面向能耗与电池寿命的电动汽车加速过程优化控制策略研究

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电动汽车动力系统的节能控制方法与其动力电池寿命之间关系的研究已成为目前国内外新能源汽车领域中的研究热点课题之一。论文针对目前常用的电动汽车加速节能控制策略,由于其不仅未全面分析加速过程中的非线性加速方式(如加速度大小及其变化率)和目标车速对电动汽车能耗的相互作用,而且未考虑加速方式所需的动力电池放电电流大小及其变化率对电池寿命的影响,而导致电动汽车节能效果不稳定、电池放电效率低和电池使用寿命短,甚至出现电动汽车能耗升高的难题,研究面向能耗与电池寿命的电动汽车加速过程优化控制策略。研究工作得到广东省重点领域研发计划项目(2019B090911002)和广东省科技计划项目(2014B010106004)资助。论文依据电动汽车节能控制基本原理和动力电池容量衰减机理,以加速过程中的纯电动汽车和插电式混合动力汽车(统称为电动汽车)动力系统为对象,从电动汽车加速过程的能量消耗原理、纯电动汽车加速过程的电能耗与动力电池寿命的相互作用机理和面向能耗与电池寿命的纯电动汽车加速控制策略三方面,开展对面向能耗与电池寿命的电动汽车加速过程优化控制策略的研究工作,其主要内容包括:1、针对目前电动汽车节能加速度控制方法未全面考虑加速过程中的非线性加速方式(如加速度大小及其变化率)和目标车速对电动汽车能耗的相互作用,而导致电动汽车节能效果不稳定,甚至出现电动汽车能耗升高的难题,提出基于最小单位里程能耗的电动汽车加速曲线优化方法。通过电动汽车加速过程中的动力系统能耗实验,分析车速和加速度与电动汽车能耗之间的作用关系;建立加速过程中的电动汽车单位里程能耗模型,从线性单加速度和非线性多加速度方式两方面,讨论了加速过程中的加速度大小及其变化率和目标车速对电动汽车能耗的影响;推导了单加速度直线、单调连续上凸型和下凹型多加速度曲线对应的电动汽车单位里程能耗Eb-j,运用数学归纳法证明了在电动汽车加速过程中的车速低于目标车速的条件下,各条加速曲线的单位里程能耗由高至低的排序为:下凹型多加速度曲线、单加速度直线和上凸型多加速度曲线;此外还讨论了不同加速曲线与电动汽车动力性和乘员舒适性之间的作用关系,并运用遗传算法优化得到最小单位里程能耗的电动汽车多加速度曲线(The electric vehicle multiple accelerations curve with minimum energy consumption per kilometer,简称电动汽车MEPK多加速度曲线),兼顾了电动汽车的能耗经济性、动力性及乘员舒适性。2、针对常用纯电动汽车节能加速度控制方法未考虑加速方式所需的动力电池放电电流大小及其变化率对电池寿命作用,而导致电池容量衰减大和续驶里程短的问题,提出面向能耗与电池寿命的纯电动汽车加速曲线优化方法。研究电动汽车MEPK多加速度曲线与其动力电池放电电流大小及其变化率的关系,建立行驶工况下的纯电动汽车用动力电池容量衰减模型,讨论动力电池放电电流及其变化对其容量利用及其衰减的影响,采用单位里程容量损失率qloss来衡量不同加速工况下动力电池容量的损失情况;研究了电动汽车MEPK多加速度曲线与Eb-j和qloss的相互作用关系,并讨论了首段加速度及加速时间对Eb-j和qloss的相互影响;运用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-II)优化得到兼顾能耗特性与动力电池容量衰减特性的纯电动汽车优化多加速度曲线。3、开展面向能耗与电池寿命的纯电动汽车加速控制策略研究。从电机能耗方面,研究纯电动汽车优化多加速度曲线与永磁同步电机最大转矩电流比(PMSM-MTPA)控制方法和基于电压闭环的弱磁控制方法的相互作用关系;针对纯电动汽车优化多加速度曲线,建立了纯电动汽车车速和加速度与PMSM-MTPA控制的最优dq轴电流的关系;以车速为控制目标,在典型市区加速工况下,提出基于纯电动汽车优化多加速度曲线的PMSM-MTPA控制方法;在典型市郊加速工况下,运用基于电压闭环的弱磁控制以达到市郊工况对应的电机高转速运行区域。并通过对不同加速控制策略下的纯电动汽车能耗、动力电池的容量损失率及电机效率的仿真量化对比分析,验证了该策略在降低Eb-j和qloss以及提高电机效率方面的有效性。4、开展不同加速控制策略的实验研究。进行了不同加速曲线的纯电动汽车动力系统台架实验以及整车实验,对面向能耗与电池寿命的纯电动汽车加速控制策略在降低Eb-j和qloss方面的有效性和可行性进行了实验验证及分析。
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