鋰電池與超級電容混合電動汽車系統(tǒng)在環(huán)綜合測試

鄭　悅 　謝長君　黃　亮 　全書海 　譚保華

1.武漢理工大學(xué)， 武漢，430070

2.太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 武漢，430068

3.湖北工業(yè)大學(xué)， 武漢，430068

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鋰電池與超級電容混合電動汽車系統(tǒng)在環(huán)綜合測試

鄭悅1謝長君1黃亮1全書海1譚保華2,3

1.武漢理工大學(xué)， 武漢，430070

2.太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 武漢，430068

3.湖北工業(yè)大學(xué)， 武漢，430068

摘要：利用超級電容的功率密度高及可大電流充放電等特點，提出并設(shè)計了鋰電池與超級電容雙能源電電混合動力系統(tǒng)，建立了基于交流電力測功機的混合動力系統(tǒng)在環(huán)綜合測試臺架。采用70.4 V/40 A·h的磷酸鐵鋰電池組與48.6 V/165 F超級電容模組進行混合，并設(shè)計了基于綜合測試臺架的后向工況測試流程。最后采用UDDS動態(tài)工況，完成對基于模糊PID控制的雙能源能量管理策略系統(tǒng)的在環(huán)測試。測試結(jié)果表明，通過混合結(jié)構(gòu)及能量管理策略，鋰電池組的充放電電流均限制在1 C范圍內(nèi)，超級電容承擔(dān)大部分電流波動，保護了鋰電池組。

關(guān)鍵詞：鋰電池；超級電容；UDDS工況；系統(tǒng)在環(huán)測試；混合系統(tǒng)能量管理

0引言

隨著能源與環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，使用清潔能源的電動汽車具有廣闊的發(fā)展前景。由于鋰電池具有能量密度高、輸出電壓穩(wěn)定等特性，目前純電動汽車一般采用鋰電池作為唯一驅(qū)動電源，而提高鋰電池車載動態(tài)工況下的使用壽命是目前亟需解決的關(guān)鍵問題[1-2]。針對此問題，利用超級電容功率密度高、可大電流充放電等特點[3-4]，本文提出并設(shè)計了一種鋰電池與超級電容雙能源電電混合動力系統(tǒng)。

雙能源動力系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何分配兩種能源的功率輸出，即能量管理策略。目前混合動力系統(tǒng)開發(fā)常見的能量管理策略分為三類：基于簡化模型或邏輯規(guī)則的策略[5]，基于模糊控制及預(yù)測控制等智能控制方法的策略[6]，基于動態(tài)規(guī)劃與極小值原理等動態(tài)優(yōu)化方法的策略[7]。其中，基于模糊邏輯控制器的控制方法在國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛，如吳劍等[6]將模糊能量管理策略應(yīng)用在并聯(lián)式油電混合動力汽車上，采用粒子群優(yōu)化方法來確定隸屬度函數(shù)。經(jīng)過分析，本文基于模糊控制PID算法設(shè)計了雙能源能量管理策略，以實現(xiàn)合理分配兩種能源輸出功率的目的。

能量管理策略的驗證評估一般采取軟件仿真測試和硬件在環(huán)測試兩種方法。軟件仿真測試依賴于準(zhǔn)確的模型和軟件工具，如MATLAB/Simulink、ADVISOR、PSAT等軟件[8]。硬件在環(huán)測試則結(jié)合了仿真模型和物理硬件，如MD Petersheim通過物理硬件和虛擬仿真之間的實時互動建立了一種半實物仿真實驗平臺[9]。不同于傳統(tǒng)軟件仿真和硬件在環(huán)測試方法，本文建立了一個基于交流電力測功機的混合動力系統(tǒng)在環(huán)綜合測試臺架，臺架將能量管理策略嵌入到整車動力系統(tǒng)進行在環(huán)測試，最大程度地逼近實際車輛，對本文提出的鋰電池與超級電容混合動力系統(tǒng)及能量管理策略進行在環(huán)測試。

1電電混合電動汽車系統(tǒng)在環(huán)測試臺架

1.1鋰電池與超級電容電電混合動力系統(tǒng)

