電動汽車用復(fù)合電源的建模與仿真研究

劉弘偉，王婷，王益春

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

電動汽車用復(fù)合電源的建模與仿真研究

劉弘偉，王婷，王益春

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

復(fù)合電源對電動汽車的續(xù)使里程和動力性發(fā)揮著巨大的作用，文章對蓄電池-超級電容純電動汽車的能量管理策略進行分析。分析了純電動汽車行駛中的四種工作模式以及行駛中受到的阻力，并建立相應(yīng)的汽車能量管理策略的數(shù)學(xué)模型。

純電動汽車；復(fù)合電源；能量管理策略

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-16-03

前言

采用什么方法能夠最大限度的保護環(huán)境和節(jié)約資源成為了汽車能否可持續(xù)發(fā)展下去的關(guān)鍵所在[1]。

由于純電動汽車在行駛中零排放的優(yōu)點，可以極大的改善能源危機和環(huán)境污染等問題，所以電動汽車的研究也被各國政府所重視。但是受到蓄電池充電時間長，壽命低等性能方面的影響，使純電動汽車的續(xù)使里程難以與傳統(tǒng)的燃油車相比。所以如何通過增加蓄電池的壽命和高效的利用蓄電池的高比能量是現(xiàn)代純電動汽車研究的關(guān)鍵。

基于蓄電池-超級電容的雙能量源汽車，不僅能充分利用蓄電池的高比能量，也能發(fā)揮超級電容的高比功率優(yōu)點，在需要瞬間的高功率時可以由超級電容來提供，有效地增加了蓄電池的壽命。

如何有效的分配雙能量源電動汽車的能量，合理的分配兩者之間的功率，是電動汽車獲得良好性能的前提。本文通過對蓄電池-超級電容電動汽車的工作模式和行駛中受到的功率等進行分析，建立有效的能量策略模型，使電動車的性能得到有效的提高。

1、復(fù)合電源結(jié)構(gòu)選型

基于蓄電池-超級電容的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)由蓄電池、超級電容、電機、DC/DC轉(zhuǎn)換器和逆變器等組成。目前復(fù)合電源驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式大致有四種，拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]：（a）無DC/DC結(jié)構(gòu)，直接并聯(lián)式；（b）超級電容器與DC/DC串聯(lián)式；（c）蓄電池與DC/DC串聯(lián)式；（d）雙DC/DC結(jié)構(gòu)。

圖1 復(fù)合電源驅(qū)動系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

四種復(fù)合電源結(jié)構(gòu)經(jīng)過研究與分析，結(jié)構(gòu)（b）為最理想的可用于復(fù)合電源電動車的驅(qū)動系統(tǒng)。超級電容與DC/DC轉(zhuǎn)換器串聯(lián)然后再與蓄電池并聯(lián)，DC/DC轉(zhuǎn)換器用來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定直流電壓，以驅(qū)動交流電機的運行。圖2為復(fù)合電源系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。

圖2 復(fù)合電源系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2、復(fù)合電源工作模式

復(fù)合電源電動汽車的關(guān)鍵在于如何合理的分配蓄電池，超級電容器的功率。蓄電池儲存較多的能量，適于穩(wěn)定輸出的工作狀態(tài)；超級電容器儲存能量較少，但是可以實現(xiàn)大電流，大功率輸出，適合于汽車需要大功率輸出的瞬間狀態(tài)[2]。因此要在不同的道路情況下合理的分配兩者之間的能量，充分發(fā)揮出蓄電池能提供高比能量和超級電容器能提供高比功率的優(yōu)勢。

2.1 蓄電池單獨工作模式

此模式下蓄電池工作在車輛巡航行駛工況及需求功率較小的加速工況下。當(dāng)車輛勻速或者緩慢加速過程中，所需的驅(qū)動功率較小，可由蓄電池單獨提供，且不會對蓄電池造成過大的傷害，可充分發(fā)揮蓄電池的高能量密度優(yōu)勢。工作模式如圖3所示。

圖3 蓄電池單獨工作模式

2.2 超級電容器單獨工作模式

當(dāng)車輛在爬坡或者短時間加速行駛時，需要較高的瞬時功率，如果由蓄電池單獨工作，會對蓄電池的壽命產(chǎn)生很大的影響，且該工況下只需要短時功率，故能量需求不大，對超級電容器影響則不大，而且超級電容器的低溫特性較好，能很好地位車輛的低溫啟動提供必備的功率。工作模式如圖4所示。

圖4 超級電容器單獨工作模式

2.3 蓄電池和超級電容器共同工作模式

當(dāng)車輛在重載起步或者爬長大坡，急加速時，超級電容器的SOC下降到不能滿足車輛的需求功率時，為了不影響超級電容器的壽命，此時蓄電池要參加進來，來彌補超級電容器剩下的需求功率，兩者配合工作，共同驅(qū)動車輛行駛。工作模式如圖5所示。

圖5 蓄電池和超級電容共同工作模式

2.4 再生制動能量回收工作模式

當(dāng)汽車在制動減速或下坡行駛時，驅(qū)動電機會發(fā)出反轉(zhuǎn)，充當(dāng)發(fā)電機的作用，在這種狀況下，會產(chǎn)生電能輸送給復(fù)合電源。同時會根據(jù)蓄電池和超級電容器SOC的情況來進行能量回收，且優(yōu)先向超級電容器充電，避免大電流對蓄電池造成沖擊，當(dāng)充滿時則不再進行能量回收。工作模式如圖6所示。

