军用汽车混合电力驱动系统复合能源控制策略.pdf
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1、第 4 5 卷第 2期 2 0 0 9 年2 月 机械工程学报 J OURNAL OF MECHANI CAL ENGI NEERI NG V01 45 N O 2 Fe b 2009 DoI : 1 0 39 0 1 , J M E 2 0 0 9 O 2 0 41 军用汽车 日 , 匕 口 电力驱动系统复合能源控制策略术 田德文 谢大纲 崔淑梅 ( 哈尔滨工业大学电气工程及 自动化学院哈尔滨1 5 0 0 0 1 ) 摘要:电池技术是制约军用汽车混合电力驱动技术发展的关键因素之一。目前,广泛使用的各种单一储能源都难以满足军用 汽车对能量和峰值功率的双重要求。 采用复合能源结构, 将高比功率
2、能源与高比能量能源复合使用, 能在现有的技术条件下, 大大提高军用汽车能源系统的性能。为了充分发挥多种能源的优势,必须对复合能源功率分配进行合理控制。目前复合能源 控制主要有加权法和滤波法,这两种方法各有侧重点,没有同时兼顾复合能源与发动机的特性。针对镍氢电池与超级电容的 自身特性,提出一种加权控制和滤波器控制相结合的控制策略,首先细分复合能源控制模式,明确各个模式的切换条件,然 后在具体的工作模式下采用滤波器控制,对复合能源输出功率进行分配。仿真分析和试验结果表明,超级电容起到了功率缓 冲的作用,使得镍氢电池充放电过程得到了优化,避免了深充深放,复合能源的峰值功率大大提高。 关键词:复合能源
3、控制策略混合电力驱动 中图分类号 :U 4 6 9 7 2 Hy br i d Ene r g y Co n t r o l S t r a t e g y f o r Hy b r i d El e c t r i c Dr i v e S y s t e m i n M i l i t a r y Ve hi c l e TI AN De we n XI E Da g a n g CUI S h u me i ( S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n , Ha r
4、b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , H a r b i n 1 5 0 0 0 1 ) Ab s t r a c t : Ba t t e r y t e c h n o l o g y i s o n e o f t h e k e y f a c t o r s c o n s t r a i n i n g t h e d e v e l o p me n t o f h y b r i d e l e c t r i c d r i v e t e c h n o l o gy u s e d i n e l e c tr
5、 i c c o mb a t v e h i c l e s ( E C V) A t p r e s e n t , s i n g l e e n e r gy s t o r a g e s o u r c e u s e d wi d e l y i s v e ry d i ffic u l t t o me e t the r e q u i r e me n t s f o r b o th e n e r gy a n d p e a k p o we r i n E CV By a d o p t i n g h y b rid e n e r g y s t r u c
6、tu r e t o c o mb i n e h i g h s p e c i fi c p o we r s o u r c e a n d h i g h s p e c i fic e n e r gy s o urc e , t h e e x i s t i n g t e c h n o l o gy c a n g r e a t l y e n h an c e the p e r f o r ma n c e o f E CV p o we r s u p p l y s y s t e m I n o r d e r t o ma k e f u l l u s e o
7、 f t h e a d v a n t a g e s o f mu l t i p l e e n e r g i e s t h e p o we r o f h y b r i d e n e r gy s o ur c e s mu s t b e d i s t ri b u t e d r e a s o n a b l y W e i g h t i n g me tho d an d fil t e rin g me t h o d a r e t h e ma i n c o n tr o l s tra t e g i e s o f h y b r i d e n e
8、r g y wi t h pa r t i c u l a r f o c u s e s r e s p e c ti v e l y , h o we v e r , wi t h o u t c o n s i d e rin g the p r o p e r t i e s o f b o th h y b r i d e n e r gy a n d e n g i n e Ac c o r d i n g t o the c h a r a c t e ri s t i c s o f Ni - M H b a t t e ry an d u l tra - c a p a c
