混合動力汽車超級電容能量控制研究

陳坤華， 孫玉坤， 王富良， 項倩雯

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

混合動力汽車超級電容能量控制研究

陳坤華， 孫玉坤， 王富良， 項倩雯

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

超級電容的高功率密度特性可作為混合動力汽車輔助電源。研究了超級電容數(shù)學(xué)模型，給出了超級電容荷電狀態(tài)估計方法，在分析升降壓雙向直流功率電路基礎(chǔ)上，提出了超級電容能量存儲系統(tǒng)控制策略，在超級電容荷電狀態(tài)允許范圍內(nèi)，該控制策略滿足混合動力汽車啟動、加速、制動要求，實驗證明該能量存儲系統(tǒng)能適應(yīng)各種負(fù)載變換情況。

超級電容；能量控制；混合動力汽車；荷電狀態(tài)；升降壓雙向變換器

混合動力汽車作為一種新的節(jié)能環(huán)保車型，正在得到大力發(fā)展。電源系統(tǒng)是混合動力汽車研究熱點之一[1-2]，混合動力汽車電源系統(tǒng)要求尺寸小，質(zhì)量輕，比能量大，功率密度高，使用壽命長。超級電容作為高功率密度儲能電源[3]，其充放電速度快，瞬間可釋放數(shù)百至數(shù)千安培(A)大電流、高功率保持以及快速的可充放電等特性，適合頻繁起制動，可作為混合動力汽車的輔助電源，提高混合動力汽車電源系統(tǒng)的功率密度，實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)高效的電驅(qū)動和能量回饋制動，是促進超級電容混合動力汽車實際應(yīng)用和技術(shù)進步的關(guān)鍵。

我們對超級電容輔助電源能量存儲系統(tǒng)進行深入研究，提出了混合動力汽車超級電容能量控制策略?？紤]超級電容荷電狀態(tài)；考慮混合動力汽車不同工況運行時，超級電容負(fù)載情況變化；并考慮汽車制動時，超級電容能量回饋。實驗證明本能量存儲系統(tǒng)運行可靠，本方案切實可行。

1 超級電容數(shù)學(xué)模型

超級電容工作特性是非線性的，電阻電容受溫度、電流、電壓等參數(shù)影響。超級電容常用RC串聯(lián)電路[4]作為其數(shù)學(xué)模型，該模型可描述超級電容器的較多特性，該模型簡單、易用，但不能描述電容器動態(tài)特性。

本文構(gòu)建的超級電容數(shù)學(xué)模型如圖1所示，考慮其自放電，該模型由四個理想電氣元件組成，內(nèi)部等效電容C；等效串聯(lián)電阻RS；自放電電阻RP，自放電電阻在超級電容充電和放電時可以忽略，在超級電容靜置時需要考慮；由超級電容本身的物理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的串聯(lián)電感L。

放電方程：

值得注意的是超級電容數(shù)學(xué)模型內(nèi)部等效電容值、等效串聯(lián)電阻值、自放電電阻值和電感值隨電路電流、負(fù)載電壓和溫度的變化而變化，在實際計算超級電容開路電壓時，可以通過查表法加以考慮。

2 超級電容荷電狀態(tài)估算

超級電容作為混合動力汽車輔助電源，在混合動力汽車起動和加速時，超級電容展現(xiàn)其突出的高功率密度特性，可以短時間內(nèi)大電流放電，彌補啟動和加速時混合動力汽車動力的不足；同樣，在混合動力汽車制動時，可以回收電機制動能。超級電容中存儲的能量也應(yīng)該計算入混合動力汽車的供能來源。將超級電容荷電狀態(tài)定義為：

那天去，主任不催遲恒，陵礦把錢劃到了報社帳上后，無聲無息了，主任清楚，陵礦那邊怕是一百個不想他社會新聞部的人再去，但收了錢就得出貨，報社同樣是服務(wù)，區(qū)別僅在出售的商品是宣傳報道，得讓客戶滿意。說起來，陵礦那個治庫工程不咋地，但魏昌龍這個人究竟怎樣，現(xiàn)在手頭事少，今晚擬個采訪題綱，明天下去采訪。

超級電容中的剩余能量值：

3 DC/DC逆變器

超級電容給系統(tǒng)總線供電時為升壓、總線饋能時為降壓。超級電容和總線電壓間的升降壓逆變器拓?fù)淙鐖D2所示，主要有兩個IGBT功率管、儲能電感和電容組成。該電路有兩種工作模式，升壓模式和降壓模式。

圖2 升-降壓逆變器拓?fù)鋱D

該升降壓逆變器模型見式(7)所示：

4 超級電容能量控制策略

本文從混合動力汽車運行工況的角度對超級電容進行能量控制。對超級電容能量存儲系統(tǒng)的控制有幾個考慮因素：(1)超級電容自身的剩余容量，需估算超級電容的荷電狀態(tài)；(2)混合動力汽車工況變化，增加部分需要超級電容來補充；(3)汽車制動時回饋的能量，通過超級電容吸收。因此本文提出了超級電容能量控制策略，該控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 超級電容能量控制框圖

超級電容、DC/DC和負(fù)載之間能量是雙向流動，負(fù)載能量需求增加，超級電容提供增加的能量；負(fù)載能量反饋時，超級電容吸收反饋能量。

通常放電時，超級電容的電壓不能低于1/2的最大電壓，即其控制范圍25%～100%，考慮超級電容需要瞬時吸收和釋放電能，參考值設(shè)為70%。超級電容輸出電量時，需要對超級電容電壓進行監(jiān)測，輸入至驅(qū)動控制單元，并估算其值。

