复合电源电动汽车动力系统设计及控制策略研究开题报告

全文总字数：3955字

1. 研究目的与意义

随着能源、资源短缺以及环境不断地恶化，新能源汽车的发展，已经成为汽车行业未来发展的必然趋势。为了更好的解决一系列的环境污染问题，迅速发展复合电源电动汽车是一种有效可行的途径，可以为汽车工业的发展带来一片光明。纯电动汽车技术的研发，对于治理目前出现的雾霾天气是一个很好的措施，减少汽车尾气的排放，从而更好来解决环境问题。

2. 国内外研究现状分析

电动汽车具有节能低、噪声小、零排放等好处，是新能源汽车发展的新课题之一。近年的研究成果表明，现阶段电化学电池存在内阻高、寿命短、高低温工作能力差等缺点，不能从根本上解决纯电动汽车续驶里程短、加速性能不佳的问题，极大地限制了纯电动汽车的发展。目前电动汽车有三种驱动类型：以高效能蓄电池驱动的电动汽车(EV)、以燃料电池为动力源的电动汽车(FEV)和以燃油发动机与电动机混合驱动的混合动力电动汽车(HEY)^[1]。现今由于蓄电池、燃料电池及其系统的发展相对滞后，造成纯电动汽车初始成本高，行驶里程较短，影响了纯电动汽车的商业化进程。燃油发动机和电动机混合驱动的混合动力电动汽车正是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新的车型^[2]。这种新车型引入了超级电容这种新能源。超级电容具有内阻低、工作效率高、工作寿命长等优点，比较适合大电流充放电的领域。本文依据整车动力性能参数的要求对复合电源电动汽车的驱动机进行选型，对传动系进行设计，得到复合电源电动汽车的匹配结果，初步分析了蓄电池和超级电容组合的优势，并对其进行仿真研究。一、国外研究概况 国外复合电源的研究起步较早，不少企业和研究机构对于复合电源的研究都取得了一定的成果。目前已经有采用蓄电池＋超级电容复合电源作为电动汽车动力装置的原型车问世。美国政府于1993年提出新一代汽车合作伙伴计划, 旨在提高汽车燃料效率,改善汽车工业的竞争能力, 并减少有害气体和二氧化碳的排放, 以改善生活环境；日本在开发混合动力汽车方面处于全球领先, 其低公害开发普及行动计划, 旨在通过应用新技术, 谋求普及能够实现减轻环境负荷的低公害车, 主要包括压缩天然气汽车、纯电动汽车、混合动力电动汽车、甲醇汽车、低油耗且低排放五类; 欧盟的电动汽车城市运输系统主要使电动汽车用于城市运输, 从而评价城市运输系统的效率和环境影响[2]。 Tobias Anderson 等人对装有镍氢电池和超级电容复合电源的电动汽车进行了部件参数匹配与仿真研究，并应用低通滤波的思想（Low Pass Filter Control）实现了复合电源中蓄电池和超级电容充放电电流的控制^[3]。 Dinapolia 等按照整车混合度的不同，对复合电源提出了不同的P/E要求，进行了复合电源的参数匹配及优化设计[3]。 Schupbach 等对复合电源的设计理论和系统优化方面进行了较为深入的研究，提出了三步设计理论^[4]。 Gregory Wight 等人对装载超级电容的电动汽车进行了低温环境和不同行驶工况下的实车道路试验。测试结果表明，超级电容的加入帮助蓄电池减轻工作负荷，同时超级电容快速回收制动能量的特性，使得整车燃油经济性得到提高^[5]。 意大利菲亚特汽车公司应用铅酸蓄电池（9KWh,300kg）和超级电容（250Wh.60kg）来驱动旗下 Cinquecento Eletra 车型，性能测试结果显示，在完整ECE行驶循环下该车型节能14%，在市区和郊区行驶工况下分别节能40%和20%^[5]。 Chugoku 电力公司和丰田公司研究中心合作在马自达 Bongo Friend 车型上安装由阀控铅酸蓄电池（VRLA）和超级电容组成的复合电源，该复合电源在使用40 x 2的松下超级电容（1600F@2.3V）。测试结果显示，用超级电容作为负载均衡装置使得阀控铅酸蓄电池更好地运用于电动汽车^[5]。 本田FCX-V3（燃料电池-超级电容 HEV）是首款得到政府订单的燃料电池混合动力汽车。该车使用燃料电池作为主供电系统，提供整车运行时的平均功率；超级电容仅在整车加速和爬坡时提供峰值功率，制动回收能量也主要由超级电容承担^[6]。 德国大众公司、Paul Scherrer 研究院与苏黎世瑞士联邦科技研究院，以及其他合作伙伴在大众的BORA轿车中加装了辅助电源-超级电容器，该车参展2002年日内瓦展，备受关注^[6]。 日本马自达公司开发了超级电容-燃料电池混合动力汽车(FC-EV)，通过实车测试证实，超级电容可以很好地改善整车的动力性能^[6]。 