9、i t o r , a s t r a t e g y i s p r o p o s e d wh i c h c o mb i n e s we i g h tin g c o n tr o l wi t h fi l t e r i n g c o n tr o 1 I n t h i s s tra t e gy ,fi r s t l y h y b r i d e n e r gy c o n tr o l mo d e s are s u b d i v i d e d a n d t h e s wi t c h i n g c o n d i t i o n o f e a
10、c h mo d e i s d e t e r mi n e d ,and t h e n fil t e rin g c o n t r o l i s a d o p t e d u n d e r e v e ry s p e c i fi c wo r k i n g mo d e t o d i s t r i b u t e the p o we r o u t p u t o f h y b ri d e n e r gy T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e b u ffe r e ffe c t o f u l tr a c a
11、 p a c i t o r h a s o p t i mi z e d c o n s i d e r a b l y t h e c h a r g i n g an d d i s c h a r g i n g p r o c e s s e s o f Ni M H b a tt e ry a n d t h e p e ak p o wer o f h y b r i d e n e r gy i s i mp r o v e d gr e a t l y Ke y wo r d s : Hy b ri d e n e r gy Co n t r o l s tr a t e g
12、 i e s Hy b rid e l e c t r i c d r i v i n g 0 前言 从 2 0世纪 8 0 年代开始,混合电力驱动开始弓 黑龙江省科技攻关 “ 十一五 ”重大资助项 目( GA 0 6 A3 0 5 ) 。2 0 0 8 0 3 3 0 收到初稿,2 0 0 8 0 9 2 2收到修改稿 起人们的广泛关注。美国、英国、德 国、法 国、瑞 典和南非等国家都开展了混合 电力驱动技术试验车 的研究。混合电力驱动系统将会提高战车各方面的 战斗能力,包括改善加速性能、提高隐形能力和秘 密行动 秘密侦查能力、提高能量武器的毁坏性、提 高装 甲保护能力,提高抗毁性。混合动力
13、技术在给 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 机械工程学报 第 4 5卷第 2期 军用车辆带来多方面的利益的同时也带来了新 的挑 战,由于全 电战斗车辆不同于普通民用混合电动汽 车,其要求更高的机动性能和通过性能,要求能够 满足 电磁武器和装备的需求,对其能源系统提 出了 更高的要求。 但是,近年来的各种电池使用情况统计结果表 明,当前任何一种单一储能源都不能同时满足 电动 车运行过程中对峰值功率和能量的双重要求。为解 决这一问题,一方面需要加大力度开发新型能源, 或者对现有能源进行技术创新 。另一方面,在现阶 段,复合能源具有很大的发展空间。文献 1 5
14、中指 出,超级电容器与蓄电池并联使用,可以使电源的 负载适应能力( 尤其是大功率脉动负载) 有较大的提 高,能够改善降低蓄电池的内部损耗、延长放 电时 间、增加使用寿命,还可以缩小电源的体积、改善 可靠性和经济性。复合能源的控制有三种方法 :加 权法、滤波法 以及这两种方法的结合。文献 6 7 中 采用加权法通过简单的规则来限制电池、电容的充 放电功率, 实现运行状态的切换。 文献 8 1 0 】 中利用 低通滤波器首先从对复合能源需求功率中分离 出内 燃机功率、电池功率,进而得到超级电容的需求功 率。这两种控制策略各有侧重点,前者主要是侧重 于电池的状况,使电池的荷电状态( S t a t
15、e o f c h a r g e , s oc ) 保持在一个合理的水平, 而使发动机启停过于 频繁;而后者更关心发动机的运行状态 ,减小了发 动机开关的频率,却有 电池过充过放的情况出现 。 此外,由于复合能源作为整车系统的一个组件,其 控制策略必然要受到整车控制策略的影响,前两种 方法中很少考虑整车控制策略对复合能源控制的影 响。本文将采用镍氢电池与超级电容混合,将加权 法与滤波法结合,探讨一种兼顾全电战车整车控制 策略的复合能源控制策略。 1 复合能源结构 对于复合能源,其结构问题一直是研究的热点 之一。早期的结构一般直接将两种能源并联使用 , 与电池作为唯一能源相比,该结构在脉冲负载
