CN109687811B - 车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法 - Google Patents

车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法，包括：分别建立蓄电池、超级电容器、功率变换器及驱动电机的温度模型，并根据建立的温度模型得到电动汽车运行过程中蓄电池、超级电容器、功率变换器及驱动电机在温度效应作用下的功率损耗；基于乘除优化方法，根据蓄电池、超级电容器、功率变换器及驱动电机的功率损耗建立最小化系统总功率损耗的目标函数及相应的约束条件；根据约束条件，对目标函数进行求解分别得到蓄电池功率损耗、超级电容器功率损耗、功率变换器功率损耗及驱动电机功率损耗的最小值，实现混合电源驱动系统温度效应的抑制，从源头降低系统损耗，提高系统效率，实现能源的最大化利用。

Description

车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法。
背景技术
目前，电动汽车蓄电池-超级电容器混合电源驱动系统在新能源汽车领域受到了国内外学者的广泛关注，在该混合电源中，蓄电池发挥其能量密度大的优势，超级电容器发挥其功率密度大的优势，进而满足电动汽车负载的高能量密度和高功率密度的双重需求。
在电动汽车运行的过程中，混合电源驱动系统的温度会随之升高，导致系统功率损耗增加，降低系统运行的效率，是以如何抑制混合电源驱动系统的温度效应是目前学者们共同面临的难题。在过往的研究中，温度抑制方法一般侧重于尽量减少燃料或电能的使用，混合电源驱动系统内部的一些其他重要参数通常会被忽略或者以最简单的方式等效，并不能有效地解决系统功率损耗过高、系统效率低下的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法，有效解决了现有混合电源驱动系统由温度抑制方引起的系统功率损耗过高、系统效率低下的技术问题。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法，应用于车载混合电源驱动系统，所述混合电源驱动系统中包括混合电源、功率变换器及驱动电机，其中，混合电源中包括用于提供能量的蓄电池及用于提供功率的超级电容器，功率变换器中包括DC/DC变换器和DC/AC逆变器，且蓄电池直接与直流母线连接，超级电容器串联所述DC/DC变换器后与蓄电池并联连接，驱动电机通过DC/AC逆变器与直流母线连接；所述车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法包括：
S10分别建立蓄电池、超级电容器、功率变换器及驱动电机的温度模型，并根据建立的温度模型得到电动汽车运行过程中蓄电池、超级电容器、功率变换器及驱动电机在温度效应作用下的功率损耗；
S20基于乘除优化方法，根据蓄电池、超级电容器、功率变换器及驱动电机的功率损耗建立最小化系统总功率损耗的目标函数及相应的约束条件，将针对蓄电池功率损耗最小化、超级电容器功率损耗最小化、功率变换器功率损耗最小化及驱动电机功率损耗最小化的多目标优化问题转化为单目标优化问题；
S30根据所述约束条件，采用微分进化算法对所述目标函数进行求解分别得到蓄电池功率损耗、超级电容器功率损耗、功率变换器功率损耗及驱动电机功率损耗的最小值，实现混合电源驱动系统温度效应的抑制。
在本发明提供的车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法中，根据混合电源驱动系统中的蓄电池、超级电容器、功率变换器及驱动电机的温度模型得到其在温度效应下的功率损耗之后，进一步根据乘除优化方法建立最小化系统总功率损耗的目标函数及相应的约束条件，采用微分进化算法求解该目标函数后分别得到蓄电池功率损耗、超级电容器功率损耗、功率变换器功率损耗及驱动电机功率损耗的最小值，从源头降低系统损耗，提高系统效率，实现能源的最大化利用。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1为本发明中车载混合电源驱动系统的示意图；
图2为本发明中车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法流程示意图；
图3为本发明中蓄电池的等效电路图；
图4为本发明中超级电容器的等效电路图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
基于现有混合电源驱动系统中存在由温度抑制方引起的系统功率损耗过高、系统效率低下的技术问题，本发明提供了一种车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法，该混合电源驱动系统中包括混合电源、功率变换器及驱动电机，混合电源中包括用于提供能量的蓄电池及用于提供功率的超级电容器，功率变换器中包括DC/DC变换器和DC/AC逆变器，且蓄电池直接与直流母线连接，超级电容器串联DC/DC变换器后与蓄电池并联连接，驱动电机通过DC/AC逆变器与直流母线连接，如图1所示。
