混合動(dòng)力城市客車車載能量系統(tǒng)管理技術(shù)研究.pdf

1、能源危機(jī)和環(huán)境污染是目前全球面臨的雙重威脅，世界各國已經(jīng)相繼制定出日益嚴(yán)格的燃油消耗和汽車排放法規(guī)以應(yīng)對(duì)逐漸枯竭的能源和日趨惡化的尾氣污染問題。作為一項(xiàng)在中短期內(nèi)可有效節(jié)能減排的汽車新技術(shù)——混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electric Vehicle,HEV）技術(shù)已經(jīng)成為世界各國政府、汽車制造企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)匯聚的焦點(diǎn)。能量系統(tǒng)作為混合動(dòng)力汽車的輔助動(dòng)力源是 HEV發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是制約其快速發(fā)展的主要瓶頸，主要體現(xiàn)在HEV對(duì)能量

2、系統(tǒng)的高性能、長壽命、低成本以及安全可靠等要求。為滿足上述要求，一是需要不斷提高能量系統(tǒng)的本體技術(shù)和工藝水平，同時(shí)還需要發(fā)展高效可靠的能量管理技術(shù)。
　　本論文課題來源于國家863計(jì)劃項(xiàng)目“城市客車混合動(dòng)力總成關(guān)鍵技術(shù)的研究”，研究對(duì)象是單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車的能量系統(tǒng)及其管理技術(shù)。主要開展了能量系統(tǒng)的等效電路模型、能量管理控制策略設(shè)計(jì)、均衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及能量管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)等內(nèi)容的研究。具體研究工作如下：
　　1.基于

3、磷酸鐵鋰電池特性試驗(yàn)，建立了蓄電池的通用型低階等效電路模型，模擬了磷酸鐵鋰電池的開路電壓特性、直流內(nèi)阻特性以及自放電等特性。研究了等效電路模型參數(shù)的離線和在線辨識(shí)方法，離線辨識(shí)方法主要通過復(fù)合脈沖功率特性試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合確定模型參數(shù)；在線辨識(shí)方法主要為了消除整車實(shí)際運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)誤差，基于限定記憶的最小二乘法根據(jù)實(shí)時(shí)變化的輸入電流等信號(hào)確定模型參數(shù)，提高辨識(shí)精度。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，模型離線辨識(shí)電壓和實(shí)測電壓靜態(tài)最大估計(jì)誤差為

4、1.4％；在線辨識(shí)參數(shù)動(dòng)態(tài)誤差可減小到1.1%。最后分析了混合動(dòng)力城市客車對(duì)能量系統(tǒng)的要求及其工作特性，據(jù)此建立了整車模型，并基于改進(jìn)的遺傳算法對(duì)蓄電池系統(tǒng)的標(biāo)稱容量和電壓進(jìn)行了優(yōu)化匹配。
　　2.分析了能量系統(tǒng)SOC的主要影響因素及其常用計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于通用型低階等效電路模型的自適應(yīng)聯(lián)合 SOC估計(jì)方法，該方法由電量累計(jì)模型、開路電壓模型以及自適應(yīng)SOC輸出模型三部分組成，將SOC的變化描述成實(shí)時(shí)電流和開路電壓共同作

5、用的結(jié)果，通過建立噪聲模型消除電量累計(jì)帶來的誤差累積效應(yīng)，仿真結(jié)果表明自適應(yīng)聯(lián)合算法具有較強(qiáng)的抗干擾能力，SOC估計(jì)誤差可有效減少。建立了基于模糊邏輯的峰值功率預(yù)測模型，可根據(jù)當(dāng)前SOC、電壓以及溫度等因素實(shí)時(shí)調(diào)整最大充/放電功率計(jì)算輸出。蓄電池的壽命預(yù)測模型分為內(nèi)阻增長模型和容量衰減模型，仿真結(jié)果表明 SOH預(yù)測模型符合蓄電池壽命衰減趨勢，具有較高的適用性。
　　3.分析了能量系統(tǒng)單體一致性問題產(chǎn)生的原因，主要由于蓄電池出廠時(shí)的

6、初始差異以及使用過程中的差異累積而造成單體 SOC偏差逐漸增大導(dǎo)致出現(xiàn)單體過充或過放。在對(duì)比常用均衡電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用圖論的方法分析各種均衡結(jié)構(gòu)的均衡效率，并綜合考慮高效率及工程實(shí)用性提出了基于雙向 DC/DC的自補(bǔ)償均衡電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在108串的磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)中理論效率高于90%，并可通過分層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)單體同時(shí)均衡?；诨旌蟿?dòng)力系統(tǒng) DOD邊界的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)均衡控制方法以SOC為控制目標(biāo)，利用DOD邊界直流內(nèi)阻和單體SOC的

7、對(duì)應(yīng)關(guān)系在蓄電池安全使用區(qū)域內(nèi)及時(shí)找出不一致單體并開啟均衡電路進(jìn)行均衡，仿真結(jié)果表明自適應(yīng)動(dòng)態(tài)均衡控制方法控制目標(biāo)明確，均衡效率較高。
　　4.基于能量管理系統(tǒng)EMS硬件功能需求，采用分布式架構(gòu)，將EMS硬件結(jié)構(gòu)分為參數(shù)監(jiān)控、高壓管理、均衡控制以及 CAN通信及標(biāo)定等模塊。對(duì)整車復(fù)雜干擾環(huán)境下的單元電壓采樣方法進(jìn)行了研究，并提出了多路復(fù)用選通的模塊化電壓采樣法，可有效避免共模干擾和漏電流的影響。根據(jù)國家電動(dòng)汽車相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，開展了

8、基于“安全”的能量系統(tǒng)高壓管理方法研究，建立了高壓電系統(tǒng)等效電路模型包括預(yù)充電、絕緣電阻、等效電容和剩余電量實(shí)時(shí)監(jiān)測模型，通過完善的高壓故障診斷以及安全斷開機(jī)制確保整車用電及人身安全。
　　5.以能量系統(tǒng)測試臺(tái)架及混合動(dòng)力整車為基礎(chǔ)，進(jìn)行了能量管理系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，通過一系列的試驗(yàn)表明能量管理系統(tǒng)信號(hào)采集實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，電壓信號(hào)采集偏差小于0.5%，電流信號(hào)采集偏差小于1%；高壓管理模塊安全斷開時(shí)間小于20ms，絕緣電阻檢測誤差5%，達(dá)到