16、条件 下具有更长的运行时间和功率密度I l J ;但是它不 能实现能源 的优化,为了克服直接并联的缺点,引 入了直流变换器实现对能量流的控制。本文中复合 能源采用镍氢电池与超级电容并联的结构形式,将 D C DC ( 直流变换器) 放在超级电容回路 中,如图 1 所示 1 3 - 1 4 】 。这种匹配结构,镍氢电池组与负载直接 相连,能量转化效率较高;超级电容通过 DC DC 变换器和负载相连, 能够充分发挥超级电容的容量 , 能够在加速、爬坡时较好地提供瞬时功率;在回馈 制动时,能较好地回收能量。 图 1 面形检测系统概念图 2 复合能源控制策略 复合能源控制的目的在于充分发挥镍氢电池和
17、超级电容各 自的特点,延长电池的使用寿命,提高 系统的效率和燃油经济性,其核心在于镍氢电池与 超级电容间功率的合理分配。本文将加权法与滤波 法结合 , 首先根据镍氢电池和超级电容的 S O C状态 和车辆功率需求确定复合能源工作模式,然后确定 每个具体的工作模式下镍氢电池,超级电容和发动 机之间的功率分配 。 2 1 放电模式切换策略 复合能源在输出能量时,功率分配的原则是当 功率需求小于 电池最大允许输 出功率 P b 一 时,采 用滤波选出控制策略;当需求功率大于 一 时, 采 用功率限制控制策略, 此时电池只能提供最大功率, 不足的功率要求再由超级电容来补充。根据 电池、 超级电容的荷电
18、状态与整车的功率需求将复合能源 工作划分成几个工作模式,如图 2 、3所示。 g 肆 图 2 低功率需求时复合能源功率分配 JP整车需求功率 电池输出功率 超级电容输出功率P 。 发动机输出功率 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9年 2月 田德文等:军用汽车混合电力驱动系统复合能源控制策略 4 3 的 U 0 赫 图 3 高功率需求时复合能源功率分配 尸 b 电池最大输 出功率 2 1 1 低功 率需求 假设汽车慢速行驶等低功率需求场合,若此时 的电池的 S OC值很高, 发动机关闭,电动机单独工 作,考虑超级电容的 S O C,如果超级 电容 S
19、OC值 小于最小值限定值 ,电池放 电,电容不工作 ;如果 S O C值高于最小值时,电池输 出功率滞后一定的时 间再缓慢增加 ,不足的功率 由超级 电容补充 。如果 此时电池 S OC值处于最佳状态, 以减少发动机开关 次数的原则,发动机保持在上一个工作状态,此时 电动机单独驱动或者处于混合驱动状态,考虑超级 电容的 S O C,如果超级电容 S OC值小于最小值, 电池放电, 电容不工作; 如果 S OC值高于最小值时, 发动机、电池输 出功率滞后一定的时间在缓慢 的增 加,不足的功率 由超级电容补充 。 当电池 S 0C低于 最小值时发动机处于混合充电状态 ,发动机除供给 需求功率 ,同
20、时向复合能源充 电,首先向超级 电容 充电,若超级电容达到预定 S OC,则 向电池充 电。 2 1 2 高功率要求 汽车在高速巡航 、加速等高功率需求场合 ,若 此时的电池 S O C 值低于最小值,复合能源停止工 作。 若 电池 S O C值高于最小值 , 则汽车处于混合驱 动模式 , 考虑超级 电容 S O C状态 , 若超级 电容 S O C 值低于最小限值 ,电池维持最大输出,不足功率由 发动机提供;若超级电容 S OC处于最佳状态,电池 仍输出最大功率,不足功率 由超级电容和发动机来 提供。 2 2 充电模式切换策略 充 电控制策略包括制动能量回收控制策略和 电 池向超级电容充电控
21、制策略。当电动汽车减速或制 动场合 电动机工作在发电机状态向复合能源充电, 为了充分利用超级 电容充电速度快充电效率高的特 点,首先向超级 电容充电,若超级电容充满 ,再 向 电池充 电;当电池 S OC值很高时, 进入复合制动模 式; 当电池、电容 S O C值均很高时, 无法吸收能量 , 进入机械制动模式。 对于复合能源内部的充电控制策略,当电动机 需求功率很小时,电池在提供电动机需求功率同时 向超级 电容充电,若此时 电动机需求功率增加超过 尸 b n a x ,或者进入能量回收模式,则电池停止 向超级 电容充 电。充电控制策略如图 4 、5所示。 g 奄 扛 轺 的 U 0 电池 s
22、o c s c 2 图 4 制 动能量 回收控制策略 图 5 电池向超 级电容充 电控制策略 为了延长电池的寿命,电池的最大充电功率要 求小于 尸 b 一 ,根据电池的 S OC值确定充电功率大小 一 一 赢 ) 式中 h超级电容的充电功率 & 超级 电容工作的 目标荷 电状态 h 超级电容工作最高荷 电状态 &1 超级 电容工作的最低荷 电状态 根据最大限度回收制动能量的原则,超级电容 目标 & ,受车速制约。 假设超级电容满足汽车具有 最大动能时,能量能够完全回收。S OC与车速的关 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 5卷第2期 系满足
23、1 h 一 S c1 : ( 2 ) 式中 超级电容总能量 V m a x 汽车最高车速 当汽车以车速 运行时,为了保证制动能量的 吸收,当前的 S O C应满足 1 巨 h 一丘 = : 1 v l2 ( 3 ) 将式( 2 ) 与式( 3 ) 相比,可得 ,2 & = 一 ( 一 , ) ( 4 ) ax 2 3 具体模式下功率分配 采用一个低通滤波器 由车辆需求功率中分离 出发动机功率;车辆需求功率与内燃机功率差值再 通过一个滤波器来分离出电池功率,超级电容提供 车辆需求功率与内燃机功率和 电池功率间的差值。 在不同的运行模式,对滤波器选取不同的参数 。功 率分配的原理如图 6所示。文中
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