混合动力越野车储能系统的信息物理（CPS）控制策略外文翻译资料

 2022-08-13 13:19:35

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混合动力越野车储能系统的信息物理（CPS）控制策略

Hong Wang, Member, IEEE, Yanjun Huang, and Amir Khajepour[1]

摘 要

本文的主要目的是研究一种混合动力越野车储能系统的信息物理（CPS）控制策略。本文的创新体现在三个方面。首先，将混合动力储能系统(HESS)应用于混合动力越野车，研究其与传统纯电池及超级电容电池组（UC)动力汽车相比的潜在优势。超级电容与电池耦合后，其潜在优势在于能够减少成本、缩小空间和降低重量。其次，提出了一种基于平均功率的模型预测控制方法，解决了多能源汽车的能源管理问题。通过建模，引入考虑电池寿命的多目标优化问题。最后，通过一个对比研究，分析了所设计出的混合动力储能系统与传统的超级电容电池组及纯电池组的储能系统相比，其优势所在。结果表明，在混合动力越野车中采用混合动力储能系统可以减少成本、缩小空间和降低重量。具体表现在与纯电池和超级电容组的储能系统相比，我们的储能系统(ESS)的成本分别降低了36%和32.5%。

关键词：基于平均功率的模型预测控制(MPC)、电池老化、信息物理系统（CPS）、能源管理策略(EMS)、混合动力储能系统(HESS)、混合动力履带式推土机(HETB)

v

推土机速度 m/s.

X

推土机板磨损长度 m.

FE

外部驱动电阻 N.

eta;g

发电机的效率

FT

操作电阻 N.

I0

超级电容的理想输出电流 A.

hp

推土机平均挖掘深度 m.

Icap

超级电容的实际输出电流 A.

mu;1

土体间颗粒摩擦系数

Vmax

超级电容的最大电压 V.

G

载具重量 N.

E (t)

超级电容容量 J.

B

轨道宽度 m.

Ecap

超级电容最大容量 J.

L

轨道长度 m.

eta;cap

超级电容的效率

c

土体粘聚系数 kPa.

Vbat

电池开路电压 V.

Psi;

土体摩擦角 °.

Rb

电池的等效电阻 mOmega;.

k

土体变形量, kN/mn 2.

Ibat

电池电流 A.

n

土体变形指数.

Ubat

电池端电压 V1.

Z

轨道下沉 m.

Q0

电池的初始容量 Ah.

gamma;

单位体积土体重量 N/m3.

Qmax

电池的最大容量 Ah.

Ngamma; ,Nc

土体Terzaghi系数

VL

超级电容的终端电压

mu;2

板与土体的摩擦系数

Vcap

超级电容开路电压

V

板前土体体积 m3.

Puc

超级电容输出功率 kW.

alpha;0

土体自然倾斜角 °.

Pbatt

电池输出功率 kW.

theta;

坡度 °.

eta;batt

电池的效率

H

推土机板高度 m.

C

超级电容的等效电容 F.

B1

推土机板的宽度 m.

SOC

电池的充电状态

Gt

推土板前土体质量 N.

SOE

超级电容的能量状态

kb

单位面积切削力 MPa.

Rs

电容的等效串联电阻 mOmega;.

ks

土体松散度系数

Rp

等效并联电阻的电容 mOmega;.

km

土体填充度系数

C minus; rate

电池充电速率 1/h.

delta;

推土机板切削角 °.

命名方式

1引言

1.1动机与技术挑战

随着混合动力汽车和越野车的高速发展，为解决严重的空气污染和化石燃料消耗问题，在混合动力汽车（HEVs）储能系统(ESS)辅助发动机和存储再生制动能量方面做出了重要的努力。一般情况下，混合动力汽车中的ESS单元应满足不同驱动周期中所需的能量和功率。电池和超级电容为主要的电气元件，具有各自的特点。电池寿命比超级电容寿命短很多，而超级电容寿命受到很多因素的影响，比如充放电速率[3]，放电深度(DOD)[4]，高放电电流，工作温度[5]。电池的特性包括低功率密度和高能量密度，此外，当它们频繁充放电[3][5]时，其降解速度可能会加快。作为一种辅助用ESS, 超级电容具有功率密度高、寿命长、效率高、工作温度范围广等优点。因此，将超级电容与电池相结合的混合储能系统(HESS)，其综合性能优于单独配备超级电容或电池，这一技术在近年来引起了大量的关注。

1.2越野式混合动力汽车

越野HEV，例如混合动力电动履带推土机（HETB），与公路HEV不同[14]。越野HEV中的辅助装置（如推土机）需要大量功率，这一点不容忽视。此外，辅助设备需要能够很快激活。因此，超级电容似乎比电池更合适，因为超级电容可以快速提供大功率，而不会明显影响其寿命。基于这样的分析，我们之前的研究工作[8]中所报道的美国卡特彼勒公司和中国山推工程机械有限公司生产的D7E-HETB等混合动力推土机均采用传统超级电容组作为唯一的ESS。然而，在HETB中仅使用超级电容组的主要缺点是总成本高、附加体积大、附加重量大。此外，通过对HETB典型工况的分析，可以看出整个循环的一半左右仍然消耗50kw的恒定功率。根据上述分析，将HESS引入HETB是合理且有益的。HETB的拟议动力系统如图1所示，其中HESS由超级电容组件和电池组成，辅助动力单元（APU）系统包括发动机和发电机。

1.3信息物理系统（CPS）方法

信息物理系统（CPS）是一个网络化的分布式系统，它融合了信息系统（网络过程和计算机）与实体系统(机械、电气和化学过程等)。

图. 1. 混合式履带式推土机的拓扑结构

图. 2. 信息物理系统拓扑

计算设备控制和监视物理过程，通常是在物理影响计算的反馈回路中，反之亦然。混合动力越野车是典型的信息物理系统（CPS）。具体来说，这个信息物理（CPS）系统包括以下子系统：代表“实体”的越野混合动力汽车、代表“信息”的模型预测控制（MPC）控制器和环境。信息物理系统的示意图如图2所示[17]。

1.4. 论着

本论文的主要研究目标是利用信息物理系统（CPS）开发HESS的混合动力越野车的能量管理系统。有三个主要贡献清楚地将我们的努力与以前的研究区分开来。

①将HESS用于混合动力越野车履带式推土机。.

②能量管理采用基于平均功率概念的MPC方法，并且无需任何驱动周期的先验信息。通过建模，建立了考虑电池寿命、燃料经济性和电池输出功率的多目标优化问题。

③通过两个场景验证了仅配置电池、仅配置超级电容和我们所设计的HESS的三种越野车的性能。

1.5

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