动力电池使用寿命,提升复合电源系统能量管理效率。     

复合电源能量控制策略研究

针对纯电动汽车中大电流对电池损害的问题,在纯电动汽车电源系统中增设超级电容,以减少大电流冲击对电池的损伤。基于超级电容充放电上、下限和电池放电功率这三个因子,以需求功率、超级电容SOC值以及超级电容所处状态为控制变量,通过DC/DC控制电池的输出,将电池以恒功率输出的能量通过超级电容输出车辆行驶所需要的变功率。利用Matlab/Simulink建立控制策略模型和Cruise建立的整车模型进行联合仿真。仿真结果表明:匹配的超级电容和设计的控制策略能很好地优化电池输出,延长蓄电池使用寿命,并满足电动汽车设计要求。     

电动汽车复合能源系统设计

为解决燃油汽车带来的环境、能源等负面问题,推进新能源在汽车领域的应用逐渐成为人们关注的焦点。文中基于太阳能电池、超级电容和蓄电池3种能量源,对电动汽车复合能源系统进行了研究。针对各能量源的特性设计了基于Boost电路的最大功率点跟踪控制器以及连接超级电容与直流总线的电流双象限DC/DC变换器,并通过MATLAB仿真工具箱对其进行了仿真,进而确定了电路参数。同时,基于电流约束设计了系统的总体控制策略,并进行了相关测试。实验结果表明,复合能源系统可对太阳能电池进行最大功率点跟踪,而且巧妙融合了超级电容的高比功率以及蓄电池高比能量的特点,有效缩短了蓄电池大电流放电的时间,改善了电动汽车启动及加速时的性能。     

电动汽车复合电源系统仿真研究

当前,电动汽车用蓄电池的比能量和比功率还不能达到理想的要求,将超级电容引入到电动汽车的储能系统中,构建超级电容—蓄电池复合电源系统,利用超级电容高功率密度特性弥补蓄电池的不足。综合考虑运用两种储能系统的优缺点,解决了电动汽车续驶里程与加速爬坡性能之间的矛盾。在MATLAB/Simulink环境下对复合电源系统中重要模块进行仿真,测试结果显示,采用超级电容—蓄电池的复合电源系统能发挥其高能量密度和高功率密度特性,从而提高车辆的动力性能和能量利用率。     

基于混合动力电动公交车的能量优化管理研究

利用电动公交车行驶路径固定、道路信息确定的特点,提出基于下一时段路况信息的超级电容、蓄电池电动公交车能量优化管理方法。在行驶过程中针对加速和制动2种工况设计了加速、减速2种模糊控制器对公交车进行能量实时优化;在公交车停站时刻,还可根据下一路况所需的平均功率,通过模糊控制器提前对超级电容和蓄电池进行功率预分配,以充分发挥2种电源的互补特性。数值仿真表明,所述方法能够大幅降低蓄电池放电峰值功率,明显提高能量回收效率,有效提高电动公交车的动力性能和经济性。     

基于模糊逻辑的电动汽车双源混合储能系统能量管理策略

针对电动汽车行驶过程中电池放电电流过大导致的电池容量衰减问题,构建了由锂离子动力电池、超级电容和多端口DC/DC变换器构成的全主动式混合储能系统,其中电流环控制器和电压环控制器分别控制输出电流和直流母线电压。结合超级电容SOC、整车需求功率和车速情况,根据建立的45条模糊控制规则,模糊逻辑控制器调节锂离子动力电池和超级电容的充放电功率,在车辆峰值功率需求较高时避免了高频电流波动对动力电池寿命的影响。同时在功率需求较低时,动力电池给超级电容充电。在HWFET工况下的实验结果表明所提出的全主动式双能量源混合储能系统和基于模糊逻辑的能量管理策略能够有效保护锂离子动力电池免受大电流波动影响,从而达到延长电池寿命的作用。     

基于模糊控制的电动汽车混合储能系统

将具有高功率密度的超级电容器和高能量密度的蓄电池组成混合储能系统,可以提高电动汽车能量系统的性能。建立了混合储能系统的模型,采用模糊控制的方法管理能量,针对正常行驶和回馈制动两种情况下储能系统能量的分配情况,对电动汽车混合储能系统进行了研究和仿真实验。实验结果表明,运用模糊控制可以合理分配系统的能量,超级电容的引入大大提高了电动汽车的功率输出能力,优化了蓄电池的放电过程,并且可以迅速吸收回馈制动的能量,具有较好的技术性能和经济实用性。     

新型双能量源纯电动汽车能量管理问题的优化控制

新型蓄电池-超级电容双能量源存储系统是目前纯电动汽车中的研究热点.如何合理分配双能量源存储系统中蓄电池和超级电容两者的功率,使车辆获得好的动力性能和经济性能是其中最为关键的问题.在分析能量存储系统的功率、车辆行驶中的阻力功率及约束条件基础上,建立了以车辆能量消耗率和加速时间为目标函数的能量管理问题数学模型.然后,对双能量源存储系统的主要工作模式进行了分析,在此基础上设计了基于模糊逻辑的能量管理优化控制器,并在ADVISOR软件平台上实现了该控制器.模糊控制器采用了三输入、单输出的mamdani结构.最后,对比简单查表策略进行了仿真研究.结果表明,文中提出的基于模糊逻辑的优化控制器通过有效地分配双能量源之间的功率,使车辆具有更好的动力性能和经济性能.     

