插電式混合動(dòng)力汽車(chē)車(chē)載復(fù)合電源功率分配策略研究

高建平， 趙金寶， 葛 堅(jiān)， 郗建國(guó)

(河南科技大學(xué)車(chē)輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000)

插電式混合動(dòng)力汽車(chē)車(chē)載復(fù)合電源功率分配策略研究

高建平， 趙金寶， 葛 堅(jiān)， 郗建國(guó)

(河南科技大學(xué)車(chē)輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000)

將原有插電式混合動(dòng)力汽車(chē)單一電源系統(tǒng)改造成復(fù)合電源系統(tǒng)，根據(jù)整車(chē)性能要求及所用循環(huán)工況對(duì)車(chē)載電源的能量和功率需求解耦，完成動(dòng)力電池和超級(jí)電容的參數(shù)匹配；在Matlab/simulink中建立復(fù)合電源功率分配策略，仿真結(jié)果表明，采用復(fù)合電源能減少動(dòng)力電池循環(huán)充電次數(shù)，有效避免大電流對(duì)動(dòng)力電池的沖擊，充分發(fā)揮超級(jí)電容的高比功率特性，與改造前相比，燃油經(jīng)濟(jì)性提高3.4%，純電動(dòng)行駛里程增加1.3%。

動(dòng)力電池；超級(jí)電容；復(fù)合電源；插電式混合動(dòng)力汽車(chē)

隨著不可再生能源日益枯竭，全球大氣污染不斷加劇，節(jié)能環(huán)保已成為世界性議題。在汽車(chē)領(lǐng)域，發(fā)展新能源汽車(chē)已是必然趨勢(shì)[1-4]。電源技術(shù)作為電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的三大核心技術(shù)之一而廣受關(guān)注[5]。蓄電池雖有技術(shù)成熟、比能量高等優(yōu)勢(shì)，但其比功率低、使用壽命短、工作環(huán)境適應(yīng)能力差等劣勢(shì)制約了其在電動(dòng)汽車(chē)上的使用[6]；超級(jí)電容作為一種新型的儲(chǔ)能設(shè)備，具有高于 103W/kg的功率密度、大于 10萬(wàn)次的充電循環(huán)壽命及–40～70℃的低溫性能，但其比能量低的缺點(diǎn)制約

著超級(jí)電容的應(yīng)用范圍[7]。因此，由蓄電池與超級(jí)電容組成的復(fù)合電源系統(tǒng)，可充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，滿足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)儲(chǔ)能裝置兼顧功率和能量的雙重需求。

為此，科研人員展開(kāi)了一系列研究。王慶年等[8]采用基于車(chē)速的超級(jí)電容期望的荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)平衡方法建立功率分配策略，降低了電池的使用率，提升了燃油經(jīng)濟(jì)性，但其在計(jì)算期望SOC時(shí)把超級(jí)電容提供的能量直接等于整車(chē)的動(dòng)能，未考慮由行駛阻力及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的能量損失，所得的期望SOC及仿真結(jié)果存在誤差。北京理工大學(xué)[9]研制開(kāi)發(fā)的“綠色奧運(yùn)”電動(dòng)低地板公交車(chē) EV863，采用速度控制和電流約束的方法建立了復(fù)合電源功率分配策略，有效避免了動(dòng)力電池的過(guò)電流充放電，平均電耗降低到0.676 4 kW·h/km，但并未對(duì)試驗(yàn)樣車(chē)的超級(jí)電容采取任何控制，功率分配策略還可進(jìn)一步完善。舒杰軍[10]通過(guò)模糊控制確定超級(jí)電容與鋰電池之間的功率分配因子，提高了復(fù)合電源效率，延長(zhǎng)了鋰電池使用壽命，但模糊控制是一種智能算法，對(duì)控制器處理速度具有很高的要求，在工程應(yīng)用中不具有良好的實(shí)時(shí)性能。

本文將插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV)的單一電源系統(tǒng)改造成復(fù)合電源系統(tǒng)，在正向仿真軟件AVL CRUISE中搭建復(fù)合電源模型及整車(chē)模型，在 Matlab/simulink中建立復(fù)合電源功率分配策略，兩者進(jìn)行聯(lián)合仿真，通過(guò)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證功率分配策略的合理性。

1 復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)匹配

復(fù)合電源設(shè)計(jì)思想的本質(zhì)是將整車(chē)的能量需求和功率需求解耦，整車(chē)能量需求由能量型動(dòng)力電池提供，功率需求由功率型超級(jí)電容提供。能量需求確定電源系統(tǒng)容量，功率需求確定功率型元件參數(shù)。

