陳　燎，葉揚(yáng)波，盤(pán)朝奉,b

(江蘇大學(xué)　a.汽車(chē)與交通工程學(xué)院； b.汽車(chē)工程研究院， 江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)力的增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)汽車(chē)保有量持續(xù)增加，不僅使社會(huì)面臨著能源枯竭的威脅，還帶來(lái)一系列環(huán)境問(wèn)題，如大氣污染、水體污染、土壤污染、固態(tài)廢棄物污染和環(huán)境噪聲污染等。電動(dòng)汽車(chē)的出現(xiàn)為當(dāng)代燃油汽車(chē)帶來(lái)的能源與環(huán)境污染等嚴(yán)重問(wèn)題提供了很好的解決途徑，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展已然是一種必然的趨勢(shì)[1-5]。與傳統(tǒng)汽車(chē)相同的是，電動(dòng)汽車(chē)的行駛同樣需要?jiǎng)恿υ淳哂休^高的比能量、比功率、循環(huán)壽命[6]。蓄電池單獨(dú)作為汽車(chē)的電源時(shí)存在充電時(shí)間長(zhǎng)、比功率低、不能滿(mǎn)足汽車(chē)短時(shí)間功率需求的問(wèn)題，嚴(yán)重影響汽車(chē)的加速、爬坡、制動(dòng)性能及能量回收效率，不能完全滿(mǎn)足汽車(chē)對(duì)車(chē)載電源的要求[7-9]。為解決上述矛盾，考慮用蓄電池和超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置構(gòu)成復(fù)合電源系統(tǒng)，充分發(fā)揮蓄電池比能量高、超級(jí)電容比功率高的性能優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，使電源同時(shí)具備高比功率和高比能量的性能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，超級(jí)電容的加入增加了質(zhì)量、成本，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，同時(shí)對(duì)控制策略和精度要求也比較高。

在國(guó)外，F(xiàn)IAT公司[10]采用鉛酸蓄電池和超級(jí)電容構(gòu)成復(fù)合電源系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力源，并對(duì)使用該復(fù)合電源系統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)在市區(qū)、郊區(qū)及ECE行駛工況下進(jìn)行性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在3種不同工況下該復(fù)合電源系統(tǒng)的使用可分別節(jié)能40%、20%和14%。日本東京大學(xué)的Huang Xiaoliang等[11]對(duì)采用超級(jí)電容-蓄電池復(fù)合電源的小型電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行研究，為使復(fù)合電源具有高能量密度和高功率密度，提出了基于頻率可變?yōu)V波器的能量管理系統(tǒng)及功率分配策略，并在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果表明：蓄電池和超級(jí)電容各承擔(dān)負(fù)載能量需求的一半，且超級(jí)電容能回收30%的能量。在國(guó)內(nèi)，羅玉濤等[12]基于NEDC循環(huán)工況、依據(jù)整車(chē)參數(shù)完成電池組和超級(jí)電容組參數(shù)匹配，并設(shè)計(jì)了復(fù)合電源結(jié)構(gòu)，采用速度跟隨式多目標(biāo)優(yōu)化的邏輯門(mén)限值控制策略，在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明：該復(fù)合電源結(jié)構(gòu)可使電池壽命提高50%。董昊龍等[13]對(duì)動(dòng)力電池-超級(jí)電容復(fù)合電源系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架搭建及控制策略設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并通過(guò)硬件在環(huán)試驗(yàn)對(duì)單一電源供能及復(fù)合電源供能進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果表明：復(fù)合電源系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)，能提供與單一電源系統(tǒng)一致的功率輸出，且能更好地回收再生制動(dòng)能量。

綜上所述，合理的復(fù)合電源結(jié)構(gòu)和功率分配策略能更好地滿(mǎn)足車(chē)輛需求和能量回收，因此本文選用DC/DC與超級(jí)電容串聯(lián)、然后再與蓄電池并聯(lián)的復(fù)合電源結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種將邏輯門(mén)限值控制策略和基于車(chē)速的功率分配控制策略相結(jié)合的新的功率分配策略，以充分發(fā)揮兩種策略的優(yōu)勢(shì)。

