基于可变电压混合电源的车载储能系统及其关键技术研究

Energy storage system with single power supply for vehicle has significant limitations, and cannot meet simultaneously the requirements of energy density and power density. In this project, a novel Energy storage system and its control method are proposed to meet the requirements of energy conversion and storage with high efficiency bi-directional power flow in electric motor driving system. The energy storage system designed by UC banks and batteries in parallel as hybrid power source, which based on series-parallel switchover of UC banks and DC-DC Power Converter (BDPC) combination is designed. So a low-voltage level of the variable voltage power supply system design concept is achieved. Energy efficiency of hybrid power source and the best variety ratio of BDPC are considered in order to achieve the best performance of vehicle in driving and regenerative conditions, optimization objective models and the global optimization model of the novel energy storage system are established and a coordinated control strategy of the energy storage system is presented. In this project, the effectiveness of scheme design and control strategy is verified by simulation and test on the basis of theoretical analysis. The proposed ESS is suitable for the systems which based on motor as electrical power and bi-directional energy flow, such as Hybrid electric vehicle (HEV), pure EV, power buffer system, power system and regenerative, it has great advantages compared to conventional methods and has important theoretical guidance and practical application value to the domestic research for improving the energy conversion efficiency and transfer efficiency.

目前用于车载的由单一电源组成的储能系统具有很大的局限性，不能同时满足能量密度和功率密度的要求。本课题以提出的一种新型基于可变电压混合电源的车载电储能系统及其关键技术为研究对象，利用超级电容器组串并联切换技术实现电源电压分级供电，通过控制可实现蓄电池组和超级电容器组相互独立工作或同时工作，并综合考虑混合电源能量利用率、功率变换器的最佳变比范围等，以实现车辆各种驱动和制动工况下的最佳工作性能为目的进行能量流控制策略的优化设计。本研究在理论分析的基础上进行仿真和试验研究，验证设计的正确性和有效性。本储能系统适用于混合动力汽车、纯电动汽车、功率缓冲系统、发电系统以及能量回馈系统等以电机作为动力系统且能量双向流动的场合，相对于传统方法有很大的优势，对于能量传输与转换效率技术的相关研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

本课题针对一种新能源汽车用新型储能系统在基础研究中急需解决的系统建模与控制，能量流优化控制及其综合协调控制策略等关键技术问题，开展了理论分析、数值计算与相关试验研究，使系统在能量的传输、变换、控制以及存储环节上都能够实现高效工作，进一步推动了电储能系统的发展及其在汽车中的应用。项目实施期间，共发表学术期刊论文5篇（主要包括：3篇SCI论文，其中1篇为SCI收录同时为ESI高被引论文，1篇为已IEEE early access出版，获得了DOI号，待正式刊出，该两篇SCI论文的出版期刊均为JCR分区Q1、TOP期刊， 1篇为JCR分区Q2的期刊论文。另1篇EI收录。）. 在课题关键科学问题的深入剖析、系统动态建模仿真和制动能量回馈技术等方面形成了一定的研究成果，具体如下：. 1. 在深入研究分析各种常用新能源汽车用电储能技术的基础上，总结出了车载电储能系统设计的关键技术，如电源的合理选择和参数设计、电力电子技术的应用和能量流控制策略的特性等。在研究了国内外大量最新文献资料的基础上，总结出了典型的常用车载电储能系统的各种缺点。. 2. 进一步深入研究了车载电储能系统综合匹配指标的仿真模型建模方法，改进了系统的基于MATLAB/Simulink的联合仿真模型，讨论了仿真结果，并与前期该系统应用于直线发动机的试验结果进行了对比分析，验证了建模方法的有效性。. 3. 提出了一种电回馈制动与机械制动结合的城市电动公交客车制动能量回馈方法。采用可控制实现串并联实时切换的超级电容器模块作为电源，在制动初始阶段，采用电回馈制动，电动机发电运行并提供恒制动扭矩，当电动机转速减至不能提供恒制动扭矩时，由机械制动提供制动力直至制动过程结束。仿真和试验结果证明：提出的制动能量回馈方法可实现低速制动能量回馈，具有较高的制动能量回馈效率。. 4. 分析和研究了所提出的混合电源在起动-发电一体化(ISG)系统中的应用，充分利用蓄电池比能量大和超级电容器比功率大的性能，使得ISG系统的起/停控制快、能量再生利用好、动力辅助性强等优越性能可较大程度地得以实现。仿真结果验证了所提出混合电源的有效性。