基于混合储能技术电动汽车驱动性能研究

纯蓄电池组汽车在起步、上坡和加速时输出功率较小;下坡及减速时电机回馈的能量不能及时回收,造成能量浪费。文章以永磁同步电机为电动机载体,提出了一种基于混合储能技术的能量管理控制策略,根据电动汽车负载实时功率、超级电容组端电压、蓄电池组荷电状态和蓄电池组最大充放电功率实时调节蓄电池组和超级电容组充放电功率的大小,在保护混合储能系统的同时,尽可能满足电动汽车在起步、上坡、加速时输出大功率,在下坡、减速时及时吸收电机回馈的能量。通过Matlab/Simulink搭建模型仿真,验证了该控制策略的可行性及实操性。     

Online energy management strategy of a hybrid fuel cell/battery/ultracapacitor vehicular power system

A hybrid power system based on a fuel cell (FC) and an energy storage system appears to be very promising for satisfying the high energy and high power requirements of automotive applications in which the power demand is impulsive rather than constant. This paper deals with the use of a hybrid energy storage system with the battery (BAT)/ultracapacitor (UC) as ancillary power source in FC electric vehicles. The energy management strategy (EMS) is one of the most important issues for the efficiency and performance of such systems. The designed EMS uses a splitting method, allowing a natural frequency decomposition of the power demands. It takes into account the slow dynamics of FC and the state of charge of the UC and BAT. A simulation is conducted using MATLAB/SIMULINK software in order to verify the effectiveness of the proposed control strategy. It confirms the performance of the control method and also demonstrates the robustness and stability of the control strategy with good tracking response (transient performance), low overshoot, zero steady‐state error, and control flexibility during a power demand cycle. © 2014 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

基于电池SOC的永磁同步电机能量回馈策略研究

相对于传统的机械制动方法,电动汽车的再生制动能够有效减小能量损耗,在满足汽车减速性能的前提下,提高能量回收效率,保证动力电池安全、可靠工作。通过研究永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)的制动性能和动力电池在制动过程中的荷电状态(state of charge,SOC)变化,建立了电动汽车的PMSM动力模型和动力电池SOC能量回馈模型。在此基础上,给出了确定再生制动能量回馈最优工作点的策略,合理分配机械制动和再生制动在电动汽车制动过程中所占的比重。最后搭建了电动汽车动力系统模型,仿真结果表明,所提出的能量管理策略能够在保证减速性能和电池安全的前提下提高能量回收效率。     

基于模糊控制的电动车双向DC-DC变换器研究

为了延长车辆续航里程,提高蓄电池的使用寿命,使用超级电容作为辅助的能量源,控制超级电容的双向DC-DC变换器对直流母线进行能量的回馈和补充,提高了电动车电源系统效率。根据蓄电池和超级电容的剩余电量及负载瞬态功率需求,提出了一种模糊控制器改善双能量电动车DC-DC变换器性能的方法。模糊控制器根据车辆运行的不同工况,自动地决策出一个合理的输出电流,进而控制双向半桥Buck/Boost式变换器的电流环。实验结果说明了控制系统具有良好的动态性、可行性、有效性。     

HEV车载复合电源系统控制策略优化研究

HEV车载复合电源是将高比功率的超级电容与高比能量的蓄电池复合使用,通过合理的能量管理策略,以提高HEV汽车能源系统性能的技术。在分析车载复合电源系统的结构、功率需求及电源约束条件的基础上,建立了以车辆燃油消耗率和再生制动能量回收率为优化目标函数的能量管理问题数学模型。然后,根据复合电源系统的工作模式设计了基于模糊逻辑的能量管理控制器,利用遗传算法对功率分配因子的隶属度函数参数进行优化。基于ADVISOR的仿真研究表明,与未优化的模糊能量管理策略相比,经过优化的模糊能量管理策略能够更有效地降低混合动力汽车的燃油消耗,提高了制动能量回收率。     