1　復(fù)合電源系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及分析

圖1　復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

復(fù)合電源系統(tǒng)的組成包括蓄電池、超級(jí)電容和功率分配器，其中功率分配器除了包括雙向DC/DC變換器、功率分配策略外，還應(yīng)包括1個(gè)剎車(chē)電阻(圖1)，當(dāng)車(chē)輛工作在再生制動(dòng)模式且超級(jí)電容SOCUC已達(dá)到最大值時(shí)用來(lái)消耗再生制動(dòng)能量，保護(hù)超級(jí)電容，同時(shí)滿(mǎn)足車(chē)輛制動(dòng)性能要求。蓄電池直接與母線(xiàn)電流相連，復(fù)合電源輸出電壓穩(wěn)定，可提高車(chē)輛的穩(wěn)定性；超級(jí)電容輸出功率可通過(guò)DC/DC變換器控制為車(chē)輛提供大功率，降低蓄電池輸出功率，保護(hù)蓄電池[14]。這種復(fù)合電源系統(tǒng)保證了設(shè)計(jì)的靈活性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性且成本適中。

2　功率分配策略的制定

常見(jiàn)的復(fù)合電源控制策略主要有邏輯門(mén)限值控制策略、含濾波思想的邏輯門(mén)限值控制策略、基于車(chē)速的功率分配控制策略、模糊控制策略[15]。本文設(shè)計(jì)復(fù)合電源系統(tǒng)功率分配策略時(shí)主要結(jié)合邏輯門(mén)限值控制策略和基于車(chē)速的功率分配控制策略。采用邏輯門(mén)限值控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池輸出功率的控制，通常以車(chē)輛平均需求功率為蓄電池功率輸出門(mén)限值[16-17]。根據(jù)車(chē)輛在不同時(shí)刻的車(chē)速確定此刻超級(jí)電容SOCUC上、下限值，其中超級(jí)電容SOCUC上、下限值僅用于判斷超級(jí)電容裝置是否需要預(yù)充電。

2.1　超級(jí)電容SOCUC上下限值的確定

在復(fù)合電源系統(tǒng)功率分配策略下，超級(jí)電容具有使車(chē)輛從當(dāng)前車(chē)速加速到最高車(chē)速的最低能量Emin，又考慮到電源系統(tǒng)受車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)能量傳遞效率的影響，以及電氣系統(tǒng)存在的能量耗散，電源系統(tǒng)提供的能量必須比車(chē)輛最大動(dòng)能高50%[18]，則有

(1)

選超級(jí)電容的SOCUC為其下限值SOCmin l，同時(shí)超級(jí)電容具有用于回收車(chē)輛以當(dāng)前車(chē)速制動(dòng)的能量而不過(guò)充的容量空間，選此時(shí)超級(jí)電容的SOCUC為其上限值SOCmax l，則有

(2)

(3)

式中：m為車(chē)輛的滿(mǎn)載質(zhì)量(kg)；vmax為車(chē)輛在設(shè)定工況下允許的最高行駛車(chē)速(km/h)；UN為超級(jí)電容的額定電壓(V)；k2為車(chē)輛在再生制動(dòng)過(guò)程中的最大能量轉(zhuǎn)化效率，取值k2=0.4。

2.2　復(fù)合電源工作在驅(qū)動(dòng)模式

設(shè)車(chē)輛需求功率為Preq、蓄電池門(mén)限值為PBatl、蓄電池輸出功率為PBat、超級(jí)電容輸出功率為PUC。車(chē)輛加速行駛時(shí)，當(dāng)Preq≤PBatl，若SOCUC

PBat=PBatl=Preq+PUC

(4)

當(dāng)SOCUC>SOCmin l且上一時(shí)刻超級(jí)電容未處于充電狀態(tài)時(shí)，蓄電池輸出功率等于車(chē)輛需求功率：

PBat=Preq

(5)

PUC=0

(6)

當(dāng)Preq>PBatl時(shí)，若SOCUC>0.5，車(chē)輛需求功率等于蓄電池最大輸出功率與超級(jí)電容輸出功率之和：

Preq=PBatl+PUC

(7)

若SOCUC≤0.5，超級(jí)電容存儲(chǔ)能量?jī)H剩余25%，超級(jí)電容可視為能量耗盡，此時(shí)為滿(mǎn)足車(chē)輛功率需求，車(chē)輛需求功率完全由蓄電池提供，該工作情況下蓄電池工作負(fù)荷大，在復(fù)合電源系統(tǒng)中應(yīng)盡量避免。

