车用复合电源管理系统的拓扑集成与控制

Fast degradation of battery life cycle, oversized battery pack, and slow onboard charging have been the main bottlenecks which prevent the spread of plug-in electric vehicles (PEVs). Using battery/ultra-capacitor hybrid energy storage system (HESS) could effectively extend the battery life cycle and reduce the battery size. However, the power electronic interface (PEI) of HESS comes with the drawbacks of large components count, low power density, and high manufacturing cost. A PEI based on system level topology integration is proposed to cope with those issues. The proposed PEI comes with the benefits of minimized components count, removal of the unreliable DC bus electrolytic capacitors, fast onboard charging, as well as the compatibility with renewable micro grids. The targeted research includes topology derivation, modeling, control algorithm, performance optimization, and system integration. This project will investigate a) a group of novel tri-port topologies and the general principles of topology derivation, b) the solutions to the surge current and instability issues introduced by the ultra large DC link capacitance and constant power loads, c) dynamic modulation method and control algorithms to optimize the conversion efficiency regarding to the wide voltage and load variation ranges, d) the boost of the PEI power density by using GaN power devices. Based on the aforementioned key technologies, a high power, highly efficient, ultra-compact PEI prototype and its control strategies will be designed and tested. An optimized design methodology will be established to guide the design of PEV hybrid energy management system. The proposed PEV cutting edge research helps to increase the acceptability of next generation PEVs.

电池寿命衰减过快，储能系统过大，车载充电过慢是阻碍电动车推广的瓶颈。电池/超电容复合电源可延长电池寿命，优化储能系统尺寸，但是会带来变换器过多，功率密度降低，成本升高等缺点。针对这些问题，提出车载复合电源管理系统的系统级拓扑集成方案。可极简化硬件开销，替换多处母线电解电容，实现车载快充，并与新能源微网兼容。拟系统研究电力电子接口的拓扑、建模、控制、性能优化、系统集成。提出适应于三端口变换的集成拓扑，探索其内在联系和一般规律；提出超电容及恒功率负载引入的瞬态效应及环路不稳定效应的解决办法；动态调整调制方法和控制策略，实现宽电压、宽负载范围内的能效优化；探索氮化镓器件对功率密度的提升效应。基于上述关键技术，研究新型三端口拓扑族的推导方法，完成大功率、高效能、超紧凑的实验样机，进行系统级控制策略测试，建立复合电源管理系统的优化设计理论。该项目是新能源汽车研究的前沿领域，可有效提高电动车的接受度。

近年来全球面临着较为严重的环境污染和能源短缺问题，电动汽车在这一背景下得到了越来越广泛的关注。车载储能系统是电动汽车中最关键的组件之一。锂电池具有较高的能量密度，已经被用作现代电动汽车中的主流储能元件。但是，锂电池的功率密度相对较低，且循环寿命有待提高。近年来技术逐渐成熟的超级电容具有较高的功率密度和循环寿命，因此电池和超级电容组成的复合电源系统被认为是一种高性能储能解决方案。对于此类复合电源系统而言，最关键的两个问题就是尺寸优化和能量管理策略设计。本课题以电动汽车为研究对象，对车载复合电源系统进行了建模和优化，并从多角度解决了以上问题。..首先，基于固定尺寸的复合电源系统，本文提出了一种基于多目标优化的实时能量管理策略，旨在实现更低的功率损耗，更长的电池寿命，更稳定的直流母线电压和超级电容快速充电放电能力。本文使用了两种不同的方法将以上多目标优化问题转换为单一目标凸优化问题，然后通过使用卡罗需-库恩-塔克条件求解最终问题。仿真和实验结果表明，本文所提出的控制策略带来了最小化电池电流幅度和波动，提高系统效率，稳定直流母线电压和改善动态响应等优势。..实际上，在电池/超级电容复合电源系统中，系统尺寸和能量管理策略总是相互耦合，它们共同决定了系统成本和性能表现。所以课题以一种创新的角度提出了基于最小化平均运营成本原则的系统性优化策略，该策略以一种耦合交叉的方式联合优化系统尺寸和能量管理策略：首先建立电池损耗的量化模型来评估电池动态容量损耗和循环寿命；然后根据动态规划算法求得最小化电池容量损耗的优化能量管理策略；最后，将能量管理优化嵌入尺寸优化之中，并利用模拟退火算法求出实现成本最小化的最佳电池和超级电容数量组合。仿真结果表明，经优化的复合电源系统使得系统成本降低 11.7\%，电池寿命延长18.4%，且电池温升降低28.9%。..本课题所提出的复合电源系统的优化和控制方案不仅能够为系统尺寸优化设计提供良好的指导作用，也能为固定尺寸的复合电源系统提供在线或离线的优化能量管理方案。两种能量管理策略也可以扩展到其他储能系统中使用。