能源效率最大化優(yōu)化下的混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種能源效率最大化優(yōu)化下的混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源及其方法。該復(fù)合電源包括蓄電池、超級(jí)電容器以及DC/DC變換器，超級(jí)電容器與DC/DC變換器串聯(lián)后再與蓄電池并聯(lián)。該優(yōu)化方法為：建立蓄電池、超級(jí)電容器以及DC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型；求解出中各個(gè)模型的損耗和總功率損耗；歸納總損耗的限制條件，得到能源效率最大化的優(yōu)化模型；采用近似規(guī)劃方法來(lái)求解；將優(yōu)化模型中的目標(biāo)函數(shù)和約束條件近似為線性函數(shù)，再用單純形法求解之，把其符合原始條件的最優(yōu)解作為優(yōu)化模型的最終解。優(yōu)化后復(fù)合電源儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率損耗相比于優(yōu)化前大大降低，能源利用率得到提高。蓄電池和超級(jí)電容器高效率區(qū)的工作點(diǎn)增多，同時(shí)分布得更加密集。
【專利說(shuō)明】能源效率最大化優(yōu)化下的混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種混合動(dòng)力汽車的儲(chǔ)能裝置及其能源效率優(yōu)化方法，超級(jí)電容器經(jīng) 過(guò)DC/DC變換器與蓄電池并聯(lián)構(gòu)成復(fù)合電源，并對(duì)復(fù)合電源能源效率進(jìn)行優(yōu)化。

【背景技術(shù)】
[0002] 由于石油價(jià)格的不斷上漲和全球氣候變暖問(wèn)題的日益惡化，汽車行業(yè)一直在探索 一條以提高燃油利用率和減少二氧化碳排放量為目的的解決方案，混合動(dòng)力汽車憑借其節(jié) 能、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)發(fā)展成為一種必然趨勢(shì)。
[0003] 但是，目前混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性能仍比不上傳統(tǒng)燃油汽車，其主要原因在于蓄 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)其比功率較低、循環(huán)壽命短，混合動(dòng)力汽車在瞬時(shí)啟動(dòng)和加速時(shí)電池難以滿 足負(fù)載高功率密度需求以及在快速制動(dòng)時(shí)的能量充分回收，從而大大地限制了混合動(dòng)力汽 車的快速發(fā)展。針對(duì)這一問(wèn)題，超級(jí)電容器憑借其高功率密度、充放電速度快和循環(huán)壽命長(zhǎng) 等優(yōu)點(diǎn)提供了有效的解決方案。將蓄電池與超級(jí)電容器相結(jié)合構(gòu)成復(fù)合電源來(lái)對(duì)蓄電池進(jìn) 行功率補(bǔ)償，這無(wú)疑會(huì)給混合動(dòng)力汽車儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來(lái)很大的性能提高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種能源效 率最大化優(yōu)化下的混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源及其方法?；旌蟿?dòng)力汽車復(fù)合電源由蓄電池、超 級(jí)電容器和DC/DC變換器組成，超級(jí)電容器通過(guò)DC/DC變換器自動(dòng)調(diào)節(jié)自身電壓與電池匹 配工作，有效地保護(hù)了蓄電池。提高復(fù)合電源系統(tǒng)的能源效率即降低該系統(tǒng)的功率損耗。分 別建立了復(fù)合電源儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池、超級(jí)電容器以及DC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型，求解出 各個(gè)模塊的功率損耗，從而得到復(fù)合電源系統(tǒng)的總功率損耗。歸納總結(jié)出總損耗的限制條 件，就可以得到復(fù)合電源系統(tǒng)能源效率最大化的優(yōu)化模型，由于該優(yōu)化模型屬于非線性規(guī) 劃范疇，故采用近似規(guī)劃方法來(lái)求解。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 能源效率最大化優(yōu)化下的混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源，包括蓄電池、超級(jí)電容器以及 DC/DC變換器，超級(jí)電容器與DC/DC變換器串聯(lián)后再與蓄電池并聯(lián)，蓄電池作為主要電源， 超級(jí)電容器與雙向DC-DC變換器串聯(lián)構(gòu)成輔助電源。
[0007] 能源效率最大化優(yōu)化下的混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源的模型優(yōu)化方法，具體包括如下 步驟：
[0008] 1)建立蓄電池、超級(jí)電容器以及DC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型；
[0009] 2)求解出步驟1)中各個(gè)模型的損耗，從而得到復(fù)合電源系統(tǒng)的總功率損耗； [0010] 3)歸納總結(jié)出總損耗的限制條件，得到復(fù)合電源系統(tǒng)能源效率最大化的優(yōu)化模 型；由于該優(yōu)化模型屬于非線性規(guī)劃范疇，采用近似規(guī)劃方法來(lái)求解；
[0011] 4)將優(yōu)化模型中的目標(biāo)函數(shù)和約束條件近似為線性函數(shù)，并對(duì)變量的取值范圍加 以限制，得到一個(gè)近似線性規(guī)劃問(wèn)題，再用單純形法求解之，把其符合原始條件的最優(yōu)解作 為優(yōu)化模型的最終解。
[0012] 進(jìn)一步，所述蓄電池模型是一個(gè)集四種參數(shù)于一體的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，這四種參數(shù)包括 蓄電池荷電狀態(tài)soc b，表面溫度Tb和與內(nèi)部電容器相關(guān)的兩種電壓;超級(jí)電容器 模型由內(nèi)部電容器Cu。，并聯(lián)電阻if"以及串聯(lián)電阻組成；DC/DC變換器為雙向DC/DC變 換器，結(jié)構(gòu)為非隔離半橋結(jié)構(gòu)；所述優(yōu)化模型所針對(duì)的目標(biāo)函數(shù)為：
