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原文传递车用混合储能系统能量管理策略与容量配置优化研究

论文题名：	车用混合储能系统能量管理策略与容量配置优化研究
关键词：	电动汽车;混合储能系统;能量管理;容量配置
摘要：	电动汽车作为一种新兴低碳交通工具，是解决能源短缺和环境污染问题的有效手段。使用锂电池作为电动汽车主要动力来源，可以有效地减少温室气体的排放，从而达到环保和低碳的目标。在车用环境下，单一锂电池系统经常需要面临大倍率、高频率的充放电工况。长期工作在这种工况下，锂电池会出现性能急速下降和容量快速衰减的现象。由超级电容和锂电池组成的车用混合储能系统是代替单一锂电池储能系统的有效解决方案。然而，电池和超级电容电学行为的不同导致其对能量和功率承受能力的不同。因此，如何高效地对电池和超级电容这两个不同的能量源进行有效管理、协调两者的功率分配，充分发挥各自的优势成为混合储能系统研究的核心问题。此外，由于容量配置和能量管理策略之间的耦合关系，不协调的容量配置和管理策略不仅无法发挥系统的最优性能，还可能加速系统衰老，甚至产生安全问题。所以，如何设计联合最优的车用混合储能系统容量配置和能量管理策略，从而提升混合储能系统功率性能、延长系统整体寿命、保障系统安全工作，为未来智能车辆的动力来源提供解决方案，具有重要研究意义和研究价值。　　本文对车用混合储能系统的外部行为特性进行建模，在综合电热耦合模型的基础上提出了适用于车用混合储能系统的功率状态估计方法、能量管理策略和容量配置方法，主要工作及创新点如下: 　　1）针对车用混合储能系统在复杂电流和温度下电、热学行为建模问题，构建了混合储能系统综合电热模型。首先，基于基尔霍夫电压电流定理和能量守恒原理，建立了锂电池和超级电容的等效电路模型和等效热模型。其次，结合双向DC/DC效率模型，建立车用混合储能系统综合电状态、热状态空间表达。接着，基于递推最小二乘法辨识电池开路电压方程参数、标准温度下热模型参数以及不同温度点下系统电学行为模型参数。最后，在多个温度点和多组电流工况上验证了混合储能系统综合电热模型，为后续功率状态估计和能量管理策略提供理论依据和数据支撑。　　2)针对车用混合储能系统功率量化估计问题，提出了考虑温度约束的功率状态估计方法。首先，基于混合储能系统热状态空间表达式和生成热模型，构建温度约束到功率约束的直接关系式。其次，配合电流约束、电压约束和荷电状态约束，构建了混合储能系统多约束功率状态估计方法。最后，在不同温度和初始荷电状态下，验证基于多约束条件的功率状态估计方法的有效性。所提的方法可以为混合储能系统安全工作区的定量化描述提供解决方案，并为系统安全可靠运行提供保障。　　3)针对车用混合储能系统实时、高效能量管理策略的设计问题，将功率状态估计与滚动优化理念相结合，提出了适合车用环境的自适应模型预测控制能量管理策略。首先，在系统综合电热耦合模型的基础上构造预测模型，并设计了相应的滚动优化函数和反馈校正方法。其次，通过设计滚动优化中不等式约束，实现了基于多约束条件的功率状态估计在能量管理策略中的应用。最后，通过实验选取了自适应模型预测控制的最优控制域和预测域。并在三种工况下验证所提出的能量管理策略，结果表明自适应模型预测控制可以降低锂电池的峰值电流，延长锂电池寿命，减少系统能量损失等。　　4）针对车用混合储能系统容量配置和能量管理策略全局优化问题，提出了基于分解的多目标联合优化方法。所提方法可同时求解出最优容量配置和能量管理策略中最优关键参数。首先，基于改进的连续能量密度函数方法，设计了混合储能系统初始容量。其次，基于分解的多目标联合优化方法，获取了不同工况类型下统一的最优容量配置结果和不同的最优参数集。再次，基于灰狼支持向量机算法，提出了不同类型工况的分类和辨识方法。通过训练好的灰狼支持向量机辨识实时负载工况所属类别，并获取对应工况类别下的最优参数集。最后，通过与其他多目标优化算法和其他支持向量机算法对比，验证了所提方法在计算速度和精度上的优越性。　　5)针对混合储能系统高效管控问题，设计了一套完整的能量管理控制系统，搭建了混合储能系统样机。通过能量管理控制系统硬件方案设计，底层软件搭建以及监控上位机软件开发，实现了混合储能系统功率协同控制和能量精细化管理，对保障系统安全、可靠、高效运行具有重要的工程意义。结合上位机监控软件和可编程直流负载，在搭建的混合储能系统样机上验证了所设计的能量管理控制系统的可靠性和有效性。
作者：	王丽
专业：	控制科学与工程
导师：	陈宗海
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2022