CN111674269A - 一种电动汽车复合电源系统参数匹配方法 - Google Patents

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崔丽丽
汪建
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Abstract

本发明公开了一种电动汽车复合电源系统参数匹配方法，本发明在电动汽车的复合电源系统参数匹配中，建立了电动汽车的续航里程及超级电容、蓄电池总质量为目标函数,以动力电池单体和超级电容器单体的容量为优化变量的多目标优化模型,并利用加权系数法进行求解。通过以上方法可以计算优化出满足性能指标的动力系统参数,从而减少复合电源系统总质量,增加电动汽车续驶里程。

Description

一种电动汽车复合电源系统参数匹配方法
技术领域
本发明属于电动汽车的复合电源系统领域，具体涉及一种电动汽车复合电源系统参数匹配方法。
背景技术
近年来，随着汽车工业的迅速发展，全球机动车保有量的不断增长，以及环境问题和能源问题成为了全球关注的热点。电动汽车复合电源系统决定了汽车运行时的各项性能指标,通过对复合电源系统参数进行合理的匹配及优化,可以有效提升汽车运行性能指标。传统的电动汽车复合电源系统的匹配方法,需要满足汽车的整车动力性的要求如最高车速、加速时间和最大爬坡度等。当电动汽车复合电源中存在蓄电池和其他储能元件共同作为能量供应源时,各自的能量和功率容量决定了整车的动力性,二者合适的匹配可以节省不必要的成本,增加电动汽车续航里程，优化整车性能。
发明内容
本发明是针对现有的电动汽车复合电源系统参数匹配方法的不足，提出一种电动汽车复合电源参数匹配方法。该方法可以合理的分配蓄电池和超级电容容量，减少电动汽车复合电源系统质量及增加电动汽车续航里程。
本发明提供一种电动车复合电源系统参数匹配方法是通过综合考虑电动汽车的动力性和经济性的基础上,求解电源系统参数优化模型,得到最优的蓄电池和超级电容参数,从而减少电源系统质量,增加续驶里程。
具体包括以下步骤：
步骤一：典型循环工况复合电源系统需求分析
对典型循环工况进行统计分析，得到典型循环工况正峰值功率；其中循环工况是车辆实际行驶状态的反映，可以为车辆的排放或能量消耗量提供评价、检测标准，并可为车辆的参数匹配优化提供参考依据。在复合储能系统参数匹配时分别对城市道路循环工况(UDDS)、纽约城市循环工(NYCC)、中国典型城市循环工况(CHINA_CITY)工况3个典型循环工况进行统计分析。
步骤二：初步确定复合电源系统能量配置
复合储能系统是由大比能量的动力电池组与高比功率的超级电容器组成，针对动力电池组，使其能够满足纯电动汽车的续驶里程；并在此基础上，超级电容器组所储存的能量应能满足一定时间内持续提供峰值助力功率所需的能量值；
步骤三：确定复合电源系统功率配置
纯电动汽车复合电源系统提供的总功率应该满足步骤一中得到的最大的正峰值功率；据仿真数据可知，三个典型循环工况中，UDDS工况的正峰值功率最大，由此可配置超级电容和蓄电池提供的最大功率必须满足大于UDDS正峰值功率。
步骤四：复合电源系统参数匹配优化
由复合储能系统能量及功率配置知，得到在动力电池组具有不同并联支路数和超级电容器组具有不同并联支路数的情况下动力电池单体与超级电容器单体的容量取值范围，如表1所示；
Figure BDA0002502070340000021
以复合储能系统的总质量Mtotal和续航里程Stotal两个指标为优化目标来构造一个多目标优化函数，以动力电池单体和超级电容器单体的容量为优化变量，对复合储能系统的关键参数进一步优化。其中目标函数如公式(1)、(2)和公式(3)。
J(x)＝αMtotal+βStotal (1)
Mtotal＝Nbats.Nbatp.Mbat+Nucs.Nucp.Muc (2)
Figure BDA0002502070340000022
式中α是复合电源蓄电池和超级电容总质量的加权系数，β是续航里程的加权系数；Mbat为蓄电池单体质量；Muc为超级电容单体质量,Nbats为复合电源蓄电池每一并联支路中单体数量,Nbatp为复合电源蓄电池并联支路数量，Nucs为超级电容器组每一并联支路中单体数量；Nucp为超级电容器组并联支路数量；Cbatcell为动力电池单体的容量值；Ubatcell为动力电池单体的额定电压，v为恒定车速，Preq为恒定车速下所需求的功率；
在α、β取不同系数时，通过加权系数法来确定电动汽车的续航里程及超级电容、蓄电池总质量加权最优。
有益效果：在电动汽车的复合电源系统参数匹配中，建立了电动汽车的续航里程及超级电容、蓄电池总质量为目标函数,以动力电池单体和超级电容器单体的容量为优化变量的多目标优化模型,并利用加权系数法进行求解。通过以上方法可以计算优化出满足性能指标的动力系统参数,从而减少复合电源系统总质量,增加电动汽车续驶里程。