1.1 復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)合電源表現(xiàn)出的特性有所不同。復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般具有兩種形式[11]：第一種是超級(jí)電容與雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器串聯(lián)后再與動(dòng)力電池并聯(lián)到直流母線，如圖1(a)所示。此結(jié)構(gòu)拓寬了超級(jí)電容的工作范圍，但存在功率輸出的滯后性。第二種是動(dòng)力電池與雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器串聯(lián)后再與超級(jí)電容并聯(lián)到直流母線相連，如圖1(b)。此結(jié)構(gòu)有利于超級(jí)電容快速輸出啟動(dòng)、加速、爬坡時(shí)的功率和制動(dòng)能量快速回收。本文研究對(duì)象是一款插電式混合動(dòng)力城市公交車(chē)，其運(yùn)行工況復(fù)雜，加減速頻繁，且需要快速響應(yīng)功率需求，因此采用第二種結(jié)構(gòu)形式。改造后的整車(chē)儲(chǔ)能裝置和驅(qū)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 整車(chē)儲(chǔ)能裝置和驅(qū)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)

1.2 復(fù)合電源參數(shù)匹配

復(fù)合電源參數(shù)合理匹配，能發(fā)揮兩種儲(chǔ)能裝置的性能優(yōu)勢(shì)，提高電源效率及整車(chē)的工況適應(yīng)性[12-14]。整車(chē)部分參數(shù)如表1所示。

表1 整車(chē)部件參數(shù)

以中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況為路況基準(zhǔn)，采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)式(1)，得出工況在每個(gè)時(shí)刻的整車(chē)功率需求，然后對(duì)功率積分，可以算出在整個(gè)循環(huán)工況中的能量分布情況。

式中，ηT為傳動(dòng)效率；m為整車(chē)整備質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積。通過(guò)計(jì)算求得電機(jī)平均功率需求P_AVE為20 kW，峰值功率P_PEAK為90 kW。

復(fù)合電源中，超級(jí)電容選擇單節(jié)額定電壓48 V，容量145 F的超級(jí)電容。

約束條件(1)：超級(jí)電容與直流母線直接相連，超級(jí)電容組額定電壓需與電機(jī)額定電壓相當(dāng)，當(dāng)電機(jī)額定電壓為380V，超級(jí)電容節(jié)數(shù)節(jié)。

約束條件(2)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，超級(jí)電容能提供10 s的峰值功率，因此超級(jí)電容所要求的總能量Ecap要大于10 s能輸出的峰值能量Epeak，其中Ecap和Epeak分別為：

式中，Ccap為超級(jí)電容的標(biāo)稱(chēng)容量；Umax為超級(jí)電容額定電壓；Umin為最小電壓，取額定電壓的一半；E為超級(jí)電容能量，C為串聯(lián)后總?cè)萘?；t為持續(xù)時(shí)間；λ為超級(jí)電容安全系數(shù)，為 1.2；n為超級(jí)電容節(jié)數(shù)；U為端電壓。經(jīng)式(4)計(jì)算可得 n≥ 6.7，滿足條件，即 n= 8。

在該匹配方案中，需8節(jié)靜電容量為145 F，標(biāo)稱(chēng)電壓48 V的超級(jí)電容串聯(lián)，通過(guò)式(5)得到超級(jí)電容存儲(chǔ)電量為 E=1/2×(145/8)2=1336320，J=0.37 kWh，比能量Es_cap=2.3 wh/kg，得到超級(jí)電容總質(zhì)量M_cap=160 kg，比功率Ps_cap=2.1 kW/kg，計(jì)算得到峰值輸出功率Ppeak_cap=338 kW，遠(yuǎn)大于電機(jī)峰值功率P_PEAK，功率需求滿足條件。

動(dòng)力電池只需滿足車(chē)輛行駛時(shí)的平均功率即可，為了保證動(dòng)力電池電流工作在安全區(qū)域內(nèi)，選取單體電壓為3.8 V的動(dòng)力電池，其充放電率應(yīng)不超過(guò)1.5 C，則動(dòng)力電池容量為：

式中，Cbat為動(dòng)力電池容量；Ubat為動(dòng)力電池電壓460 V。計(jì)算結(jié)果動(dòng)力電池容量 29 Ah，圓整取30 Ah。

在該方案中，選取121節(jié)單節(jié)電壓為3.8 V，容量30 Ah的動(dòng)力電池，將動(dòng)力電池容量換算成電量約為13.80 kWh，比能量Es_bat=100 Wh/kg，得到 電 池 總 質(zhì) 量 M_bat=138 kg， 比 功 率Ps_bat=0.25 kW/kg，在1 C放電范圍內(nèi)動(dòng)力電池最大輸率 Ppeak_cap=34.7 kW，大于電機(jī)平均功率P_AVE，功率需求滿足條件。動(dòng)力電池和超級(jí)電容的節(jié)數(shù)與容量匹配結(jié)果如表2所示。

