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原文传递轮毂电机式复合电源纯电动客车能量管理策略研究

论文题名：	轮毂电机式复合电源纯电动客车能量管理策略研究
关键词：	纯电动客车;轮毂电机;复合储能系统;能量管理;控制策略
摘要：	轮毂电机式复合电源纯电动客车作为一种适用于快速公交系统的车型，具有载客量多、零排放的特点，其驱动形式为六轮毂电机分布式驱动，传动链短，能耗水平低，以动力电池组、超级电容和光伏电池组成的整车复合储能系统（Hybrid Energy Storage System，HESS）更能发挥多能源互补的优势，采用轮毂电机驱动的复合电源纯电动客车构型方案可为提高整车经济性和延长电池组使用寿命提供有效途径。然而，轮毂电机分布式驱动涉及多电机扭矩分配的问题，针对整车工况动态分配电机扭矩和选择驱动组合方式，是提高电机工作效率、降低整车能耗的重要手段。此外，HESS的工作需要通过有效的能量分配方式，发挥超级电容功率密度大、充放电速度快的特点满足车辆大功率放电和回收制动能量需要，联合光伏电池缓解单一电池组对于提供车辆续驶里程和功率需求的矛盾。因此，本文以轮毂电机式复合电源纯电动客车为研究对象，基于能量管理实现六轮毂电机分布式驱动与HESS的方案整合，综合提高整车经济性、延长电池组寿命，开展了以下4个方面研究：　　（1）提出一种基于六轮毂电机驱动的复合电源纯电动客车构型；根据车辆基本参数和性能指标完成了轮毂电机参数匹配；针对HESS开展了拓扑选型和参数匹配与优化研究，基于电池半经验寿命退化模型建立了HESS周期寿命成本函数，使用动态规划（Dynamic Programming，DP）寻找最佳的超级电容成组规模，以平衡HESS成本和性能矛盾。　　（2）基于MATLAB/Simulink完成整车HESS建模。根据车辆行驶方程建立了整车纵向动力学模型；建立了光伏电池模型，模拟不同光照下的功率输出特性；搭建了锂电池二阶RC等效电路模型，为阻容参数辨识和SOC估算奠定基础；根据超级电容一阶RC等效电路，建立电容SOC和端电压计算模型；基于双向DC/DC转换器的效率特性，分别建立了超级电容和动力电池端的DC/DC模型。　　（3）制定了轮毂电机式复合电源纯电动客车能量管理策略。为提高整车经济性，提出了多电机扭矩节能分配方法，建立以驱动系统效率为目标函数的扭矩优化分配数学模型，通过序列二次规划（Sequential Quadratic Programming，SQP）算法离线优化各轴扭矩分配系数，制定了以分配系数作为在线查表的整车扭矩优化分配控制策略；设计了光伏电池扰动观察法最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）策略，以响应光照强度的变化；基于锂电池二阶RC等效电路模型，使用带遗忘因子的最小二乘（Forgetting Recursive Least Squares，FRLS）算法辨识内部阻容参数，联合扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter，EKF）算法对电池SOC进行估算；根据车辆不同功率需求划分整车工作模式和能量路径，制定了基于规则的HESS能量分配控制策略。　　（4）针对轮毂电机式复合电源纯电动客车能量管理策略进行仿真验证。根据车辆基本参数和关键总成匹配结果，基于AVL Cruise和MATLAB/Simulink，分别搭建了轮毂电机式纯电动客车和单电机集中式纯电动客车的仿真模型，在中国城市公交循环（China City Bus Cycle，CCBC）工况下，验证了六轮毂电机分布式驱动可有效提高整车经济性和动力性，多电机扭矩优化分配策略能根据工况变化在各轴之间动态分配扭矩，合理切换驱动模式；在MATLAB/Simulink中搭建基于扰动观察法的光伏电池MPPT模型，验证了光伏阵列能在光照变化条件下快速追踪最大功率；利用锂电池二阶RC模型在脉冲放电下验证了FRLS对于阻容参数辨识准确，电池端电压误差小，在充放电循环工况下，验证了基于辨识结果的EKF算法有着良好的SOC估算精度；基于轮毂电机式复合电源纯电动客车HESS仿真平台，验证了HESS可有效延长车辆续驶里程，其能量分配策略可在多能量源之间合理分配功率需求，发挥超级电容削峰填谷优势，降低电池组峰值电流和充放电次数，实现了对电池组的有效保护。
作者：	邵长江
专业：	车辆工程
导师：	杨坤;孙廷军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东理工大学
学位年度：	2022