2.3　復(fù)合電源工作在制動(dòng)模式

根據(jù)復(fù)合電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，再生制動(dòng)能量完全由超級(jí)電容回收，蓄電池不參與再生制動(dòng)回收過(guò)程。當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容充電，為保護(hù)超級(jí)電容，避免其出現(xiàn)過(guò)充現(xiàn)象，設(shè)定超級(jí)電容SOCUC最大值為0.99。當(dāng)SOCUC<0.99時(shí)，超級(jí)電容回收能量為：

PUC=Prep

(8)

PBat=0

(9)

當(dāng)超級(jí)電容SOC充電至0.99后，為保證制動(dòng)效能，電機(jī)回饋能量由剎車(chē)電阻R消耗：

PR=Preq

(10)

PBat=0

(11)

3　仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證控制策略的有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立控制策略模型。同時(shí)選用原型車(chē)路試工況和美國(guó)城市動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)(UDDS)工況作為測(cè)試工況進(jìn)行供能仿真，如圖2、3所示。UDDS被廣泛使用在電動(dòng)汽車(chē)的性能測(cè)試中，包括車(chē)輛的啟動(dòng)、加減速和制動(dòng)工況，具有很強(qiáng)的代表性[19-20]。仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2　路試工況

圖3　UDDS工況

參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)/mm3569×1551×1540電池額定電壓/V300整備質(zhì)量/kg1080電池容量/Ah·(kW·h)-160/18滿(mǎn)載質(zhì)量/kg1380充電時(shí)間/h8慢充/0.5快充風(fēng)阻系數(shù)0.6電機(jī)類(lèi)型永磁同步電機(jī)車(chē)輪半徑/m0.27電機(jī)額定/峰值功率/kW28/52最高車(chē)速/(km·h-1)130電機(jī)額定/峰值轉(zhuǎn)速/(r·min-1)3000/800060km/h等速行駛里程/km170電機(jī)最大扭矩/(N·m)1550～50km/h加速時(shí)間/s5.3電機(jī)工作電壓范圍/V250～345電池類(lèi)型鎳鈷錳酸鋰主減速比6.26滾動(dòng)阻力系數(shù)f0.02機(jī)械傳動(dòng)效率η0.9

3.1　復(fù)合電源系統(tǒng)建模

復(fù)合電源系統(tǒng)模型如圖4所示，該模型主要包括DC/DC Converter模塊、Power模塊、UC_R模塊、功率分配控制模塊Distribute strategy以及Power table和Speed table查表模塊。Power模塊主要由2個(gè)蓄電池模塊Battery_q和Battery_b組成。Battery_q模塊在車(chē)輛需要復(fù)合電源系統(tǒng)供能時(shí)起作用，是復(fù)合電源系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υ?。模擬車(chē)輛動(dòng)力電池Battery_b模塊在車(chē)輛減速、制動(dòng)時(shí)起作用，是再生制動(dòng)及能耗制動(dòng)時(shí)的能量源。模擬電機(jī)在減速或制動(dòng)時(shí)作為發(fā)電機(jī)供電，Battery_q模塊和Battery_b模塊不能同時(shí)起作用。UC_R模塊主要包括超級(jí)電容模塊UC和剎車(chē)電阻R，在復(fù)合電源供能及再生制動(dòng)過(guò)程中超級(jí)電容模塊UC起作用。當(dāng)車(chē)輛工作于再生制動(dòng)狀態(tài)且超級(jí)電容SOCUC大于其限值時(shí)，剎車(chē)電阻R起作用，車(chē)輛工作在能耗制動(dòng)狀態(tài)。Power table和Speed table查表模塊分別具有車(chē)輛需求功率和車(chē)速的查表功能。

圖4　復(fù)合電源系統(tǒng)模型

圖5是復(fù)合電源功率分配策略模型，根據(jù)車(chē)輛需求功率Preq判斷車(chē)輛工作在驅(qū)動(dòng)模式或制動(dòng)模式，并進(jìn)行相應(yīng)控制。當(dāng)Preq≥0時(shí)，車(chē)輛工作在驅(qū)動(dòng)模式，復(fù)合電源功率分配策略根據(jù)車(chē)輛需求功率、蓄電池功率輸出限值、蓄電池SOC最低限值、超級(jí)電容SOCUC及其上、下限值進(jìn)行邏輯判斷，對(duì)車(chē)輛在驅(qū)動(dòng)行駛時(shí)各種工作模式進(jìn)行控制，包括蓄電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式、超級(jí)電容-蓄電池復(fù)合驅(qū)動(dòng)模式以及蓄電池對(duì)超級(jí)電容預(yù)充模式，其中超級(jí)電容SOCUC上、下限值由SOC_limit模塊根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算；當(dāng)Preq<0時(shí)，車(chē)輛工作在制動(dòng)模式，復(fù)合電源功率分配策略根據(jù)超級(jí)電容SOCUC最高限值進(jìn)行邏輯判斷，確定車(chē)輛是工作在再生制動(dòng)模式還是能耗制動(dòng)模式。

