太阳能电动汽车动力电池模拟及系统仿真

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电动汽车与传统燃油车的主要区别在于动力系统,电动汽车动力系统的部件主要有动力电池、蓄电池和电机等,其中最主要的部件是动力电池,因此对动力电池以及动力系统的性能研究具有重要意义。本文通过第一性原理和有限元方法对动力电池材料的光电性质以及动力电池本身的性能进行计算分析,并基于SUMILINK仿真环境对太阳能电动汽车动力系统进行了仿真分析。本文的主要研究内容以及结论如下:(1)动力电池材料光电性质研究分析。构建了原胞铜铟硫CuInS2(CIS)和Tl掺杂CuInS2(CIS:Tl)的计算模型,对模型和截断能进行了考核,误差在1%之内,考核结果表明本章节的模型构建合理。同时基于第一性原理方法研究了原胞CIS和掺杂CIS:Tl材料的光电性质。计算结果表明:掺杂CIS:Tl和原胞CIS一样同属直接带隙半导体,并且带隙值较原胞CIS的带隙值降低了33.4%。同时在光激发能量范围内Tl掺杂CIS:Tl相比原胞CIS的吸收系数、介电函数峰值和电导率都有一定程度的增大。当能量为4.28 e V时,原胞CIS和CIS:Tl的吸收系数分别为5.82×10~4 cm-1和6.24×10~4 cm-1,电导率分别为2.09 S/m和2.64S/m,介电函数峰值分别为8.48和9.33。(2)太阳能电动汽车动力电池性能研究。分别以CIS薄膜以及CIS:Tl薄膜为基底建立了太阳能动力电池二维计算模型,对网格无关性进行考核,其误差在0.003%左右。基于有限元方法对太阳能动力电池的工作参数进行了计算并得出以下主要结论:原胞CIS半导体薄膜太阳能电池的开路电压为0.61 V,短路电流为33 m A,最大功率为16.7 m W,转换效率为16.7%。Tl掺杂CIS半导体薄膜太阳能电池的短路电流达到了35.8 m A,最大功率为18.28 m W,转换效率可达17.8%,相比CIS半导体薄膜太阳能电池,转换效率提高了1.1%。(3)太阳能电动汽车动力系统仿真分析。采用SIMULINK建模环境,对以Tl掺杂CIS:Tl太阳能电池为动力电池的太阳能电动汽车动力系统进行建模仿真,并对其系统模型的合理性进行考核,得出以下主要结论:首先随着系统工作温度从25℃升高到45.6℃,输出功率从12.65 kW升至14.73 kW,之后输出功率趋于稳定。然后,对太阳能电池与蓄电池联合驱动时的控制策略进行了初步建模仿真,分析了功率、电流、电池电荷状态值(SOC)之间的变化关系。可知工作过程中SOC随需求功率与动力电池组输出功率差值ΔP的变化规律符合动力系统工作逻辑。最后计算了蓄电池满电时,整车保持120 km/h的最高车速下行驶的最大时长为1小时,电池输出功率基本满足初定动力要求。本文对CIS薄膜太阳能电池的光电转换效率研究具有指导意义,同时对以CIS薄膜太阳能电池为基础的太阳能电动汽车动力系统的研发提供依据。
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