鑒于超級電容具有極高的功率密度、極強的瞬時充放電能力[4]等特點，本研究提出一種鋰電池與超級電容電電混合動力系統(tǒng)，并基于已建立的電動汽車動力系統(tǒng)在環(huán)測試臺架進行在線測試。測試臺架基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用交流電力測功機模擬整車動態(tài)路況負載，永磁同步電機作為整車驅(qū)動電機，電機驅(qū)動能源來自于鋰電池組與超級電容構(gòu)成的混合動力系統(tǒng)，其中鋰電池組直接與電機控制器相連，構(gòu)成直流母線Ubus，超級電容則通過雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器與母線相連。整個動力系統(tǒng)采用實車應(yīng)用的CAN網(wǎng)絡(luò)進行連接，主控制臺IPC嵌入動力控制與能量管理單元，實現(xiàn)對整車動態(tài)路況的模擬和雙能源的能量在線管理。

圖1　電動汽車動力系統(tǒng)在環(huán)測試臺架結(jié)構(gòu)圖

具體來說，本文以輕型電動汽車為模擬對象，建立的整車模型參數(shù)與動力系統(tǒng)配置如表1所示，其中鋰電池組由22節(jié)40 A·h磷酸鐵鋰電池串聯(lián)構(gòu)成，故直流母線額定電壓設(shè)計為70.4 V，超級電容模組由兩組48.6 V/165 F商用Maxwell超級電容模塊并聯(lián)構(gòu)成。

表1　整車參數(shù)與動力系統(tǒng)配置

1.2動力系統(tǒng)后向工況測試流程

如圖1所示，測試臺架采用后向測試模式，即根據(jù)表1所示整車參數(shù)、通過ADVISOR仿真軟件離線導(dǎo)出了整車動態(tài)工況數(shù)據(jù)庫，包括電機扭矩及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)庫。控制臺測試軟件首先調(diào)用離線動態(tài)工況數(shù)據(jù)庫，并通過CAN總線實時發(fā)送扭矩TM及轉(zhuǎn)速nM(已知控制變量)到電機，從而控制永磁同步驅(qū)動電機的實時扭矩，以及控制測功機交流電機的實時轉(zhuǎn)速；測試軟件調(diào)用能量管理EMS模塊，獲得雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電流IDC(目標(biāo)控制變量)，并通過CAN總線實時控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出。

測試系統(tǒng)中，驅(qū)動電機的扭矩、負載電機的轉(zhuǎn)速是計算電機需求功率的兩個重要參數(shù)。采用高精度HBMT40扭力環(huán)作為測試臺架的電機扭矩及轉(zhuǎn)速監(jiān)測裝置，它連接在牽引電動機與連接軸之間，扭矩額定量程為500 N·m到3000 N·m，以±10 V模擬電壓量輸出。采用法國C.A單相電能質(zhì)量分析儀CA8230對鋰電池組的逆變交流電進行質(zhì)量分析，質(zhì)量分析結(jié)果及數(shù)據(jù)上傳到工控機保存。HBTT40扭力環(huán)與CA8230電能質(zhì)量分析儀詳細記錄扭矩、轉(zhuǎn)速、鋰電池組電流、電壓等數(shù)據(jù)，對混合動力系統(tǒng)進行更精確的數(shù)據(jù)管理。

圖2　后向工況測試流程圖

后向工況測試流程如圖2所示，在它的一個循環(huán)中選擇后向運行測試，測試軟件調(diào)用動態(tài)工況數(shù)據(jù)庫的電機扭矩、轉(zhuǎn)速兩個變量。測試軟件對當(dāng)前電機狀態(tài)、鋰電池SOC狀態(tài)(由CAN總線實時采集)進行檢測，當(dāng)電機扭矩為負值且SOC值大于充電上限80%時，將扭矩置0；反之，若電機扭矩非負且鋰電池組的SOC值安全，則將扭矩發(fā)送給永磁同步驅(qū)動電機，測功機交流電機也獲得轉(zhuǎn)速(電機設(shè)定為轉(zhuǎn)矩控制模式，驅(qū)動電機和交流電力測功機同軸運轉(zhuǎn)，驅(qū)動電機處于轉(zhuǎn)矩控制模式，則測功機處于轉(zhuǎn)速控制模式)。將轉(zhuǎn)矩值和轉(zhuǎn)速值代入電機功率計算公式PM=TMnM/9550中，得到電機需求功率PM，工控上位機根據(jù)需求功率PM、鋰電池組SOC值確定DC/DC控制器的輸出電流IDC，此即能量管理策略的應(yīng)用；最后，在完成數(shù)據(jù)采集后，單次采樣周期的控制回路結(jié)束。所有變量的測量值和輸出控制變量通過CAN總線傳送，在動態(tài)工況整車后向循環(huán)測試的每個采樣周期中將產(chǎn)生三個控制變量，即扭矩TM，轉(zhuǎn)速nM和DC/DC控制器輸出電流IDC。其中，扭矩TM、轉(zhuǎn)速nM是已知的控制變量，因此，后向測試最重要的目標(biāo)就是從EMS獲取IDC模塊。

