兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (9): 2791-2801.doi: 10.12382/bgxb.2022.1074
所属专题: 智能系统与装备技术
收稿日期:
2022-11-19
上线日期:
2023-05-29
通讯作者:
HE Qiang*(), LIU Hougang, ZOU Bo, LÜ Bu, CHEN Xulin, DUAN Yu
Received:
2022-11-19
Online:
2023-05-29
摘要:
面对迅猛发展的智能无人车辆及其多任务载荷用电和复杂行驶工况的大功率充放电性能要求,需要新型的储能系统方案来解决现有单一类型储能系统难以适应的问题。基于无人车辆动力性、静音里程等功率与能量性能约束,提出一种以轻量化为目标的混合储能系统(HESS)参数匹配优化方法,以实现储能系统输入输出能力与系统质量的平衡。根据无人车辆对储能系统的基本要求与不同拓扑结构特点,选配最优构型方案;基于车辆性能指标要求进行储能系统匹配计算,优化系统参数,以充分发挥HESS优势。研究结果表明:HESS能够有效减小动力电池大电流的冲击,延长电池使用寿命;新的优化方法可以有效降低能源系统的质量,提升车辆综合性能。
中图分类号:
何强, 刘后刚, 邹波, 吕布, 陈续麟, 段昱. 智能无人车辆混合储能系统选配与参数优化[J]. 兵工学报, 2023, 44(9): 2791-2801.
HE Qiang, LIU Hougang, ZOU Bo, LÜ Bu, CHEN Xulin, DUAN Yu. Selection and Parameter Optimization of Hybrid Energy Storage System for Intelligent Unmanned Vehicles[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(9): 2791-2801.
参数 | 拓扑结构 | |||
---|---|---|---|---|
被动式 | 动力电池 半主动式 | 超级电容 半主动式 | 主动式 | |
控制难度 | 低 | 中 | 中 | 高 |
结构复杂度 | 低 | 中 | 中 | 高 |
系统效率 | 高 | 中 | 中 | 低 |
电容利用率 | 低 | 低 | 高 | 高 |
成本 | 低 | 中 | 中 | 高 |
表1 典型拓扑结构对比
Table 1 Comparison of typical topologies
参数 | 拓扑结构 | |||
---|---|---|---|---|
被动式 | 动力电池 半主动式 | 超级电容 半主动式 | 主动式 | |
控制难度 | 低 | 中 | 中 | 高 |
结构复杂度 | 低 | 中 | 中 | 高 |
系统效率 | 高 | 中 | 中 | 低 |
电容利用率 | 低 | 低 | 高 | 高 |
成本 | 低 | 中 | 中 | 高 |
参数 | 电池类型 | ||
---|---|---|---|
铅酸电池 | 镍氢电池 | 锂离子电池 | |
比功率/(W·kg-1) | 150~400 | 200~400 | 250~450 |
比能量/(Wh·kg-1) | 30~50 | 65~120 | 120~300 |
循环寿命/次 | 400~600 | 600~1200 | 1000~2000 |
使用温度/℃ | -20~40 | -20~50 | -25~60 |
成本 | 低 | 高 | 较高 |
环保性 | 差 | 较好 | 较好 |
表2 动力电池性能对比
Table 2 Battery performance comparison
参数 | 电池类型 | ||
---|---|---|---|
铅酸电池 | 镍氢电池 | 锂离子电池 | |
比功率/(W·kg-1) | 150~400 | 200~400 | 250~450 |
比能量/(Wh·kg-1) | 30~50 | 65~120 | 120~300 |
循环寿命/次 | 400~600 | 600~1200 | 1000~2000 |
使用温度/℃ | -20~40 | -20~50 | -25~60 |
成本 | 低 | 高 | 较高 |
环保性 | 差 | 较好 | 较好 |
参数 | 超级电容种类 | ||
---|---|---|---|
法拉第准电容 | 双电层电容 | 混合电容 | |
电极材料 | 金属氧化物 | 活性炭 | 金属氧化物/碳 |
比功率/(W·kg-1) | 1000~2000 | 1000~3000 | 1000~2000 |
比能量/(Wh·kg-1) | 10~15 | 5~7 | 10~12 |
循环寿命/次 | ≥1000000 | ≥1000000 | ≥1000000 |
成本 | 高 | 较高 | 较高 |
表3 超级电容性能对比
Table 3 Performance comparison of super capacitors
参数 | 超级电容种类 | ||
---|---|---|---|
法拉第准电容 | 双电层电容 | 混合电容 | |
电极材料 | 金属氧化物 | 活性炭 | 金属氧化物/碳 |
比功率/(W·kg-1) | 1000~2000 | 1000~3000 | 1000~2000 |
比能量/(Wh·kg-1) | 10~15 | 5~7 | 10~12 |
循环寿命/次 | ≥1000000 | ≥1000000 | ≥1000000 |
成本 | 高 | 较高 | 较高 |
指标 | 数值 |
---|---|
最高车速/(km·h-1) | 90 |
0~60km/h的加速时间/s | 9 |
最大爬坡度/% | 60 |
最大爬坡时爬坡车速/(km·h-1) | 15 |
越野时车速/(km·h-1) | 30 |
30km/h等速纯电续驶里程/km | 25 |
CHTC循环工况续驶里程/km | 20 |
表4 整车性能指标要求
Table 4 Vehicle performance index requirements
指标 | 数值 |
---|---|
最高车速/(km·h-1) | 90 |
0~60km/h的加速时间/s | 9 |
最大爬坡度/% | 60 |
最大爬坡时爬坡车速/(km·h-1) | 15 |
越野时车速/(km·h-1) | 30 |
30km/h等速纯电续驶里程/km | 25 |
CHTC循环工况续驶里程/km | 20 |
参数 | 数值 |
---|---|
满载质量/kg | 7 000 |
迎风面积/m2 | 5.21 |
风阻系数 | 0.55 |
滚动阻力系数 | 0.035 |
传动效率 | 0.90 |
表5 整车主要参数
Table 5 Main vehicle parameters
参数 | 数值 |
---|---|
满载质量/kg | 7 000 |
迎风面积/m2 | 5.21 |
风阻系数 | 0.55 |
滚动阻力系数 | 0.035 |
传动效率 | 0.90 |
参数 | 数值 |
---|---|
额定电压/V | 3.6 |
额定容量/(A·h) | 45.3 |
充电倍率/Cb | 1.2 |
放电倍率/Cb | 2.0 |
质量/kg | 0.56 |
表6 动力电池参数
Table 6 Parameters of the power battery
参数 | 数值 |
---|---|
额定电压/V | 3.6 |
额定容量/(A·h) | 45.3 |
充电倍率/Cb | 1.2 |
放电倍率/Cb | 2.0 |
质量/kg | 0.56 |
参数 | 数值 |
---|---|
额定电压/V | 3 |
额定容量/F | 3000 |
储能能量/(W·h) | 3.75 |
最大电流/kA | 3.2 |
质量/kg | 0.5 |
表7 超级电容参数
Table 7 Parameters of the super-capacitor
参数 | 数值 |
---|---|
额定电压/V | 3 |
额定容量/F | 3000 |
储能能量/(W·h) | 3.75 |
最大电流/kA | 3.2 |
质量/kg | 0.5 |
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