改进型逻辑门限混合储能系统控制策略研究

针对由启动电池和动力电池构成的电动汽车储能系统,利用启动电池功率密度高的特点与动力电池组结合构成混合储能系统作为负载的供电单元,为避免动力电池组长时间大电流放电和延长动力电池组寿命,设计改进型逻辑门限混合储能控制策略,改善混合储能系统内部能量均衡,并能有效提高储能系统电池使用效率。仿真比较了常规逻辑门限控制策略和改进型逻辑门限控制策略的差异,并进一步通过实验验证改进型逻辑门限控制策略的可行性。结果表明,改进型逻辑门限控制策略能够更好地改善动力电池组输出电流大的问题,并很好地实现了动力电池组和启动电池组的能量均衡。     

基于小波包-模糊算法的混合储能功率分配策略

针对光储微网中混合储能功率分配不佳导致母线电压频繁波动的问题,提出一种小波包与模糊控制相结合的混合储能功率分配策略。首先利用小波包对光伏系统净功率进行一次分解,得到初次分频点,其次将混合储能荷电状态和电池温度作为模糊控制的参考因素制定模糊规则,对二阶低通滤波器时间常数进行可变调节,修正初次分频点,实现混合储能的最终功率分配。为验证策略的有效性,建模并进行仿真,结果表明所提策略能够有效避免储能电池过充过放,实现光储系统净功率的合理分配,有效平抑功率波动,使直流母线电压波动在±1%以内。     

光储直流微网混合储能控制策略研究

混合储能相较于单一储能可以更好地解决微电网电压、频率波动等问题。为了充分利用混合储能系统的优势,使各储能电池优势互补,并考虑到储能变换器弱阻尼、低惯性的特点,提出了基于虚拟直流发电机控制的混合储能单元分频控制策略。该控制策略在混合储能单元分频控制的基础上,对功率密度电池储能变换器采用虚拟直流发电机控制,以增大功率密度型储能的阻尼和惯性,提升直流母线电压的动态稳定性。为验证其有效性,在微源变化和负荷波动2种工况下与传统下垂控制进行仿真对比分析,结果表明所提策略可使母线电压的波动范围限制在±0.75%以内,增强了系统的鲁棒性和稳定性并优化了储能单元的充放电性能。     

有轨电车车载混合储能系统效率优化控制

轨道交通迅猛发展对电力能源的需求越来越大。为减少能耗、降低运营成本,储能技术在轨道交通领域的应用成为近年来研究的热点。从提高车载储能系统效率的角度建立了混合储能系统的损耗模型,包括锂离子电池损耗、超级电容损耗、双向DC/DC变换器损耗。基于混合储能系统损耗模型,推导了损耗最小和储能元件安全工作区间的优化方程,提出了一种效率优化控制方法。最后,Matlab仿真结果表明,所提方法与阈值法相比,经过优化控制后混合储能系统全程总损耗明显减小,车辆单程运行能量效率明显提高。     

电动汽车复合储能系统的功率分配优化研究

以带有半主动复合储能系统构型的纯电动客车作为研究对象,提出了一种以最小电池耗能及电池功率变化作为目标函数的凸优化方法。在中国哈尔滨城市公交道路工况的基础上,对所提优化方法与基于规则的功率分配策略进行能效及电池功率变化的对比分析。仿真结果表明,在中国哈尔滨城市公交道路工况条件下,采用所提凸优化功率分配策略,电池及超级电容的综合能效分别为93.46%和98.81%,电池功率的均方差为5.3153 k W,较之基于规则的功率分配策略,电池及超级电容的综合能效分别提高了0.74%和0.26%,电池功率均方差降低了46.91%。基于此功率优化分配方法能够有效的改善电动汽车的运行特性。     

Fixed-boundary-layer Sliding-mode and Variable Switching Frequency Control for a Bidirectional DC–DC Converter in Hybrid Energy Storage System

In this paper, a soft switching DC–DC converter is presented for a hybrid energy storage system (HESS) in an electric vehicle (EV), using fixed boundary layer sliding mode control (FBLSMC) and variable switching frequency modulation. This strategy is aimed at improvement of the transient performance, energy transfer efficiency and system robustness for the HESS which is composed of a battery, an ultracapacitor (UC) and a bidirectional DC–DC converter. The state-space model of such DC–DC converter is firstly established involving all operating modes and system uncertainties. The FBLSMC scheme is proposed for the satisfactory voltage/current tracking despite system uncertainties. It can guarantee the system robustness and avoid the chattering existing in conventional sliding mode control (CSMC). In order to ensure the soft switching under transient load variations, a variable switching frequency modulation method is introduced into the controller. Finally, experimental results confirm that (1) within the full-load range the efficiency of the DC–DC converter with variable switching frequency is ～96% in contrast to 90% efficiency at hard switching, and (2) the energy delivered by the UC follows the reference closely for EVs.