A Li-Ion Battery/Ultracapacitor Hybrid Power System for Electric Motorcycles

本論文探討電動機車的鋰離子電池與超電容混合電源系統，混合電源具有高能量密度與高功率密度的特色，並且可以回收再生電流，使電動機車可以強加速、長距離行駛又節省電能，混合電源系統之能量管理策略的三個目標是限制電池的最大充電電流和最大放電電流、負載峰值電流由超電容分擔、超電容的蓄電狀態維持在容許範圍，本論文設計的主動式混合電源系統採用兩組直流對直流轉換器，分別控制電池電流和超電容電流，能量管理目標由控制器操控直流對直流轉換器的負荷比率來實現，並採用脈衝電流、步階電流、EM50電動機車行程電流做為負載分別測試主動式混合電源系統，模擬結果顯示電池電流的充放電上限和變化率都可以維持在容許範圍內，達到保護電池的目的，超電容的蓄電狀態全程都維持在容許範圍內，隨時都能提供強加速所需的大電流和回收再生電流，在相同測試條件下，被動式和半主動式混合電源系統無法達成主動式混合電源系統所展現的效能。This thesis presents a design of Li-ion battery/ultracapacitor hybrid power system for electric motorcycles. The hybrid power system consists of a dc/dc converter for controlling electrical current out of the battery, and another dc/dc converter for controlling electrical current out of the ultracapacitor. The energy management strategy directs the power-split controller to manipulate the duty cycles of the converters that splits load power for the battery and ultracapacitor. The energy management tries to constrain battery’s discharge and charge currents, assign urgent load power to the ultracapacitor, and maintain the state-of-charge of the ultracapacitor within permissible range. The hybrid power system is tested respectively with a pulse train, a stepwise function, and a driving cycle of an EM50 electric motorcycle. The simulation results show that the magnitudes of current and change rate of current of the battery satisfy the specifications and no harm occurs on the battery. The state-of-charge of the ultracapacitor retains within the permissible range that makes the ultracapacitor capable of supplying urgent power or retrieving regenerated power at any moment. It is shown that neither passive design nor semi-active design can achieve similar performance under the same test conditions.口試委員審定書 i 誌謝 ii 中文摘要 iii Abstract iv 目錄 v 圖目錄 vii 表目錄 xi 第一章 緒論 1 1.1 簡介 1 1.1.1 系統架構 4 1.1.2 能量管理策略 12 1.2 研究動機與貢獻 14 1.3 論文架構 14 第二章 電動機車電源簡介 16 2.1 鋰離子電池 16 2.1.1 鋰離子電池簡介 16 2.1.2 鋰離子電池的特性 18 2.2 超級電容器 19 2.3 電池-超電容之互補關係 22 第三章 直流對直流轉換器 23 3.1 基本直流對直流轉換器簡介 23 3.1.1 降壓型轉換器 23 3.1.2 升壓型轉換器 25 3.2 雙向直流對直流轉換器 26 3.3 平均狀態空間模型 27 3.4 轉換器的控制器設計 29 3.4.1 電壓型控制 29 3.4.2 電流型控制 29 第四章 能量管理策略 31 4.1 混合電源系統與能量管理 31 4.2 能量管理策略之設計 32 4.3 半主動式混合電源系統之能量管理 36 4.4 主動式混合電源系統之能量管理 37 第五章 混合電源系統之電腦模擬與驗證 38 5.1 半主動式混合電源系統 40 5.1.1 架構簡介 40 5.1.2 平均狀態空間模型與控制器設計 41 5.1.3 半主動式混合電源系統之模擬架構 43 5.1.4 以脈衝電流做為負載的模擬結果 44 5.1.5 以步階電流做為負載的模擬結果 46 5.1.6 以EM50放電電流做為負載的模擬結果 49 5.2 主動式混合電源系統 58 5.2.1 架構簡介 58 5.2.2 平均狀態空間模型與控制器設計 59 5.2.3 主動式混合電源系統之模擬架構 60 5.2.4 以脈衝電流做為負載的模擬結果 62 5.2.5 以步階電流做為負載的模擬結果 63 5.2.6 以EM50放電電流做為負載的模擬結果 66 第六章 結論與未來展望 77 參考文獻……………………………………………………………………………………...7