2雙能源能量在線管理策略

在整車運行的不同時間階段，電動汽車對應(yīng)著不同的需求功率。雙能源的工作模式是鋰電池組承擔(dān)基本驅(qū)動或制動吸收功率需求，超過基本功率部分由超級電容承擔(dān)。控制臺內(nèi)嵌能量管理模塊EMS，具體實現(xiàn)超級電容與鋰電池組雙能源能量在線管理，其控制對象為DC/DC的輸出電流IDC。

當(dāng)整車處于起步階段或者整車處于勻速狀態(tài)，電機需求功率較低，鋰電池組單獨驅(qū)動電機并給超級電容組充電，動力輸出如下：

(1)

其中，下標(biāo)LI表示鋰電池組，下標(biāo)CAP表示超級電容；ηLI_CAP或ηCAP_LI為DC/DC雙向能量調(diào)節(jié)器功率轉(zhuǎn)換率。

整車加速爬坡時，電機需求功率高，超級電容和鋰電池組共同驅(qū)動電機，超級電容的高功率密度保證超級電容能加速放電，瞬間釋放極高的能量，保證鋰電池相對平穩(wěn)地放電，雙能源供能表達式如下：

(2)

當(dāng)整車制動時，驅(qū)動電機向直流母線回饋制動能量，鋰電池組回收電機平均制動功率，超級電容回收峰值制動功率，超級電容的高功率密度保證超級電容減速充電，瞬間吸收極高的能量，從而保護鋰電池，雙能源回收制動能量表達式如下：

(3)

由圖1測試臺架的基本結(jié)構(gòu)可知，超級電容通過雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器與母線相連，從而轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定可靠的直流電源；鋰電池組、DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出相并聯(lián)，它們的輸出電壓都等于直流母線電壓Ubus。由IDC、Ubus和PM可以推算出超級電容、鋰電池組的功率，即得到雙能源之間的功率關(guān)系，其推算公式如下：

(4)

PDC=PCAPηDC=UbusIDC

(5)

式中，PDC為DC/DC變換器的輸出功率；PLI為鋰電池組的輸出功率；PM為電機功率；PCAP為超級電容的輸出功率；ηDC為DC/DC變換器的功率轉(zhuǎn)換率；ηM為電機功率轉(zhuǎn)換率。

EMS根據(jù)動態(tài)路況負載和雙能源實時狀態(tài)，通過控制IDC來調(diào)節(jié)期望的直流母線電壓Ubus。當(dāng)直流母線電壓正偏離目標(biāo)值時，IDC將負調(diào)節(jié)(IDC<0，超級電容充電)，這表明超級電容將吸收通過DC/DC變換器的直流母線的能量；當(dāng)直流母線電壓負偏離目標(biāo)值，IDC將正調(diào)節(jié)(IDC>0，超級電容放電)，這表明超級電容將通過DC/DC變換器釋放能量給直流母線。IDC的絕對值隨著偏離度的增大而增大。

為確定DC/DC控制器的輸出電流IDC，本研究在系統(tǒng)中建立了模糊PID控制器。具體來說，首先模糊控制有兩個輸入量，其一為實際直流母線電壓Ubus與期望直流母線電壓Up之偏差E=ΔU=Ubus-Up，其二為電壓偏差的變化率EC=dΔU/dt；輸出量是DC/DC變換器的輸出電流IDC。在模糊控制算法中，基于簡單解析式的模糊推理規(guī)則將E、EC和N的域設(shè)置為相同的，即E=EC=N={-m，…，-1，0，1，…，m}，m為域邊界?？刂谱兞縉可以由下式推導(dǎo)：

(6)