附图说明
图1本发明复合电源系统参数匹配图
具体实施方式
现结合附图对本发明专利详细描述如下：
如附图1所示，本发明提供了一种电动汽车复合电源系统参数方法，具体该方法是以电动汽车的续航里程及超级电容、蓄电池总质量为目标函数,以动力电池单体和超级电容器单体的容量为优化变量的多目标优化。
实施步骤如下：
步骤一：典型循环工况复合电源系统需求分析
本实施例以某汽车有限公司某型号纯电动车为研究对象。该电动汽车整车基本参数如表2所示：
Figure BDA0002502070340000031
根据整车基本参数，在对城市道路循环工况(UDDS)、纽约城市循环工(NYCC)、中国典型城市循环工况(CHINA_CITY)工况3个典型循环工况仿真得出整车对复合储能系统的需求功率及需求能量等参数。由此可知UDDS工况的正峰值功率最大，配置超级电容和蓄电池时，必须将二者所提供的最大功率之和大于UDDS正峰值功率。
步骤二：初步确定复合电源系统能量配置
动力电池组的能量配置是通过纯电动汽车的一次充电续驶里程来决定的。假设纯电动汽车行驶在平坦的良好路面上，并且以60km/h的速度匀速行驶续驶里程为300km，其计算公式(1)所示。
Figure BDA0002502070340000041
式中，S为总续驶里程，km；E300为续驶里程300km时动力电池提供的能量，kw·h；Preq为恒定车速下所需求的功率，kw；v为恒定车速，km/h。
动力电池组的能量计算公式(2)所示：
Ebat＝CbatcellUbatcellNbatsNbatp (2)
式中，Ebat为动力电池组所储存的能量值，W·h；Cbatcell为动力电池单体的容量值，A·h；Ubatcell为动力电池单体的额定电压3.2V；Nbats为复合电源蓄电池每一并联支路中单体数量,Nbatp为复合电源蓄电池并联支路数量。
由动力电池组所储存的能量值应满足纯电动汽车续航里程300km所需的能量,其计算公式(3)所示：
Ebat≥1000E300 (3)
由(2)(3)式可得动力电池单体容量约束表达式：
Figure BDA0002502070340000042
超级电容所提供的能量应满足：当车辆在5秒内从由静止加速到50km/h状态的过程中，能够供应整个加速过程中的电机峰值功率需求。
Figure BDA0002502070340000043
式中，Eucmax为超级电容提供的最大能量，(J)；ta为静止加速到50km/h所用时间；Ptotal为驱动电机的峰值功率；ηmc为电机的转换效率；ηDC/DC为DC/DC变换器的效率。
超级电容组提供的能量，由计算公式(6)所示：
Figure BDA0002502070340000044
式中，Euc为超级电容的提供的能量；Nucs为超级电容器组每一并联支路中单体数量；Nucp为超级电容器组并联支路数量；Cuccell为超级电容器单体额定容量；Uucmax为超级电容器单体最高工作电压；Uucmin为超级电容器单体截止工作电压，最高工作电压的一半。
由(5)(6)式可得超级电容单体容量约束表达式：
Figure BDA0002502070340000051
步骤三：确定复合电源系统功率配置
电动汽车复合储能系统提供的总功率应该满足三个典型循环工况中最大的正峰值功率，可知三个典型循环工况中，UDDS工况的正峰值功率最大。则得复合储能系统功率约束条件式，如计算公式(8)所示：
Pbat+Puc≥Pcymax (8)
Pbat＝Pavg (9)
Puc＝NucsNucpmuccellρuc (10)
式中,Pcymax为三个典型循环工况中最大的正峰值功率，kW；Pavg为三个典型循环工况中最大的平均正功率；muccell为单体超级电容质量；ρuc为超级电容比功率。
步骤四：复合电源系统参数匹配优化
根据确定的复合储能系统三个约束方程，式(4)、式(7)、式(8)
可以得到在动力电池组具有不同并联支路数和超级电容器组具有不同并联支路数的情况下动力电池单体与超级电容器单体的容量取值范围，如表3。
Figure BDA0002502070340000052
以复合储能系统的总质量Mtotal和续航里程Stotal两个指标为优化目标来构造一个多目标优化函数，以动力电池单体和超级电容器单体的容量为优化变量，对复合储能系统的关键参数进一步优化。其中目标函数如公式(11)、(12)和公式(13)。
J(x)＝αMtotal+βStotal (11)
Ctotal＝Nbats.Nbatp.Mbat+Nucs.Nucp.Muc (12)
Figure BDA0002502070340000061
式中α、β分别是复合电源蓄电池和超级电容总质量和续航里程的加权系数；Mbat为蓄电池单体质量；Muc为超级电容单体质量。
在α、β取不同系数时，通过加权系数法来确定电动汽车的续航里程及超级电容、蓄电池总质量加权最优。