圖5　復(fù)合電源功率分配策略模型

3.2　基于原型車(chē)路試工況的復(fù)合電源系統(tǒng)供能仿真

原型車(chē)由蓄電池單獨(dú)供電。由圖6可知：在路試工況下，蓄電池輸出電流超過(guò)60 A，且再生制動(dòng)電流超過(guò)20 A；當(dāng)復(fù)合電源系統(tǒng)以原型車(chē)功率需求供能時(shí)，由于超級(jí)電容的介入，蓄電池供電電流明顯下降，在整個(gè)行駛過(guò)程中，蓄電池最大供電電流不到20 A，蓄電池供電電流下降了70%，且不回收再生制動(dòng)能量，避免了較大電流對(duì)蓄電池的沖擊。

圖7是超級(jí)電容和蓄電池在供能過(guò)程中的功率輸出曲線(xiàn)。由圖7可知：當(dāng)車(chē)輛有大功率需求時(shí)，超級(jí)電容補(bǔ)償蓄電池功率需求，削去蓄電池功率輸出峰值，使蓄電池以功率限值輸出，在再生制動(dòng)過(guò)程中超級(jí)電容吸收所有回饋能量。由于雙向DC/DC變換器電感的作用，超級(jí)電容輸出功率有一定的遲滯，故車(chē)輛在瞬時(shí)大功率需求時(shí)，蓄電池輸出功率會(huì)出現(xiàn)短時(shí)較大功率輸出，但不超過(guò)7 kW，超級(jí)電容對(duì)蓄電池起到了很好的輔助作用。

圖6　蓄電池供電電流曲線(xiàn)

圖7　超級(jí)電容和蓄電池功率輸出曲線(xiàn)

圖8是超級(jí)電容SOCUC曲線(xiàn)，由于車(chē)輛需求功率大于蓄電池功率輸出限值的機(jī)率不大，因此超級(jí)電容SOCUC在整個(gè)行駛工況下保持較高水平，始終具有足夠的供能能力，但超級(jí)電容SOCUC受其最大限值的制約，大部分再生制動(dòng)能量由剎車(chē)電阻耗散，影響再生制動(dòng)能量的回饋效率。

圖8　超級(jí)電容SOCUC及其上、下限值曲線(xiàn)

3.3　基于UDDS工況的復(fù)合電源系統(tǒng)供能仿真

圖9、10是復(fù)合電源在功率分配策略下的仿真結(jié)果。圖9是超級(jí)電容及蓄電池功率輸出曲線(xiàn)，由圖9可知：在整個(gè)UDDS工況下，除了因電感作用導(dǎo)致超級(jí)電容輸出功率出現(xiàn)遲滯的影響外，當(dāng)車(chē)輛有大功率需求時(shí)，蓄電池輸出功率均維持在邏輯門(mén)限值附近，超級(jí)電容補(bǔ)償所有車(chē)輛大功率需求。

圖10是超級(jí)電容SOCUC及其上、下限值曲線(xiàn)，由圖10可知：在仿真開(kāi)始時(shí)，超級(jí)電容SOCUC大于其下限值時(shí)，超級(jí)電容不再充電；當(dāng)超級(jí)電容SOCUC小于其下限值且車(chē)輛需求功率小于蓄電池功率限值時(shí)，蓄電池對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行預(yù)充電直到超級(jí)電容SOCUC達(dá)到其上限值；超級(jí)電容SOCUC最低值為0.5，為其最低限值，當(dāng)超級(jí)電容SOCUC下降到最低限值后不再輸出功率。在整個(gè)UDDS循環(huán)工況下，超級(jí)電容SOCUC始終處于其上、下限值之間或附近，且具有向其上、下限值所圍區(qū)域聚攏的趨勢(shì)，車(chē)輛再生制動(dòng)能量全部由超級(jí)電容吸收。在循環(huán)工況結(jié)束時(shí)，超級(jí)電容SOCUC再次上升至其上限值，可保證車(chē)輛在下一循環(huán)工況開(kāi)始后超級(jí)電容具有足夠的能量輔助蓄電池為車(chē)輛供能并保護(hù)蓄電池。