超級電容的自放電率較蓄電池大，超級電容靜置時需要考慮超級電容自放電，以保證超級電容估算的正確性。

為判斷負(fù)載需求側(cè)情況，也需要對負(fù)載的電壓和電流進行檢測，該信號也輸入給驅(qū)動控制單元。

驅(qū)動控制單元根據(jù)檢測的信號和超級電容的荷電狀態(tài)，判斷超級電容能否輸入、輸出能量；判斷DC/DC升壓，超級電容給負(fù)載提供能量，還是DC/DC降壓，負(fù)載向超級電容反饋能量。

5 系統(tǒng)實驗

為驗證超級電容能量存儲系統(tǒng)控制策略性能，系統(tǒng)總線電壓300 V，超級電容組電壓150 V，12 F。由56個單體為2.7 V650 F超級電容串聯(lián)而成，內(nèi)阻0.095 2 Ω。

圖4為不同溫度下靜置時超級電容自放電率。

圖5為負(fù)載變化時超級電容荷電狀態(tài)曲線，圖6為負(fù)載變化時總線電流曲線，圖7為負(fù)載變化時超級電容電壓曲線。從這三個圖中可見，負(fù)載增大時，總線電流增加，超級電容端電壓減小，超級電容荷電狀態(tài)值減小。負(fù)載增加時，超級電容端電壓、超級電容荷電狀態(tài)值、總線電流變化平滑；

圖8為制動回饋時超級電容荷電狀態(tài)曲線，圖9為制動回饋時總線電流曲線，圖10為制動回饋時超級電容電壓曲線。從這三個圖中可以看出制動回饋時，超級電容處于充電狀態(tài)，超級電容荷電狀態(tài)值增加，超級電容端電壓增大，整個制動回饋過程充電狀態(tài)穩(wěn)定。

圖4 不同溫度下超級電容自放電率

圖5 負(fù)載增加時超級電容荷電狀態(tài)曲線

圖6 負(fù)載增加時總線電流曲線

圖7 負(fù)載增加時超級電容電壓曲線

圖8 制動回饋時超級電容荷電狀態(tài)曲線

圖9 制動回饋時總線電流曲線

圖10 制動回饋時超級電容電壓曲線

6 結(jié)束語

超級電容高功率密度、能快速充放電、充放電次數(shù)多的特性受到混合動力汽車的青睞。它可以作為混合動力汽車的輔助電源，彌補了蓄電池在這些方面的不足。本文研究了超級電容數(shù)學(xué)模型，荷電狀態(tài)估算方法，用雙向升降壓直流變換電路構(gòu)建了超級電容和總線電壓間的連接。通過負(fù)載變化實驗和制動能量回饋實驗證明該方案簡單易于控制，切實可行。

[1]MILLER J.Energy storage technology markets and application's: ultracapacitors in combination with lithium-ion[C]//IEEE EXCO. Daegu：IEEE EXCO，2007：22-26.

[2]PETERSON S B，APT J，WHITACRE J F.Lithium-ion battery cell degradation resulting from realistic vehicle and vehicle-to-grid utilization[J].Journal of Power Sources，2010，195：2385-2392.

[3]PAGANO M，PIEGARI L.Hybrid electrochemical power sources for onboard applications[J].IEEE Trans on Energy Conversion，2007，22(6)：450-456.

[4]ZUBIETA L，BONERT R.Characterization of double-layer capacitors for power electronics applications[J].IEEE Transactions on Industry Application，2000，36(1)：199-205.

[5]丁明，林根德，陳自年，等．一種適用于混合儲能系統(tǒng)的控制策略[J].中國電機工程學(xué)報，2012,7(32)：1-6.

[6]張丹丹，羅曼，陳晨，等．超級電容-電池復(fù)合脈沖電源系統(tǒng)的試驗研究[J].中國電機工程學(xué)報,2007,10(27)：26-31.

[7]許愛國，謝少軍，姚遠，等.基于超級電容的城市軌道交通車輛再生制動能量吸收系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報，2010，3(25)：117-123.

[8]趙坤，王椹榕，王德偉，等.車載超級電容儲能系統(tǒng)間接電流控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報，2011，9(26)：124-129.

Research on hybrid electric vehicle supercapacitor energy control

CHEN Kun-hua,SUN Yu-kun,WANG Fu-liang,XIANG Qian-wen

Hybrid electric vehicle can use high power density supercapacitor as auxiliary power.The maths model of supercapacitor was studied.The estimation method of state of charge of supercapacitor was given.Based on the analysis of the buck-boost converter,the control strategy of supercapacitor energy storage was proposed.At the permitted range of state of charge of supercapacitor, the control strategy can meet the needs of hybrid electric vehicle start,acceleration and brake.Experiments prove the energy storage system can adapt various changes of loads.

supercapacitor;energy control;hybrid electric vechicle;state of charge;buck-boost converter

TM 53

A

1002-087 X(2015)04-0798-03

2014-09-06

國家自然科學(xué)基金項目(51007031)；研究生創(chuàng)新計劃項目(CX09B_11XZ)

陳坤華(1981—)，男，江蘇省人，博士生，講師，主要研究方向為混合動力汽車、特種電機智能控制等；導(dǎo)師：孫玉坤(1958—)，男，江蘇省人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為特種電機、電能質(zhì)量控制、智能控制技術(shù)等。