式中，N為模糊域設(shè)值，N∈(0,1)；α為誤差值E的加權(quán)系數(shù)。

在具有較大誤差的控制處理的初始階段，其主要目的是要消除誤差，因此誤差值E的加權(quán)系數(shù)α應(yīng)該更大。當(dāng)控制過程趨于穩(wěn)定階段,誤差較小時，主要目的是減小超調(diào)，則需要偏差變化率EC的加權(quán)系數(shù)(1-α)更大。因此，誤差E>m/2時，令α=0.35；誤差E

在此基礎(chǔ)上結(jié)合PID控制算法，利用模糊控制器來給PID控制器在線自整定PID參數(shù)IDC，即以DC/DC輸出電壓(數(shù)值上等于Ubus)為目標(biāo)輸出值，以DC/DC輸出電流IDC為輸入控制量，采用PID算法推出DC/DC輸出電流值IDC。這樣，構(gòu)成的模糊自整定參數(shù)PID控制器，能更加適應(yīng)非線性且時變的雙能源系統(tǒng)，通過確定與調(diào)節(jié)N的值后，即可實現(xiàn)超級電容與鋰電池組雙能源能量的在線管理。

3基于UDDS工況的系統(tǒng)后向在環(huán)綜合測試與分析

3.1UDDS工況

為模擬并測試混合動力系統(tǒng)的動態(tài)性能，本文結(jié)合驅(qū)動電機的參數(shù)、超級電容的功率特性等因素，選擇動態(tài)波動較大的UDDS工況模擬整車負載。UDDS工況為美國環(huán)境保護署EPA制定的城市道路循環(huán)工況。UDDS工況如圖3所示。

圖3　UDDS工況

根據(jù)圖3可以得到UDDS工況的具體參數(shù)：一次循環(huán)時間為1367 s，行駛路程為11.99 km，最高車速為91.25 km/h，平均車速為31.51 km/h，最大加速度為1.48 m/s2，最大減速度為-1.48 m/s2，空載時間259 s，停車次數(shù)為17。

3.2面向系統(tǒng)能量管理的后向在環(huán)測試與分析

調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)嵌控制策略進行工況仿真測試，驅(qū)動電機、測功機在UDDS工況下運行,循環(huán)執(zhí)行多次后取其中一次所得數(shù)據(jù)繪制成曲線，其中永磁同步驅(qū)動電機反饋的實時扭矩與時間的關(guān)系如圖4所示，三相異步交流電力測功機反饋的實時轉(zhuǎn)速與時間的關(guān)系如圖5所示。與UDDS標(biāo)準(zhǔn)工況的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速-時間曲線對比，電機的實際轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速較好地跟隨了設(shè)定的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速值，整車較好地實現(xiàn)了后向仿真運行,電機的驅(qū)動性能良好。

圖4　工況模擬下的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩曲線

圖5　工況模擬下的測功機轉(zhuǎn)速曲線

鋰電池組在UDDS工況下的輸出電流及SOC值變化曲線如圖6、圖7所示。由圖6可知，鋰電池組電流ILI最大值不超過35 A，鋰電池組的放電電流的保持在較低水平(額定容量內(nèi))；整個工況時間中，電流ILI存在負值，說明在動態(tài)運行的過程中鋰電池組被充電?？傊囯姵亟M的輸出、輸入電流處于一個安全范圍內(nèi)，充放電電流均限制在1C。由圖7可知，鋰電池組SOC初始值為67.2%，在一個UDDS工況循環(huán)后被下拉了8.8%，終值為58.4%，即在工況運行下鋰電池組電荷是被消耗的。鋰電池組由獨立電池管理系統(tǒng)BMS進行管理。

圖6　鋰電池組電流變化曲線

圖7　鋰電池組SOC值變化曲線

超級電容組在UDDS工況下的輸出電流、輸出電壓變化曲線如圖8、圖9所示。由圖8可知，超級電容的最大放電電流約為300 A，最大充電電流約為350 A。由圖9可知，超級電容的初始電壓值為46.8 V，終值為45.2 V(接近初始值)，最小電壓為25 V；圖9中上方的曲線表示整個運行中的鋰電池組與驅(qū)動電機并聯(lián)下的直流母線電壓Ubus，它一直保持在比較平穩(wěn)的水平(69.5 V~72.4 V)，在期望直流母線電壓Up=70 V上下浮動。