圖9　超級(jí)電容及蓄電池輸出功率

圖10　超級(jí)電容SOCUC及其上、下限值曲線(xiàn)

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1　試驗(yàn)平臺(tái)搭建

根據(jù)本文所采用的復(fù)合電源結(jié)構(gòu)搭建復(fù)合電源系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架，采用電阻代替電機(jī)進(jìn)行復(fù)合電源系統(tǒng)的性能試驗(yàn)，其試驗(yàn)裝置原理及所測(cè)參數(shù)如圖11所示。試驗(yàn)系統(tǒng)采集參數(shù)有超級(jí)電容端電壓、超級(jí)電容輸出電流、DC/DC高壓端(負(fù)載端)輸出電流、負(fù)載電流及負(fù)載電壓。

根據(jù)復(fù)合電源系統(tǒng)試驗(yàn)裝置原理搭建的復(fù)合電源系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示，試驗(yàn)平臺(tái)主要包括超級(jí)電容、雙向DC/DC變換器、蓄電池、負(fù)載、數(shù)據(jù)采集設(shè)備及上位機(jī)控制，其中雙向DC/DC變換器低壓端由超級(jí)電容組串聯(lián)構(gòu)成超級(jí)電容裝置，雙向DC/DC變換器高壓端蓄電池裝置由高壓電容組模擬，電流參數(shù)由分流器測(cè)量，電壓參數(shù)經(jīng)電阻分壓后測(cè)量。為保護(hù)高、低壓電容組，避免其出現(xiàn)過(guò)充現(xiàn)象，試驗(yàn)臺(tái)架所用高低壓電容組總電壓均高于超級(jí)電容裝置及蓄電池額定電壓。

4.2　試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1驅(qū)動(dòng)工況供能試驗(yàn)

低壓電容組通過(guò)雙向DC/DC變換器與高壓電容組并聯(lián)構(gòu)成復(fù)合電源為負(fù)載供能，負(fù)載電阻為3 Ω，圖13為電流曲線(xiàn)，圖14為電壓曲線(xiàn)，圖15為功率曲線(xiàn)。由圖13～15可以看出：在復(fù)合電源供能期間，低壓電容組輸出電流始終保持在40 A附近，持續(xù)供能時(shí)間能達(dá)到18 s以上；隨著能量消耗，低壓電容組和高壓電容組端電壓逐漸下降，說(shuō)明超級(jí)電容輔助蓄電池供能；超級(jí)電容輸出功率占負(fù)載功率接近20%，具有足夠的功率輸出能力；當(dāng)負(fù)載需求功率下降時(shí)，高壓柜功率和低壓端功率隨之下降，說(shuō)明功率分配策略具有很好的響應(yīng)。

圖11　試驗(yàn)裝置原理及所測(cè)參數(shù)

4.2.2制動(dòng)工況回收試驗(yàn)

高壓電容組通過(guò)雙向DC/DC變換器對(duì)低壓電容組充電，圖16為電流曲線(xiàn)，圖17為電壓曲線(xiàn)，圖18為功率曲線(xiàn)。由圖16～18可以看出：低壓電容組電壓隨著充電時(shí)間增加，其端電壓逐漸延長(zhǎng)，說(shuō)明制動(dòng)時(shí)超級(jí)電容吸收制動(dòng)回饋能量；因?yàn)榈蛪憾嘶厥针娏鞅３植蛔儯缘蛪憾斯β手饾u增加，同時(shí)高壓端和低壓端功率差別不是很大，說(shuō)明DC/DC具有很高的效率。

圖13　驅(qū)動(dòng)時(shí)電流變化曲線(xiàn)

圖15　驅(qū)動(dòng)時(shí)功率變化曲線(xiàn)

圖17　制動(dòng)時(shí)電壓變化曲線(xiàn)

5　結(jié)論

1) 超級(jí)電容對(duì)蓄電池的輸出功率幅值進(jìn)行了有效的抑制，在制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容回收能量，降低了大電流充電對(duì)蓄電池的沖擊，回收電阻也防止了超級(jí)電容過(guò)充，有效地保護(hù)了超級(jí)電容。整體而言，超級(jí)電容在復(fù)合電源系統(tǒng)中起到了輔助蓄電池的作用，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。

2) 仿真結(jié)果很好地驗(yàn)證了復(fù)合電源系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在，試驗(yàn)結(jié)果也證明了該功率分配策略是可行和有效的。

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