Claims (1)

1.一种电动汽车复合电源系统参数匹配方法，其特征在于：
步骤一：典型循环工况复合电源系统需求分析
对典型循环工况进行统计分析，得到典型循环工况正峰值功率；
步骤二：初步确定复合电源系统能量配置
针对动力电池组，使其能够满足纯电动汽车的续驶里程；并在此基础上，超级电容器组所储存的能量应能满足一定时间内持续提供峰值助力功率所需的能量值；
步骤三：确定复合电源系统功率配置
纯电动汽车复合电源系统提供的总功率应该满足步骤一中得到的最大的正峰值功率；
步骤四：复合电源系统参数匹配优化
由复合储能系统能量及功率配置知，得到在动力电池组具有不同并联支路数和超级电容器组具有不同并联支路数的情况下动力电池单体与超级电容器单体的容量取值范围，如表1所示；
Figure FDA0002502070330000011
以复合储能系统的总质量Mtotal和续航里程Stotal两个指标为优化目标来构造一个多目标优化函数，以动力电池单体和超级电容器单体的容量为优化变量，对复合储能系统的关键参数进一步优化；其中目标函数如公式(1)、(2)和公式(3)；
J(x)＝αMtotal+βStotal (1)
Mtotal＝Nbats.Nbatp.Mbat+Nucs.Nucp.Muc (2)
Figure FDA0002502070330000012
式中α是复合电源蓄电池和超级电容总质量的加权系数，β是续航里程的加权系数；Mbat为蓄电池单体质量；Muc为超级电容单体质量,Nbats为复合电源蓄电池每一并联支路中单体数量,Nbatp为复合电源蓄电池并联支路数量，Nucs为超级电容器组每一并联支路中单体数量；Nucp为超级电容器组并联支路数量；Cbatcell为动力电池单体的容量值，；Ubatcell为动力电池单体的额定电压，v为恒定车速，Preq为恒定车速下所需求的功率；
在α、β取不同系数时，通过加权系数法来确定电动汽车的续航里程及超级电容、蓄电池总质量加权最优。
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