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原文传递混合动力城市客车车载能量系统管理技术研究

论文题名：	混合动力城市客车车载能量系统管理技术研究
关键词：	混合动力汽车;车载能量系统;管理技术;硬件设计
摘要：	能源危机和环境污染是目前全球面临的双重威胁，世界各国已经相继制定出日益严格的燃油消耗和汽车排放法规以应对逐渐枯竭的能源和日趋恶化的尾气污染问题。作为一项在中短期内可有效节能减排的汽车新技术——混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle,HEV）技术已经成为世界各国政府、汽车制造企业和科研机构汇聚的焦点。能量系统作为混合动力汽车的辅助动力源是 HEV发展的关键技术之一，也是制约其快速发展的主要瓶颈，主要体现在HEV对能量系统的高性能、长寿命、低成本以及安全可靠等要求。为满足上述要求，一是需要不断提高能量系统的本体技术和工艺水平，同时还需要发展高效可靠的能量管理技术。　　本论文课题来源于国家863计划项目“城市客车混合动力总成关键技术的研究”，研究对象是单轴并联式混合动力城市客车的能量系统及其管理技术。主要开展了能量系统的等效电路模型、能量管理控制策略设计、均衡结构设计以及能量管理系统的硬件设计等内容的研究。具体研究工作如下：　　1.基于磷酸铁锂电池特性试验，建立了蓄电池的通用型低阶等效电路模型，模拟了磷酸铁锂电池的开路电压特性、直流内阻特性以及自放电等特性。研究了等效电路模型参数的离线和在线辨识方法，离线辨识方法主要通过复合脉冲功率特性试验并对试验数据进行分析拟合确定模型参数；在线辨识方法主要为了消除整车实际运行时的动态误差，基于限定记忆的最小二乘法根据实时变化的输入电流等信号确定模型参数，提高辨识精度。仿真和试验结果表明，模型离线辨识电压和实测电压静态最大估计误差为1.4％；在线辨识参数动态误差可减小到1.1%。最后分析了混合动力城市客车对能量系统的要求及其工作特性，据此建立了整车模型，并基于改进的遗传算法对蓄电池系统的标称容量和电压进行了优化匹配。　　2.分析了能量系统SOC的主要影响因素及其常用计算方法的优缺点，提出了基于通用型低阶等效电路模型的自适应联合 SOC估计方法，该方法由电量累计模型、开路电压模型以及自适应SOC输出模型三部分组成，将SOC的变化描述成实时电流和开路电压共同作用的结果，通过建立噪声模型消除电量累计带来的误差累积效应，仿真结果表明自适应联合算法具有较强的抗干扰能力，SOC估计误差可有效减少。建立了基于模糊逻辑的峰值功率预测模型，可根据当前SOC、电压以及温度等因素实时调整最大充/放电功率计算输出。蓄电池的寿命预测模型分为内阻增长模型和容量衰减模型，仿真结果表明 SOH预测模型符合蓄电池寿命衰减趋势，具有较高的适用性。　　3.分析了能量系统单体一致性问题产生的原因，主要由于蓄电池出厂时的初始差异以及使用过程中的差异累积而造成单体 SOC偏差逐渐增大导致出现单体过充或过放。在对比常用均衡电路结构的基础上，利用图论的方法分析各种均衡结构的均衡效率，并综合考虑高效率及工程实用性提出了基于双向 DC/DC的自补偿均衡电路结构，该结构在108串的磷酸铁锂电池系统中理论效率高于90%，并可通过分层结构实现了多个单体同时均衡。基于混合动力系统 DOD边界的自适应动态均衡控制方法以SOC为控制目标，利用DOD边界直流内阻和单体SOC的对应关系在蓄电池安全使用区域内及时找出不一致单体并开启均衡电路进行均衡，仿真结果表明自适应动态均衡控制方法控制目标明确，均衡效率较高。　　4.基于能量管理系统EMS硬件功能需求，采用分布式架构，将EMS硬件结构分为参数监控、高压管理、均衡控制以及 CAN通信及标定等模块。对整车复杂干扰环境下的单元电压采样方法进行了研究，并提出了多路复用选通的模块化电压采样法，可有效避免共模干扰和漏电流的影响。根据国家电动汽车相关安全标准，开展了基于“安全”的能量系统高压管理方法研究，建立了高压电系统等效电路模型包括预充电、绝缘电阻、等效电容和剩余电量实时监测模型，通过完善的高压故障诊断以及安全断开机制确保整车用电及人身安全。　　5.以能量系统测试台架及混合动力整车为基础，进行了能量管理系统的试验研究，通过一系列的试验表明能量管理系统信号采集实时准确，电压信号采集偏差小于0.5%，电流信号采集偏差小于1%；高压管理模块安全断开时间小于20ms，绝缘电阻检测误差5%，达到国家电动汽车高压安全标准要求；自适应联合SOC估计方法具有较高的鲁棒性，SOC预测偏差<5%，达到国内先进水平；峰值功率计算模型能够较准确的反映能量系统当前所能承受最大充/放电功率的变化；SOH预测模型预测结果与蓄电池系统实际容量衰减趋势基本一致，最大误差约6.6%。基于DOD边界的自适应动态均衡算法均可以精确的实现以 SOC为目标的均衡处理，可有效的保护蓄电池单体，避免出现过充/放现象，均衡效率大于80%。
作者：	马兹林
专业：	动力机械及工程
导师：	卓斌
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文