如图2所示，在该车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法中包括：
S10分别建立蓄电池、超级电容器、功率变换器及驱动电机的温度模型，并根据建立的温度模型得到电动汽车运行过程中蓄电池、超级电容器、功率变换器及驱动电机在温度效应作用下的功率损耗；
S20基于乘除优化方法，根据蓄电池、超级电容器、功率变换器及驱动电机的功率损耗建立最小化系统总功率损耗的目标函数及相应的约束条件，将针对蓄电池功率损耗最小化、超级电容器功率损耗最小化、功率变换器功率损耗最小化及驱动电机功率损耗最小化的多目标优化问题转化为单目标优化问题；
S30根据约束条件，采用微分进化算法对目标函数进行求解分别得到蓄电池功率损耗、超级电容器功率损耗、功率变换器功率损耗及驱动电机功率损耗的最小值，实现混合电源驱动系统温度效应的抑制。
图3所示为蓄电池的等效电路图，蓄电池的输出电压Ubat通过建立与温度相关的戴维宁等效电路来求解，如式(1)，由蓄电池的开路电压Uoc、等效内部阻抗Zeq及蓄电池电压的温度校正因子ΔE(T)组成：
Ubat＝Uoc-Ibat×Zeq+ΔE(T) (1)
其中，Ibat为蓄电池的输出电流，T为温度。
蓄电池的开路电压Uoc很大程度上取决于其荷电状态(State of charge，以下简称SOC)，根据安培计量原理，蓄电池的SOC可根据如式(2)计算：
Figure BDA0001959347710000031
其中，SOC0为蓄电池SOC的初始值，L为电动汽车的运行周期。根据式(2)计算得到蓄电池的SOC后，通过查表法(datasheet)即可得到对应的蓄电池开路电压Uoc。
以此，根据式(3)得到蓄电池由温度效应引起的功率损耗Pbat：
Figure BDA0001959347710000041
图4为超级电容器的等效电路图，从图中看出，该超级电容器中包括并联连接的第一分支、第二分支、第三分支及第四分支，其中，第一分支(也称短期分支，表示超级电容器在瞬时几秒钟的时间间隔内的电气特性)由第一电阻Rf和第一电容Cf串联组成的、第二分支(也称中期分支，在分钟尺度上占主导地位，表示超级电容器在几分钟内的电气特性)由第二电阻Rm和第二电容Cm串联组成、第三分支(也称长期分支，代表超级电容器在超过10分钟的长期电气特性)由第三电阻Rs和第三电容Cs串联组成，第四分支(代表以周为单位影响超级电容器容量)由漏电阻Rleak组成，且满足：
Figure BDA0001959347710000042
Figure BDA0001959347710000043
其中，C0为超级电容器的容量初始值，Re为超级电容器的等效串联电阻，Ileak为超级电容器容量的漏电流，Uuc为超级电容器的输出电压。
对于超级电容器的等效串联电阻Re，温度对其影响较大，可用如式(4)和(5)的等效串联电阻的温度校正因子Tuc(T)来定义温度变化对其的影响：
Re(T)＝Tuc(T)×R0 (4)
Tuc(T)＝-4.791×10-7×T3+8.54×10-5×T2-5.463×10-3×T+1.105 (5)
其中，R0为超级电容器等效串联电阻的初始值。
以此，根据式(6)得到超级电容器由温度效应引起的功率损耗Puc：
Figure BDA0001959347710000044
其中，Iuc为超级电容器的输出电流。
功率变换器中包括DC/DC(Direct Current，直流)变换器和DC/AC(AlternatingCurrent，交流)变换器，且DC/DC变换器和DC/AC逆变器中分别至少包括一个开关管。功率变换器中由温度效应引起的功率损耗Ps主要表现为开关管的开关损耗，DC/DC变换器和DC/AC逆变器中共包括6个开关管，即功率变换器的功率损耗Ps具体表现为6个开关管的开关损耗总和，如式(7)：
Figure BDA0001959347710000051
其中，Udc为直流母线电压，Qrr为开关管的本征二极管的反向恢复电荷，Irm(T)为开关管电流波形的均方根值，IF(T)为本征二极管的额定正向电流，fs为开关管的开关频率。
对于驱动电机，以外转子永磁同步电机为例，考虑永磁体磁通的温度效应，建立电机模型与温度的关系。假设渗透率与温度无关且无退磁现象，驱动电机由温度效应引起的功率损耗Pm包括定子铜损耗Pcu和铁损耗Pfe，如式(8)：
Pm＝Pcu(T)+Pfe(T) (8)
其中，Pcu(T)为铜损耗，Pfe(T)为铁损耗。
具体，铜损耗Pcu(T)如式(9)、式(10)及式(11)：
Figure BDA0001959347710000052
Figure BDA0001959347710000053
ρcu(T)＝ρcu,20℃(1+0.004(T-20)) (11)
其中，Rph(T)为绕组电阻，Irms为定子电流，lw为导线线长，Sw为导线截面积，ρcu(T)为铜电阻率，ρcu,20℃为温度在20℃时的铜电阻率，且ρcu,20℃＝17.8×10-9Ω。
铁损耗Pfe(T)如式(12)：
Pfe(T)＝Phy+Pcl(T)+Pex(T) (12)
其中，Phy为滞后损耗，Pcl(T)为经典损耗，Pex(T)为过量损耗。