[0013] min (Φ hess) = min (Φ b+ Φ uc+ Φ dcdc)
[0014] 其中，Otess為混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源儲(chǔ)能系統(tǒng)總損耗；Φ『"為蓄電池的內(nèi)部損 耗；Φ=為超級(jí)電容器的內(nèi)部損耗；Φ dc;d。為DC/DC變換器的內(nèi)部損耗。
[0015] 進(jìn)一步，所述蓄電池為蓄電池組，由個(gè)相同的電池單體組成，坨為串聯(lián) 個(gè)數(shù)；Mpl為并聯(lián)個(gè)數(shù)；
[0016] 蓄電池模型為：

【權(quán)利要求】
1. 能源效率最大化優(yōu)化下的混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源，其特征在于：包括蓄電池、超級(jí) 電容器以及DC/DC變換器，超級(jí)電容器與DC/DC變換器串聯(lián)后再與蓄電池并聯(lián)，蓄電池作為 主要電源，超級(jí)電容器與雙向DC-DC變換器串聯(lián)構(gòu)成輔助電源。
2. 能源效率最大化優(yōu)化下的混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源的模型優(yōu)化方法，具體包括如下步 驟： 1) 建立蓄電池、超級(jí)電容器以及DC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型； 2) 求解出步驟1)中各個(gè)模型的損耗，從而得到復(fù)合電源系統(tǒng)的總功率損耗； 3) 歸納總結(jié)出總損耗的限制條件，得到復(fù)合電源系統(tǒng)能源效率最大化的優(yōu)化模型；由 于該優(yōu)化模型屬于非線性規(guī)劃范疇，采用近似規(guī)劃方法來(lái)求解； 4) 將優(yōu)化模型中的目標(biāo)函數(shù)和約束條件近似為線性函數(shù)，并對(duì)變量的取值范圍加以限 制，得到一個(gè)近似線性規(guī)劃問(wèn)題，再用單純形法求解之，把其符合原始條件的最優(yōu)解作為優(yōu) 化模型的最終解。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的能源效率最大化優(yōu)化下的混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源的模型優(yōu) 化方法，其特征在于：所述蓄電池模型是一個(gè)集四種參數(shù)于一體的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，這四種參數(shù)包 括蓄電池荷電狀態(tài)SOCb，表面溫度Tb和與內(nèi)部電容器相關(guān)的兩種電壓;超級(jí)電 容器模型由內(nèi)部電容器Cu。，并聯(lián)電阻以及串聯(lián)電阻組成；DC/DC變換器為雙向DC/DC變換器，結(jié)構(gòu)為非隔離半橋結(jié)構(gòu)；所述優(yōu)化模型所針對(duì)的目標(biāo)函數(shù)為：
其中，為混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源儲(chǔ)能系統(tǒng)總損耗；為蓄電池的內(nèi)部損耗； 為超級(jí)電容器的內(nèi)部損耗；〇dc;d。為DC/DC變換器的內(nèi)部損耗。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的能源效率最大化優(yōu)化下的混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源的優(yōu)化模 型，其特征在于：所述蓄電池為蓄電池組，由Af1x/VP個(gè)相同的電池單體組成，Af為串聯(lián) 個(gè)數(shù)；為并聯(lián)個(gè)數(shù)； 蓄電池模型為：
其中，為單體電池的電流；電池電阻 < 和電容Cf取決于電池的SOC和溫度；Qb為 電池額定存儲(chǔ)容量;mb為電池質(zhì)量；cb為比熱容；Eb為帶有冷卻系統(tǒng)的交換表面； 冷卻溫度；h為導(dǎo)熱系數(shù)；Of為電池內(nèi)部損耗； 蓄電池的內(nèi)部損耗?，為：
其中，iC為電池的內(nèi)阻；ab為電池內(nèi)部損耗因子。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的能源效率最大化優(yōu)化下的混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源的優(yōu)化模 型，其特征在于：所述超級(jí)電容器由個(gè)電容單體組成，為串聯(lián)個(gè)數(shù)；A/，為 并聯(lián)個(gè)數(shù)； 超級(jí)電容器模型為：
其中，與超級(jí)電容器內(nèi)部的漏電流相關(guān)；<丨"為單體電容器的電流；Qu。為電容器 額定存儲(chǔ)容量；mu為電容器質(zhì)量；cu為比熱容；Eu。為帶有冷卻系統(tǒng)的交換表面；T。^為冷 卻溫度；h為導(dǎo)熱系數(shù)；Tu。為表面溫度；化為超級(jí)電容器內(nèi)部電壓，電容器的電容Cu。決定Uc 的大??；SOCb為電容器荷電狀態(tài)；為電容器內(nèi)部損耗； 超級(jí)電容器的內(nèi)部損耗〇=為：
其中，死=為超級(jí)電容器的內(nèi)阻；au。為超級(jí)電容器的內(nèi)部損耗因子。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的能源效率最大化優(yōu)化下的混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源的優(yōu)化模 型，其特征在于：所述DC/DC變換器為雙向DC/DC變換器； DC/DC變換器模型為：
其中，Lded。為帶有阻性Rded。的濾波電感；Iu。為電容器電流；Uu。為電容器電壓；Ub為蓄 電池組電壓；D為占空比； DC/DC變換器的內(nèi)部損耗〇ded。為：
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的能源效率最大化優(yōu)化下的混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源的優(yōu)化模 型，其特征在于：所述約束條件為：
其中，0為電池組電壓范圍約束因子。
【文檔編號(hào)】B60L11/18GK104477045SQ201410696036
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】王琪, 孫玉坤 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)