表2 復(fù)合電源參數(shù)匹配結(jié)果

2 復(fù)合電源系統(tǒng)功率分配策略

改造后的PHEV復(fù)合電源系統(tǒng)，根據(jù)DC/DC輸出端電壓調(diào)節(jié)功率分配，這是一種主動(dòng)控制方式。

復(fù)合電源共同承擔(dān)電機(jī)控制器的功率需求，其中電池承擔(dān)穩(wěn)定的平均功率，超級(jí)電容憑其良好地充放電特性調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的功率需求，如加速工況快速釋放功率，制動(dòng)工況回收能量。具體控制方法是：控制策略通過(guò)輸入的需求功率P_REQ、離合器狀態(tài)、動(dòng)力電池荷電狀態(tài)SOC_BAT、超級(jí)電容荷電狀態(tài)SOC_UC等變量進(jìn)行判定計(jì)算，確定復(fù)合電源的功率分配，分配方式如式(7)，復(fù)合電源控制策略如圖3，控制策略具體邏輯方式如圖4所示。

圖3 控制策略示意圖

式中，P_REQ為整車(chē)需求功率；P_BAT為動(dòng)力電池分配功率；P_UC為超級(jí)電容分配功率；ηDC為DC/DC變換器工作效率。

如圖4所示，在制動(dòng)減速工況下，P_REQ小于0，復(fù)合電源系統(tǒng)回收制動(dòng)能量，此時(shí)需要充分利用超級(jí)電容對(duì)大功率瞬間吸收的高比功率特性，超級(jí)電容回收制動(dòng)能量，并對(duì)其充電，以提高制動(dòng)能量的利用率，同時(shí)避免了制動(dòng)時(shí)大電流對(duì)動(dòng)力電池的沖擊，可減少動(dòng)力電池循環(huán)充電次數(shù)，保證了動(dòng)力電池的壽命；在非減速制動(dòng)工況下，即P_REQ≥0，離合器1斷開(kāi)時(shí)，PHEV以串聯(lián)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式工作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供整車(chē)需求功率，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入功率將由復(fù)合電源系統(tǒng)提供，當(dāng)SOC_BAT大于下限值0.4時(shí)，電機(jī)需求功率小于平均需求功率 P_AVE，利用動(dòng)力電池比能量高的特性，動(dòng)力電池穩(wěn)定的對(duì)外輸出功率，當(dāng)電機(jī)需求功率大于P_AVE時(shí)，此時(shí)功率需求比較高，若SOC_UC高于其中間值0.6時(shí)，考慮到減少動(dòng)力電池大功率輸出及雙向DC/DC變換器存在功率輸出的滯后性，電機(jī)需求功率將完全由超級(jí)電容提供；同樣，當(dāng)SOC_UC低于中間值時(shí)由動(dòng)力電池、超級(jí)電容共同提供功率，保證整車(chē)的功率需求；SOC_BAT低于下限值時(shí)，動(dòng)力電池電量少，為了保護(hù)電池，此時(shí)功率全部由超級(jí)電容提供；在離合器閉合時(shí)，PHEV以并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式工作，此時(shí)整車(chē)需求功率主要由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，不足部分由電機(jī)提供，而電機(jī)的輸入功率由超級(jí)電容提供。

圖4 復(fù)合電源控制策略

在復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配置了雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，在軟件AVL CRUISE中，其控制方式有兩種，分別是理想電壓控制和電流控制。若采用理想電壓控制，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器會(huì)穩(wěn)定設(shè)置額定電壓，在BUCK模式下，低電壓端電壓由設(shè)定的低壓端額定電壓控制；在BOOST模式下，高電壓端由設(shè)定的高壓端額定電壓控制。若采用電流控制，無(wú)需設(shè)置雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的閾值電壓，傳輸電流的大小由指定的控制策略決定?？紤]到直流母線中電壓是隨時(shí)變化的，并且需要調(diào)節(jié)雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出端的電壓來(lái)控制復(fù)合電源功率分配，因此選擇電流控制方法。電流控制最關(guān)鍵的參數(shù)是 BUCK 模式下的電流限制系數(shù) αDC,Buck和BOOST 模式下的電流限制系數(shù) αDC,Boost。αDC,Buck、 αDC,Boost計(jì)算方式如式(8)、(9)。

DC/DC交換器最大轉(zhuǎn)換功率，取50 kW。

3 仿真分析

利用 Matlab/simulink建立的復(fù)合電源功率和整車(chē)能量管理策略，通過(guò) Interface接口與 AVL CRUISE進(jìn)行聯(lián)合仿真，如圖5所示。