将各损耗表示为关于磁通密度B和基本频率f的函数，得到如式(13)的铁损耗Pfe(T)：
Figure BDA0001959347710000061
其中，
Figure BDA0001959347710000062
B为磁通密，f为基本频率，且f＝1/Tp，Tp为一个电周期，a、b、c和e分别为滞后损耗、经典损耗和过量损耗中的系数，通过在爱泼斯坦方圈上根据磁通密度B和基本频率f的铁损测量值在拟合程序中求得。
基于此，混合电源驱动系统由温度效应引起的总功率损耗如式(14)所示：
Pto＝Pbat+Puc+Ps+Pm (14)
温度效应抑制的目标为最小化混合电源驱动系统的总功率损耗Pto，由于损耗不可叠加，需要分别对系统各个组成部分(包括蓄电池、超级电容器、功率变换器及驱动电机)进行功率损耗最小化，因此本发明基于乘除优化方法，根据蓄电池、超级电容器、功率变换器及驱动电机的功率损耗建立最小化系统总功率损耗的目标函数及相应的约束条件，求解后分别得到蓄电池功率损耗、超级电容器功率损耗、功率变换器功率损耗及驱动电机功率损耗的最小值，实现系统总功率损耗的最小化。在该优化方法中，将针对蓄电池功率损耗最小化、超级电容器功率损耗最小化、功率变换器功率损耗最小化及驱动电机功率损耗最小化的多目标优化问题转化为单目标优化问题，简化了优化目标复杂度的同时，大大减少了计算量、节约了计算时间。
具体，基于乘除优化方法建立的目标函数如式(15)：
Figure BDA0001959347710000063
约束条件如式(16)：
Figure BDA0001959347710000064
其中，
Figure BDA0001959347710000065
为蓄电池输出电流Ibat的最小值，
Figure BDA0001959347710000066
为蓄电池输出电流Ibat的最大值，
Figure BDA0001959347710000071
为超级电容器输出电流Iuc的最小值，
Figure BDA0001959347710000072
为超级电容器输出电流Iuc的最大值，
Figure BDA0001959347710000073
为开关管开关频率fs的最小值，
Figure BDA0001959347710000074
为开关管开关频率fs的最大值，
Figure BDA0001959347710000075
为定子电流Irms的最小值，
Figure BDA0001959347710000076
为定子电流Irms的最大值。
在优化过程中，根据约束条件，采用微分进化算法对目标函数进行求解得到蓄电池功率损耗Pbat的最小值
Figure BDA0001959347710000077
超级电容器功率损耗Puc的最小值
Figure BDA0001959347710000078
功率变换器功率损耗Ps的最小值
Figure BDA0001959347710000079
及驱动电机功率损耗Pm的最小值
Figure BDA00019593477100000710
即得到了混合电源驱动系统由温度效应引起的总损耗Pto的最小值：
Figure BDA00019593477100000711
进而实现了混合电源驱动系统温度效应的抑制。

Claims (6)

1.一种车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法，其特征在于，应用于车载混合电源驱动系统，所述混合电源驱动系统中包括混合电源、功率变换器及驱动电机，其中，混合电源中包括用于提供能量的蓄电池及用于提供功率的超级电容器，功率变换器中包括DC/DC变换器和DC/AC逆变器，且蓄电池直接与直流母线连接，超级电容器串联所述DC/DC变换器后与蓄电池并联连接，驱动电机通过DC/AC逆变器与直流母线连接；所述车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法包括：
S10分别建立蓄电池、超级电容器、功率变换器及驱动电机的温度模型，并根据建立的温度模型得到电动汽车运行过程中蓄电池、超级电容器、功率变换器及驱动电机在温度效应作用下的功率损耗；
S20基于乘除优化方法，根据蓄电池、超级电容器、功率变换器及驱动电机的功率损耗建立最小化系统总功率损耗的目标函数及相应的约束条件，将针对蓄电池功率损耗最小化、超级电容器功率损耗最小化、功率变换器功率损耗最小化及驱动电机功率损耗最小化的多目标优化问题转化为单目标优化问题；
S30根据所述约束条件，采用微分进化算法对所述目标函数进行求解分别得到蓄电池功率损耗、超级电容器功率损耗、功率变换器功率损耗及驱动电机功率损耗的最小值，实现混合电源驱动系统温度效应的抑制。
2.如权利要求1所述的车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法，其特征在于，在步骤S10中，
蓄电池等效为开路电压与等效内部阻抗串联的结构，满足：
Ubat＝Uoc-Ibat×Zeq+ΔE(T)
蓄电池的荷电状态SOC为：
Figure FDA0002404381350000011
蓄电池由温度效应引起的功率损耗Pbat为：
Figure FDA0002404381350000012