3、復(fù)合電源系統(tǒng)建模

為了滿足汽車的最高車速，加速時間，續(xù)使里程以及制動能量回收等方面的性能，需要對驅(qū)動電機，蓄電池和超級電容的參數(shù)進行設(shè)計，建立有效的蓄電池-超級電容能量管理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

3.1 驅(qū)動電機參數(shù)設(shè)計

驅(qū)動電機作為電動汽車的惟一驅(qū)動源，參數(shù)設(shè)計的好壞決定于車輛能否更好地發(fā)揮汽車最高車速，最大爬坡度，加速時間的要求。驅(qū)動電機的參數(shù)設(shè)計主要包括最高轉(zhuǎn)速和基速，最大轉(zhuǎn)矩等。

3.1.1 最高轉(zhuǎn)速nmax和基速nb

最高轉(zhuǎn)速為：

式中，nmax----------電機最高轉(zhuǎn)速，r/min；

Vmax----------汽車最高車速，km/h；

io---------主減速比；

ig----------變速箱固定速比；

r----------車輪滾動半徑，m；

nb=nmax/β

3.2 蓄電池參數(shù)設(shè)計

蓄電池的參數(shù)設(shè)計主要包括容量和串并聯(lián)的數(shù)目。

蓄電池能提供的最大能量Ebmax應(yīng)不低于車輛在綜合工況下的續(xù)使里程的能量需求

式中，UM——蓄電池直流母線電壓，V；

QE——蓄電池容量，Ah；

ηDOD——蓄電池放電深度；

Eroad=s·e/100；

S——綜合工況下車輛的續(xù)使里程，km；

e——車輛行駛100km的能量消耗，kWh/100km；

3.3 超級電容器參數(shù)設(shè)計

超級電容器它主要利用電極/電解質(zhì)界面電荷分離所形成的雙電層，或借助電極表面，內(nèi)部快速的氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的法拉第“準(zhǔn)電容”來實現(xiàn)電荷和能量的儲存的。因此，超級電容器具有充電速度快，大電流放電性能好，超長的循環(huán)壽命，工作穩(wěn)定寬等特點[4]。超級電容器的設(shè)計也包括容量和串聯(lián)的數(shù)目。

當(dāng)超級電容器和蓄電池兩者的電壓比接近1時，DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率最高，這有助于提高復(fù)合電源系統(tǒng)的能量利用率。因此超級電容器串聯(lián)的數(shù)目取決于蓄電池的電壓，目前市場上有2.5V和2.7V兩種超級電容器的單體額定電壓，因此超級電容器的數(shù)目為蓄電池的電壓除以超級電容的單體額定電壓。

超級電容器容量大小取決于系統(tǒng)要求的放電時間，以及在充放電過程中允許的電壓變化范圍。

3.4 SOC范圍

蓄電池和超級電容的SOC應(yīng)該在一定的范圍之內(nèi)，避免過充或過放電現(xiàn)象使電源壽命受損，如果SOC過高，則不會過多的回收再生制動的能量，如果SOC過低會大大降低電池的使用壽命。SOC的范圍應(yīng)如下所示：

汽車在實際行駛中，一般設(shè)置SOC的范圍為0.3～0.9。

4、結(jié)語

復(fù)合電源功率分配控制策略主要有邏輯門限控制，PID自適應(yīng)控制，模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[5]。采用的模糊控制策略與邏輯門限控制策略相比，控制推理能力強，魯棒性好，超級電容可以更好地發(fā)揮其主動性，復(fù)合電源系統(tǒng)性能明顯提升[6]。蓄電池—超級電容器的結(jié)合不僅降低了環(huán)境污染，同時也提高了汽車的能量利用率，延長了車輛的續(xù)使里程。

[1] 王丹.電動汽車關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述[J].中國工程科學(xué).2013,15(1): 68-73.

[2] 邢峰.雙能量源純電動汽車能量管理系統(tǒng)建模研究[J].機電工程技術(shù).2016(3):37-39.

[3] 曾夢遠.純電動汽車用復(fù)合電源的建模與仿真研究[D].遼寧工業(yè)大學(xué).2016.

[4] 許檢紅.超級電容器在電動汽車上應(yīng)用的研究進展[J].電池工業(yè).2008(5):345-346.

[5] 倪穎倩.電動汽車關(guān)鍵技術(shù)——復(fù)合電源的研究[D].南京:南京理工大學(xué),2008.

[6] 王儒.基于ADVISOR的純電動汽車復(fù)合電源系統(tǒng)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報.2004,28(1):77-78.

Modeling and Simulation Research on Hybird Energy Storage System for Pure Electric Vehicles

Liu Hongwei, Wang Ting, Wang Yichun
（Automobile & Transportation Engineering College, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001）

A Composite power supply makes the range of electric vehicles and power performance plays a huge role, in the paper, the pure electric vehicle battery-supper capacitance energy management strategy is analyzed. Analysis of the four work modes in the pure electric vehicle driving and driving in resistance, and establish the corresponding mathematical model of vehicle energy management strategy.

Pure electric vehicle; composite power; energy management strategy

U469.7

A

A1671-7988(2017)01-16-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.007

劉弘偉（1992-）男，碩士，就讀于遼寧工業(yè)大學(xué)。研究方向：電動汽車關(guān)鍵技術(shù)。