美国电燃料公司（EFC）设计开发了锌-空气燃料电池电动汽车，同样使用超级电容作为辅助电源，续持里程在加超级电容后提高了近25%^[6]。美国的Andrew Burke 对比分析了不同种类超级电容器的储能原理及工作性能，指出由于容量限制，超级电容在HEV上比较适合辅助电源，即作用时间短但功率需求大的工况^[6]。 比利时布鲁塞尔自由大学为大型混合动力起重机设计了铅酸蓄电池和超级电容构成的复合电源系统。铅酸蓄电池（80V，960AH，Enersys）、超级电容（75V，2F，Maxwell）直接并联在功率母线上为负载供电，此系统完成了充放电仿真和混合动力台架充放电试验，试验结果与仿真结果接近，为复合电源系统的实车试验打下了扎实的理论基础和实验基础^[9]。 二、国内研究概况 国内正积极开展对电动汽车复合电源的研究。随着研究的深入，也取得了一定的成果。 2003年，由北京理工大学和北方尼奥普兰客车合作研制的BFC6110-EV型纯电动旅游客车，率先通过整车型式认证实验；该车采用锂离子电池 超级电容复合电源驱动，主要技术指标达到预定要求^[8]。 吉林大学汽车工程学院对解放混合动力城市客车的电池装置进行了充分的研究，掌握了大量实验数据，为复合电源的开发奠定了基础。其主要成果如下：（1）对蓄电池和超级电容的储能原理、各自的充放电特性及影响因素进行了研究，主要研究了整车对供电系统的需求和电池性能不足的主要影响因素，同时实验分析了超级电容的各项性能指标；（2）在HEV仿真软件Advisor基础上进行了二次开发，完成了复合电源HEV仿真平台的搭建。通过对部分参数的修改可以实现复合电源HEV的动力性、经济性、加速性及制动能量回收效率等性能指标的仿真研究；（3）从车载电源的性能需求角度提出了复合电源参数匹配基本数据--储能部件功率合理配比（P/E）,同时考虑工程化约束条件，得到了不同需求下的参数匹配基本方法，初步建立了复合电源参数匹配与优化控制理论。目前，吉林大学已完成复合电源仿真软件的编写和开发阶段的工作。并对复合电源的参数匹配理论以及控制策略进行了仿真研究^[1][9]。 清华大学主持承担了国家863燃料电池城市客车课题，该课题电源系统采用FC（燃料电池） B（蓄电池） UC（超级电容）的复合结构，正在进行相关的研制工作^[9]。 武汉理工大学应用自主开发的电动汽车仿真软件HEVsim 对蓄电池 超级电容复合电源进行了模型 开发以及仿真分析，取得了一定的进展^[10]。 北京理工大学在其研制的纯电动汽车上加装了超级电容器，电容配合蓄电池工作，延长了整车的续驶里程^[11]。 北华航天工业学院与北京鼎汉技术股份有限公司合作完成了超级电容-蓄电池复合电源结构的选型与设计，采用超级电容器直接接到直流母线上，蓄电池通过双向 DC/DC 变换器与超级电容并联的结构方式。复合电源中，超级电容由 144 支单体为 600F/2.7V 的超级电容串联而成，蓄电池采用 17AH/336V 锂离子电池，双向 DC/DC 变换器容量为 10A/400V。此外，该复合电源系统在搭建的小型试验平台上进行了放电试验，实验结果证明此套系统基本可实现超级电容为蓄电池分流放电的功能。然而，此处对复合电源的研究仅停留在基本放电功能的实现，并未包含复合电源中能量分配的控制与实现，也没应用到整车环境中进行设计、仿真和实验^[12]。 清华大学的电动汽车研究团队，通过脉冲充放电实验，对安装有复合电源的混合动力车进行实车道路试验，验证了超级电容和电池之间存在互补作用。吉林大学研制的公共汽车复合电源系统，将镍氢电池和超级电容结合，优化系统参数匹配和控制策略，提高了能量利用效率。北京理工大学开发的纯电动客车，安装了锂电子电池组、超级电容组、多能源管理控制系统，并已通过认证江苏大学侧重对超级电容在再生制动能量回收效率方面的作用进行研究，提出了一些改进的控制策略长安大学对复合电源理论仿真方面进行了相关研究^[4]。 总之，国内对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。未来，以复合电源为基础的动力研究必然会有长足进步。

3. 研究的基本内容与计划

假期至第1周：明确设计任务，熟悉课题内容，阅读参考资料，收集资料撰写开题报告；

第2周至第4周:阅读参考文献，学习动力电池、超级电容等新知识;

第4周至第5周：熟悉整车动力系统结构，并查找整车参数和性能指标；

4. 研究创新点

应用所学知识对复合电源电动汽车动力系统进行了具体的结构设计和控制研究。