其中，Ubat为蓄电池的输出电压，Uoc为蓄电池的开路电压，Ibat为蓄电池的输出电流，Zeq为等效内部阻抗，ΔE(T)为蓄电池电压的温度校正因子，SOC0为蓄电池荷电状态的初始值，L为电动汽车的运行周期，T为温度。
3.如权利要求1所述的车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法，其特征在于，在步骤S10中，超级电容器中包括由第一电阻Rf和第一电容Cf串联组成的第一分支、由第二电阻Rm和第二电容Cm串联组成的第二分支、由第三电阻Rs和第三电容Cs串联组成的第三分支及由漏电阻Rleak组成的第四分支，所述第一分支、第二分支、第三分支及第四分支相互并联，且满足：
Figure FDA0002404381350000021
Cf＝1.05C0，
Figure FDA0002404381350000022
Cm＝1.05φ5C0，
Figure FDA0002404381350000023
Cs＝1.05φ3C0，
Figure FDA0002404381350000024
其中，C0为超级电容器的容量初始值，Re为超级电容器的等效串联电阻，Ileak为超级电容器容量的漏电流，Uuc为超级电容器的输出电压；
超级电容器由温度效应引起的功率损耗Puc为：
Figure FDA0002404381350000025
Re(T)＝Tuc(T)×R0
Tuc(T)＝-4.791×10-7×T3+8.54×10-5×T2-5.463×10-3×T+1.105
其中，Iuc为超级电容器的输出电流，Tuc(T)为超级电容器等效串联电阻的温度校正因子，R0为超级电容器等效串联电阻的初始值，Re(T)为超级电容器的等效串联电阻，T为温度。
4.如权利要求1所述的车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法，其特征在于，在步骤S10中，功率变换器中包括DC/DC变换器和DC/AC逆变器，DC/DC变换器和DC/AC逆变器中共包括6个开关管；
功率变换器由温度效应引起的功率损耗Ps为：
Figure FDA0002404381350000026
其中，Udc为直流母线电压，Qrr为开关管的本征二极管的反向恢复电荷，Irm(T)为开关管电流波形的均方根值，IF(T)为本征二极管的额定正向电流，fs为开关管的开关频率。
5.如权利要求2所述的车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法，其特征在于，在步骤S10中，
驱动电机由温度效应引起的功率损耗Pm为：
Pm＝Pcu(T)+Pfe(T)
其中，Pcu(T)为铜损耗，Pfe(T)为铁损耗；
铜损耗Pcu(T)为：
Figure FDA0002404381350000031
Figure FDA0002404381350000032
ρcu(T)＝ρcu,20℃(1+0.004(T-20))
其中，Rph(T)为绕组电阻，Irms为定子电流，lw为导线线长，Sw为导线截面积，ρcu(T)为铜电阻率，ρcu,20℃为温度在20℃时的铜电阻率，且ρcu,20℃＝17.8×10-9Ω，T为温度；
铁损耗Pfe(T)为：
Pfe(T)＝Phy+Pcl(T)+Pex(T)
其中，Phy为滞后损耗，且Phy＝afB2；Pcl(T)为经典损耗，且Pcl(T)＝b(T)f2B2；Pex(T)为过量损耗，且
Figure FDA0002404381350000033
B为磁通密，f为基本频率，且f＝1/Tp，Tp为一个电周期，a为滞后损耗中的系数，b(T)为经典损耗中的系数，c和e(T)分别为过量损耗中的系数。
6.如权利要求1-5任意一项所述的车载混合电源驱动系统温度效应的抑制方法，其特征在于，在步骤S20中，系统总功率损耗Pto为：
Pto＝Pbat+Puc+Ps+Pm
建立的目标函数f'为：
Figure FDA0002404381350000041
约束条件为：
Figure FDA0002404381350000042
其中，
Figure FDA0002404381350000043
为蓄电池输出电流Ibat的最小值，
Figure FDA0002404381350000044
为蓄电池输出电流Ibat的最大值，
Figure FDA0002404381350000045
为超级电容器输出电流Iuc的最小值，
Figure FDA0002404381350000046
为超级电容器输出电流Iuc的最大值，fs min为开关管开关频率fs的最小值，fs max为开关管开关频率fs的最大值，
Figure FDA0002404381350000047
为定子电流Irms的最小值，
Figure FDA0002404381350000048
为定子电流Irms的最大值，Pbat为蓄电池由温度效应引起的功率损耗，Puc为超级电容器由温度效应引起的功率损耗，Ps为功率变换器由温度效应引起的功率损耗，Pm为驱动电机由温度效应引起的功率损耗。
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