混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源的設(shè)計(jì)

周 遠(yuǎn)，孫玉坤，黃占濤

(江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

混合動(dòng)力汽車可以大幅度地降低燃油消耗，減少汽車排放，特別適合中國大城市交通普遍擁堵，汽車頻繁制動(dòng)的交通工況。超級(jí)電容能在短時(shí)間內(nèi)提供和吸收大的功率，而且能量回收效率高，充放電次數(shù)高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，工作溫度區(qū)域?qū)挘黄涫褂玫幕A(chǔ)材料價(jià)格也很便宜，適合頻繁加速和減速的城市交通工況，但超級(jí)電容只能儲(chǔ)存少量的能量。電池有儲(chǔ)存大能量的能力，但功率輸出較低，不能進(jìn)行大電流充放電，決定了電池不能在短時(shí)間內(nèi)提供大功率[1-2]。電池和超級(jí)電容性能對(duì)比如表1。

有關(guān)研究表明，將超級(jí)電容與蓄電池結(jié)合起來使用，由蓄電池提供整車運(yùn)行期間電機(jī)需求的平均電功率，而超級(jí)電容則提供電機(jī)需求的峰值功率，這樣可以充分發(fā)揮蓄電池比能量大和超級(jí)電容比功率高的優(yōu)勢(shì)。且使用蓄電池和超級(jí)電容組成的復(fù)合電源，能量的利用率可以提高15%以上，可以有效降低廢氣的排放?？梢?，研究由超級(jí)電容起和蓄電池組成的復(fù)合電源是十分必要的[3]。

表1 電池與超級(jí)電容性能對(duì)比

1 HEV中應(yīng)用超級(jí)電容的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

HEV能量源應(yīng)該滿足車輛在任何情況下所需的能量，目前的技術(shù)不能提供一個(gè)設(shè)備既具有高儲(chǔ)存能量又具有大功率。為了克服電池的功率限制和超級(jí)電容的能量限制，本文通過DC-DC轉(zhuǎn)換器把這兩種能量源有機(jī)的結(jié)合起來，從而使UC的高功率密度與電池的高能量密度進(jìn)行互補(bǔ)，調(diào)節(jié)供給電機(jī)或超級(jí)電容的電壓及控制超級(jí)電容充放電電流的大小，這大大的延長(zhǎng)了電池的壽命，并降低了電池組的大小，同時(shí)車輛所需的高能量和大功率就能得到滿足。電機(jī)要求功率較大時(shí)，將其分成兩部分，快速變化的峰值功率由復(fù)合電源中的電容提供，而余下的平均功率由電池提供。傳統(tǒng)的方法是使用雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器控制UC功率的輸入/出（如圖1）。功率轉(zhuǎn)換器DC/DC是直流電源與負(fù)載（電機(jī)）之間的一種周期性通斷的開關(guān)控制裝置，它的作用是改變供給電機(jī)或超級(jí)電容的電壓，實(shí)際上是作為一個(gè)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)而工作。盡管UC兩端的電壓經(jīng)常變化，但驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓保持不變。HEV車輛運(yùn)行時(shí)的能量源基本框圖如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)ESS圖

圖2 能量源基本框圖

圖2中通過DC/DC轉(zhuǎn)換器控制超級(jí)電容，轉(zhuǎn)換器接收到車輛的功率需求（加速或制動(dòng)），如果是制動(dòng)，通過轉(zhuǎn)換器對(duì)超級(jí)電容和電池進(jìn)行充電。正常情況下，電池的SOC應(yīng)有效的控制在0.6～0.7之間，超級(jí)電容的SOC變化較大，但要確保驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的輸出電壓不變。DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率與蓄電池的工作電壓和超級(jí)電容的電壓有關(guān)，一般情況下，蓄電池和超級(jí)電容的電壓越接近，DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率越高。所以復(fù)合電源在匹配的時(shí)候，應(yīng)盡量使電池和超級(jí)電容的電壓接近。車輛動(dòng)力系統(tǒng)中存在能量損耗，因此在循環(huán)過程中，再生能不夠?yàn)橄聜€(gè)循環(huán)提供足夠的加速能量（加速到上次循環(huán)速度）。因此在傳統(tǒng)的ESS圖中進(jìn)行了DC/DC的設(shè)計(jì)，復(fù)合電源控制系統(tǒng)的主電路如圖3所示，電解電容C1于電池并聯(lián)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供脈寬調(diào)制(PWM)脈沖，實(shí)驗(yàn)證明，采用該技術(shù)的HEV在動(dòng)力性能和續(xù)駛里程上都有顯著的提高，尤其在頻繁剎車和突然加速的工況下，效果提高更明顯。