圖8　超級電容組輸出電流變化曲線

圖9　超級電容和直流母線輸出電壓變化曲線

本平臺通過能量管理控制策略對DC/DC的給定電流IDC值進行了預(yù)測,從而實現(xiàn)對超級電容和鋰電池組輸出功率的最佳配置。電機需求功率、超級電容輸出功率、鋰電池組輸出功率如圖10、圖11所示，它們?nèi)叩墓β使┬梵w現(xiàn)出不同工作模式下動力系統(tǒng)的功率守恒關(guān)系。首先，鋰電池組由于其自身的電壓-電流特性而具有較大的功率波動。其次，鋰電池組放電、充電功率都較小，相應(yīng)地，超級電容的最大放電功率約8 kW，最大充電功率約9 kW，其功率變化曲線和電機需求功率變化趨勢是一致的。

圖10　電機需求功率與超級電容輸出功率

圖11　鋰電池組輸出功率

由此可以得出結(jié)論：混合動力系統(tǒng)可以充分利用雙能量源的特性。在整個UDDS工況循環(huán)運行下，雙能源(鋰電池組和超級電容)為快速適應(yīng)動態(tài)負載的要求而不斷調(diào)整其輸出功率，鋰電池組能量密度高但功率密度低，而超級電容具有有限的存儲容量但可以在加速階段提供瞬態(tài)大功率。因此，雙能源的配置合理，這種配置方式充分利用了超級電容的高功率密度的特性，降低了鋰離子電池的循環(huán)使用次數(shù)且可避免大電流對鋰離子電池的損害，從而提高了鋰電池組的使用壽命。

4結(jié)語

本文設(shè)計了一個以鋰電池組與超級電容并聯(lián)的雙能源混合動力系統(tǒng)，并采用交流電力測功機模擬動態(tài)路況負載、永磁同步電機為驅(qū)動電機，建立了混合動力系統(tǒng)的在環(huán)綜合測試臺架?；谠摶旌蟿恿ο到y(tǒng)，研究了基于模糊PID控制算法的雙能源能量管理策略。在UDDS工況下對此系統(tǒng)進行了后向在環(huán)綜合測試與分析，仿真結(jié)果表明超級電容能滿足瞬時動態(tài)負載的要求，鋰電池組與超級電容給動力系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的直流母線電壓、電流和輸出功率，即能量管理系統(tǒng)對雙能源的輸出功率進行了合理的配置，且超級電容承擔(dān)了大部分電流波動，限制了鋰電池組的充放電電流。下一步將繼續(xù)深化研究鋰電池與超級電容的能量管理策略，并完善提高綜合測試臺架的控制和檢測精度。

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(編輯王旻玥)

Powertrain in Loop Test System of Hybrid Electric Vehicles Combined Lithium Battery and Super Capacitor

Zheng Yue1Xie Changjun1Huang Liang1Quan Shuhai1Tan Baohua2,3

1.Wuhan University of Technology, Wuhan， 430070 2.Hubei Collaborative Innovation Center for High-efficiency Utilization of Solar Energy，Hubei University of Technology， Wuhan，430068 3.Hubei University of Technology, Wuhan, 430068

Abstract：A hybrid power system combined lithium battery and super capacitor was proposed and designed by using super capacitor’s advantages, such as high power density and better charge and discharge properties. A powertrain in a loop test bench was established based on the AC electrical dynamometer. Secondly, the test station powered by a 70.4V/40A·h lithium battery pack and two 48.6V/165F super capacitor bank was designed and constructed on the basis of stand-alone module. The backward test method was designed for the powertrain test bench. Finally, a fuzzy-PID controller was devised for the energy management of hybrid powertrain and an UDDS driving cycle was carried out. The test results show that the charge and discharge currents of lithium battery pack are restricted below 1C, and the most current fluctuation is undertook by super capacitor bank, which can protect the lithium battery pack.

Key words：lithium battery; super capacitor; UDDS driving cycle; powertrain in loop test; energy management of hybrid powertrain

作者簡介：鄭悅， 女，1991年生。武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院碩士研究生。主要研究方向為汽車測試平臺。謝長君(通信作者)，男，1980年生。武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院教授。黃亮，男，1979年生。武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院副教授。全書海，男，1955年生。武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。譚保華，男，1978年生。太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心工程師，湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院副教授。

中圖分類號：U469.72

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.06.021

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2013CB632505)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51477125, 61374050)；湖北省科技支撐計劃資助項目(2014BEC074)

收稿日期：2015-05-18