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重庆大学张永志教授团队:抑制电池老化的电动汽车最优速度轨迹控制策略研究

日期: 来源:能源学人收集编辑:GEITS编辑部

重庆大学张永志教授团队:抑制电池老化的电动汽车最优速度轨迹控制策略研究

近日,重庆大学张永志教授团队在本期刊上发表了题为“Development of optimal speed trajectory control strategy for electric vehicles to suppress battery aging”的研究论文。该论文探究了对纯电动汽车速度轨迹进行优化控制,进而减少动力电池老化的问题。结果表明,在考虑道路交通信息的情况下,通过优化目标车辆的速度轨迹,可以有效减少车辆可再生制动的发生。在满足实时优化的前提下,目标车辆相对于前车电池容量衰退减少33.02%,很大程度上延长了电池的使用寿命。

本文选自Green Energy and Intelligent Transportation 2022年第2期

研究背景

现如今,对传统内燃机汽车的使用不仅加速了化石燃料的消耗,其污染物的排放也成为恶化城市空气质量的主要因素之一。电动汽车因其具有零排放和低能耗等优点,得到了快速发展。然而,动力电池寿命短、成本高、容量低等缺点阻碍了电动汽车的进一步推广与应用。因电动汽车具有再生制动的特性,所以通过优化车辆速度进而抑制再生制动的发生为减少电池老化提供了可能性研究。但是,针对电动汽车主要是优化速度以减少电池能量消耗,对抑制电池老化方面研究较少。此外,对只有电池这唯一动力源的纯电动汽车而言,无法通过能量管理策略来降低电池老化,且车辆速度的变化会直接影响电池的状态。因此,通过研究如何控制车辆速度来延长电池寿命将更具有挑战性

文章简介

01

模型构建

本文通过构建车辆纵向动力学模型、电机模型、电池模型以及电池容量衰退模型将电池老化与车辆速度相关联,即利用电动汽车电机特性建立驱动和再生制动两种模式下的电机模型,进而利用等效电路模型来描述电池状态,建立电池活性物质损失模型来描述电池老化。之后建立状态量为速度、行驶距离和SOC的状态方程,并将其离散化处理。考虑对车辆速度的实时更新,将优化时间限制在了1s之内,然后建立以电池容量衰退最小为目标函数的优化模型。

02

仿真/研究方法设置

图1展示了本文的研究方法。本文在交通流的情况下,约束目标车辆的速度、加速度以及和前车的安全行驶距离等条件,以电池容量衰退最小为优化目标,利用MPC控制实现对车辆速度的实时更新。选取UDDS工况作为前车的行驶速度,在约束条件下优化目标车辆的行驶速度。利用电动汽车Tesla Model 3的参数进行仿真实验,其中,由于电池开路电压和电阻随时间的变化速率远小于SOC变化率,本文假设短时间内两者均为常数。

图 1  MPC原理示意

03

研究结果

由于电机特性在电动汽车制动时会导致一部分能量的回收,这虽然可以减少能量的消耗,但是无疑会增加电池的老化。为减少再生制动的发生,本文通过优化车辆行驶速度进而抑制电池老化。结果表明,该优化策略可以减少车辆速度波动,使其速度曲线更加平滑,避免了猛加速或猛减速行为,同时减少车辆的再生制动发生时间。根据电机输出值可以看出其负值时间较少,对应其减少了再生制动发生时间,如图2(a)、2(b)。
图 2 车辆速度(a)和电机扭矩(b)
为进一步研究MPC优化段数对结果的影响,选取了25、30、35、40四种优化段数来进行实验。通过结果对比,可以看出随着优化段数的增加,电池的容量衰退相对于前车减少的越多,但是其计算时间也会有所增加,另一方面,因为减少了部分能量的回收,导致在行驶相同里程的情况下,目标车辆所消耗的能量要高于前车,如图3(a)、3(b)。综合考虑电池老化减缓以及对车辆速度的实时性控制需求,可选择 N=30 来优化目标车辆速度曲线。结果表明,目标车辆相对于前车电池容量衰退可减少33.02%,很大程度上延长了电池的使用寿命

图 3 不同优化段数电池老化(a)和计算时间(b)


论文信息

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2773153722000305

引用格式:

Yuanwei Jia, Guoqing Luo, Yongzhi Zhang, Development of optimal speed trajectory control strategy for electric vehicles to suppress battery aging, Green Energy and Intelligent Transportation, Volume 1, Issue 2, 2022, 100030. https://doi.org/10.1016/j.geits.2022.100030.


作者简介

贾元威(第一作者),重庆大学机械与运载工程学院硕士研究生,主要从事锂离子电池健康管理的研究。

张永志(通讯作者),重庆大学机械与运载工程学院教授/博导。主要从事电化学储能、电池管理与控制、健康状态估计等方面的研究,主持或参与国家、省部级重点研发计划子课题、瑞典查尔姆斯理工大学基金等课题多项,发表论文近20篇,入选ESI高被引论文5篇、IEEE TVT车辆电子最佳论文奖1篇,电动汽车国际学术会议最佳论文奖2篇。授权国家发明专利6项。

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期刊简介


Green Energy and Intelligent Transportation(《新能源与智能载运》)是由北京理工大学(BIT)和爱思唯尔出版集团(Elsevier)共同打造的综合性高水平国际化英文科技期刊,采用开放获取(OPEN ACCESS, OA)平台出版。本刊已入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。

期刊由中国工程院院士、科睿唯安“全球高被引科学家”、北京理工大学孙逢春教授担任主编,国家万人计划、科技部中青年科技创新领军人才、北京理工大学王震坡教授和IET Fellow、国家基金委优秀青年获得者、北京理工大学熊瑞教授担任期刊执行主编。

办刊宗旨

本刊以刊发国际一流学术成果、引领新能源与智能载运科技创新、服务“交通强国”发展战略为宗旨,旨在聚焦国际绿色能源技术、先进储能技术以及具有低碳化、电动化、智能化、共享化等促进交通可持续发展的应用技术,为国内外专业研究学者和工程技术专家提供高水平的学术交流和信息传播平台。

聚焦领域


  • 先进储能系统与技术

  • 交通电动化、智能化与网联化

  • 电动运输与电网的相互关系

  • 牵引用电力电子设备

  • 绿色智能交通基础设施

  • 载运智能化与可持续发展

  • 新材料与轻量化技术在载运工具中的应用

  • 绿色交通与可持续发展(包括碳中和)

  • 人工智能、新材料和新技术的应用

办刊成果

本刊已入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。期刊收录文章将在Elsevier官方网站ScienceDirect平台上为广大读者提供免费阅读和下载服务。

投稿网址

https://www.editorialmanager.com/geits/default1.aspx

期刊网址

https://www.journals.elsevier.com/green-energy-and-intelligent-transportation/

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公众号内容由Green Energy and Intelligent Transportation期刊编辑部撰写

编辑:徐宁

审核:李炳泉

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