圖3 復(fù)合電源結(jié)構(gòu)圖

2 新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其運(yùn)行模式

新的ESS在功率需求的情況下有三種運(yùn)行模式，見圖4。模式一如圖4(a)，車輛在城市工況下進(jìn)行制動(dòng)和加速，DC/DC轉(zhuǎn)換器和電池在此時(shí)不起作用，UC作為車輛驅(qū)動(dòng)的直接能量源。模式二[圖4(b)]運(yùn)用于車輛在高速時(shí)的加速和制動(dòng)，加速時(shí)，車輛所需的大多數(shù)功率通過DC/DC轉(zhuǎn)換器從UC中輸出，若不能滿足時(shí)，剩余部分由電池提供，UC作為功率源的表達(dá)式：Puc=V1*(iL*D2)=V2*iL，D2是T3的占空比。電流流向如圖中紅色箭頭所示。制動(dòng)是加速的逆變過程，制動(dòng)時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，通過DC/DC優(yōu)先給UC充電，直至UC充滿（如有足夠的制動(dòng)能），若仍有剩余制動(dòng)能，對(duì)電池進(jìn)行充電。電流流向?yàn)閳D中的逆過程。在制動(dòng)與下個(gè)加速之間的空閑期，電池通過模式三給UC充電，并為車輛提供驅(qū)動(dòng)所需的能量，電流流向如圖4（c）紅色箭頭所示。HEV能量源的三種基本模式如表2。

圖4 新的ESS在功率需求的情況下的三種運(yùn)行模式

表2 HEV運(yùn)行模式

模式一是最常用的車輛運(yùn)行方法；模式二主要保持車輛的功率需求的性能，一般出現(xiàn)在高速情況下的加速和制動(dòng)。當(dāng)UC電壓V2太低不能維持電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的功率時(shí)，打開T5，閉合T4。根據(jù)電流的流入，T2和T3隨著PWM負(fù)荷比開關(guān)，幾個(gè)PWM循環(huán)后，iL達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，超級(jí)電容為高頻電流脈沖提供能量，并起穩(wěn)定vdc的作用。高速制動(dòng)時(shí)，回收的能量通過電感電流流入U(xiǎn)C。隨著V2的增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，車輛狀態(tài)由模式二轉(zhuǎn)到模式一，電感通過D3把剩余的能量?jī)?chǔ)存到UC中[4-5]。

該復(fù)合電源具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）在車輛制動(dòng)和減速時(shí)可大電流充電，從而提高能量回收效率，延長(zhǎng)電動(dòng)車的續(xù)駛里程；（2）超級(jí)電容的功率密度較大，因此可大電流放電，改善車輛的啟動(dòng)、加速、爬坡性能；（3）可避免蓄電池大電流充放電，提高蓄電池的使用壽命；（4）可提高制動(dòng)力矩，改善制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性；（5）回收時(shí)可先對(duì)超級(jí)電容充電，再對(duì)電池充電,所以可控性較好；（6）結(jié)構(gòu)緊湊，成本較低。

3 實(shí)驗(yàn)與仿真

復(fù)合電源中的電池與電容并聯(lián)，通過合理的制定控制策略，可以充分發(fā)揮電容對(duì)電池削封填谷的作用，本文所設(shè)計(jì)的復(fù)合電源的系統(tǒng)模型如圖5所示。其中，功率總線模塊主要是判斷整車的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)工況，并且依據(jù)電池和電容的荷電狀態(tài)值控制整車功率。根據(jù)電容器電壓決定控制策略模塊中的復(fù)合電源系統(tǒng)采用經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式還是最大動(dòng)力模式。

圖5 復(fù)合電源控制模型

本文利用advisor仿真軟件對(duì)美國城市循環(huán)工況UDDS進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖6所示。

整車性能指標(biāo)：最高車速≥80 km/h，0～60 km/h加速能力＜30 s，最大爬坡度25%。

圖6 UDDS中電流對(duì)比圖

整車參數(shù)：質(zhì)量1300 kg，迎風(fēng)面積2.0 m2，車輪半徑0.282 m，空氣阻力系數(shù)0.380，滾阻系數(shù)0.015，傳動(dòng)系平均效率0.85。

變速器速比：一檔3.46，二檔1.75，三檔 1.10，四檔 0.86，五檔0.71。

復(fù)合系統(tǒng)：14節(jié)串聯(lián)的13 AH鉛酸電池與68節(jié)串聯(lián)的2400 F電容并聯(lián)組成。

仿真結(jié)果表明：如采用單一蓄電池，在UDDS工況下，電池電流最高可達(dá)180 A，這將嚴(yán)重降低電池壽命；而采用復(fù)合電源，電池在工況下的充放電電流大幅度下降，超級(jí)電容起到了對(duì)電池“削封填谷”的作用。

4 結(jié)論

回收制動(dòng)能量是用于HEV的主要節(jié)能方案，特別是在經(jīng)常處于剎車和加速的城市工況下。電池通過DC-DC轉(zhuǎn)換器與UC相連，系統(tǒng)綜合了超級(jí)電容和蓄電池的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以改善HEV的瞬時(shí)功率特性，而且可以避免蓄電池大電流放電，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，增加電動(dòng)車的續(xù)駛里程。在本文中所提到的城市工況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速在半速以下時(shí)，UC能夠直接提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的能量，在UC有效的電壓變化范圍內(nèi)最大可能地利用它的能量存儲(chǔ)能力。

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