圖5 整車(chē)控制策略

選擇中國(guó)城市典型公交循環(huán)工況進(jìn)行仿真分析，復(fù)合電源功率分配仿真結(jié)果如圖 6所示。在圖 6上中，復(fù)合電源功率分配能滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率需求，具體功率分配情況如圖 6下，在800～805 s之間，有P_REQ大于P_AVE，此時(shí)電機(jī)需求功率全部由超級(jí)電容提供；在810～815 s之間，由于前段時(shí)間超級(jí)電容一直向外輸出功率，導(dǎo)致SOC_UC低于中間值，此時(shí)由動(dòng)力電池向外輸出功率，一部分功率滿足電機(jī)的功率需求，另一部分功率對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電；在816 s時(shí)，整車(chē)處于制動(dòng)工況，電機(jī)的制動(dòng)功率全部由超級(jí)電容吸收。仿真結(jié)果符合功率分配策略的控值目標(biāo)。

圖6 電功率分配曲線

改造前單一動(dòng)力電源系統(tǒng)與改造后復(fù)合電源系統(tǒng)的對(duì)比仿真曲線圖如圖7所示，圖7上為復(fù)合電源系統(tǒng)動(dòng)力電池、超級(jí)電容及單一電源中動(dòng)力電池的SOC仿真結(jié)果曲線圖，將復(fù)合電源系統(tǒng)初始SOC_BAT 、SOC_UC均設(shè)為86%，在整個(gè)工況仿真中，由于存在超級(jí)電容功率調(diào)節(jié)的作用，在電量消耗階段，復(fù)合電源中SOC_BAT較單一電源中SOC_BAT不僅下降速度慢，且減少了動(dòng)力電池的循環(huán)充電次數(shù)，增加了純電動(dòng)行駛的里程數(shù)。在低于平均功率需求時(shí)，動(dòng)力電池能穩(wěn)定地輸出功率，高于平均功率時(shí)，超級(jí)電容參與功率輸出，SOC_UC變化波動(dòng)大，充分發(fā)揮超級(jí)電容特性，在制動(dòng)負(fù)功率時(shí)，超級(jí)電容能吸收大功率，提高能量回收效率。圖7下為復(fù)合電源系統(tǒng)動(dòng)力電池、超級(jí)電容及單一電源中動(dòng)力電池的電流仿真結(jié)果曲線圖，在改造前動(dòng)力電池充放電電流較大，最大放電電流達(dá)到299 A，最大充電電流325 A，均

超出了動(dòng)力電池的安全工作區(qū)間，會(huì)造成動(dòng)力電池不可修復(fù)的損傷。而在復(fù)合電源系統(tǒng)中，動(dòng)力電池的最大放電電流86 A，而超級(jí)電容的最大放電電流可達(dá)470 A，最大充電電流達(dá)到412 A，充分發(fā)揮了超級(jí)電容的大電流充放電特性，同時(shí)又避免了充放電大電流對(duì)電池沖擊，有利于提高電池的工作效率。在能量分配策略相同的前提下，仿真結(jié)果如表 3所示，使用復(fù)合電源后，燃油經(jīng)濟(jì)性提高3.4%，純電動(dòng)行駛里程數(shù)增加1.3%，說(shuō)明復(fù)合電源功率分配策略的有效性。

圖7 仿真結(jié)果對(duì)比圖

表3 仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

改造后的復(fù)合電源系統(tǒng)與單一電源系統(tǒng)相比，能減少動(dòng)力電池循環(huán)充電次數(shù)，限制動(dòng)力電池充放電功率，超級(jí)電容能瞬間吸收和輸出大電流，有效改善動(dòng)力電池使用工況，同時(shí)能提高整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性和純電動(dòng)行駛里程，從而驗(yàn)證復(fù)合電源系統(tǒng)的可行性。

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The Power Allocation Strategy for Plug-in Hybrid Electric Vehicle Hybrid Power System

Gao Jianping, Zhao Jinbao, Ge Jian, Xi Jianguo
(Vehicle & Transportation College, Henan University of Science & Technology, Luoyang Henan 471000, China)

According to the vehicle performance requirements and driving cycle, the original single power system of a plug-in hybrid electric vehicle is transformed into hybrid power system which is consist of battery and super-capacitor that are matched by decoupling the requirement of energy and power. The power allocation strategy of hybrid power is built in Matlab/simulink. The simulation results show that the hybrid power system can reduce the battery charge cycles, effectively avoid the impact of battery from the large current and can give full play to high power characteristics of super-capacitor. Comparing with the former, the fuel economy and pure electric mileage are increased by 3.4% and 1.3%.

battery; super-capacitor; hybrid power system; plug-in hybrid electric vehicle

U 469.7

A

2095-302X(2015)04-0603-06

2014-05-29；定稿日期：2014-11-28

國(guó)家“863”計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2012AA111603)；河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(132300410151)

高建平(1976–)，男，河南洛陽(yáng)人，副教授，博士。主要研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)整車(chē)控制研究。E-mail：gjpcar@gmail.com