基于锂离子动力电池的纯电动汽车能量管理系统控制策略与优化

【摘要】：具有低噪声、零排放和节能等优点的纯电动汽车，是汽车产业发展趋势。由于受到当前电池本体技术的影响，纯电动汽车的车载能量有限，其行驶里程远达不到燃油车的水平，而优秀的能量管理系统控制策略，可以一定程度上解决这个瓶颈问题。目前主要的控制策略有两种：一是降低整车能量使用率法，只保留车辆行驶必需的高压负载，把有限的功率全部分配到驱动系统。二是提高电池使用效率法，它通过热管理系统的使用，一直把电池控制在高效能区间。对于方法一，虽然可以最大程度上节约行车过程中的电能消耗，但由于缺少电池热管理系统，长时间的高温会加速电池的老化，从而会影响整车的经济性能。对于方法二，最常用的是门限值控制法，它虽然控制策略简单稳定，但由于控制规则固定，不能最优地解决功率分配问题，从而影响整车的动力性能。 为解决上述问题，本文在国家发改委及工信部项目纯电动汽车电子电器研发及产业化和吉林省科技厅项目快速充电电动汽车的整车控制器研究开发项目的资助下，以锂离子动力电池为研究主线，对纯电动汽车能量管理系统进行了以下几个方面的研究： 1.针对常用的动力电池等效电路模型进行了实验分析，找到了影响模型精度的主要因素，设计了RC-H电池等效电路模型，并对其进行了参数辨识与有效性实验验证。 2.设计了基于RC-H电池等效电路模型及参数，应用卡尔曼滤波原理，通过对安时积分法的校正和优化，估算电池荷电状态的方法。最后通过实验，验证了方法的收敛性与平稳性，并验证了估算精度。 3.设计了基于RC-H电池等效电路模型的电池功率状态估计方法，并通过一致性参数，将单体电池模型扩展到电池组的应用中。最后通过实验，验证了方法在单体和电池组功率预估中的有效性。 4.通过分析纯电动汽车能量管理系统的功率流关系，引入了能量管理系统功率分配系数，提出了能量管理系统控制目标，制定了基于模糊逻辑的纯电动汽车能量管理系统控制策略。并通过相同工况下的不同控制策略对比实验，验证了方法具有良好的经济性能和动力性能。 5.在模糊控制策略的基础之上，提出了一种优化方案。它以动态规划理论为指导依据，根据系统的运行状态，调整模糊控制器输出参数，使整车的能量损失之和达到最小。实验结果证明该优化方法可以进一步提高电池使用效率。 最后，总结了本文的研究内容，并对本文的研究结果与上市的几种纯电动汽车做了对标分析，同时对未来的研究方向寄予了展望。 【关键词】：自动控制技术 纯电动汽车 能量管理系统 荷电状态 功率状态 模糊控制 动态规划
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 引言11-12
• 1.2 研究问题的提出与研究意义12-19
• 1.2.1 纯电动汽车的国内外研究现状12-14
• 1.2.2 纯电动汽车能量源的国内外研究现状14-18
• 1.2.3 纯电动汽车能量源存在的问题18-19
• 1.3 本文的主要内容与结构安排19-22
• 第二章 锂离子电池等效电路模型建模与验证22-39
• 2.1 引言22-25
• 2.2 典型电池等效电路模型分析25-31
• 2.3 RC-H 等效电路模型的建立与辨识31-36
• 2.3.1 电池模型的开路电压获取31-32
• 2.3.2 模型的基本参数识别32-36
• 2.4 RC-H 电池等效电路模型的验证分析36-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第三章 锂离子动力电池的荷电状态估计39-49
• 3.1 引言39-42
• 3.1.1 电池 SOC 的影响因素39-40
• 3.1.2 常用 SOC 的估计方法40-42
• 3.2 基于 RC-H 模型的荷电状态估计方法42-45
• 3.3 估计方法实验分析与验证45-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第四章 锂离子动力电池的功率状态估计49-60
• 4.1 引言49-51
• 4.2 基于 RC-H 模型的功率状态估计方法51-55
• 4.2.1 功率估计方法的理论计算52-53
• 4.2.2 功率估计方法的参数获取53-55
• 4.3 估计方法试验分析与验证55-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第五章 基于模糊逻辑的能量管理系统控制策略60-80
• 5.1 引言60-61
• 5.2 能量管理系统结构组成与控制问题描述61-64
• 5.2.1 纯电动汽车能量管理系统结构与功率流分析62-63
• 5.2.2 常用纯电动汽车能量管理系统控制策略分析63-64
• 5.2.3 纯电动汽车能量管理系统控制指标64
• 5.3 基于模糊逻辑的能量管理系统控制策略设计64-73
• 5.3.1 模糊控制器的隶属度函数制定65-67
• 5.3.2 模糊控制器的模糊规则制定67-68
• 5.3.3 模糊控制器的建模与仿真验证68-70
• 5.3.4 基于模糊逻辑的能量管理系统控制策略的求解过程70-72
• 5.3.5 控制策略的仿真模型与验证72-73
• 5.4 控制策略实验分析与验证73-79
• 5.5 本章小结79-80
• 第六章 基于动态规划的能量管理系统优化方法80-89
• 6.1 引言80-81
• 6.2 基于动态规划的能量管理系统优化方法设计81-87
• 6.2.1 动态规划优化问题的描述81-83
• 6.2.2 动态规划优化目标与求解83-84
• 6.2.3 动态规划优化方法的验证84-86
• 6.2.4 基于动态规划的能量管理系统优化方法的求解过程86-87
• 6.3 优化方法实验分析与验证87
• 6.4 本章小结87-89
• 第七章 全文总结及工作展望89-96
• 7.1 研究成果的对标分析89-93
• 7.2 研究工作总结93-94
• 7.3 论文的创新点94-95
• 7.4 进一步工作展望95-96
• 参考文献96-109
• 攻读博士学位期间的研究成果109-110
• 作者在读期间参与的科研项目110-111
• 致谢111-112
• 常用缩写112-113
• 数学符号与术语描述113

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