一種雙電源電動(dòng)汽車(chē)的能量管理策略

葉秋藝，劉延揚(yáng)，翁美梅，伍開(kāi)蓮，宋紹劍

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004）

一種雙電源電動(dòng)汽車(chē)的能量管理策略

葉秋藝，劉延揚(yáng)，翁美梅，伍開(kāi)蓮，宋紹劍

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004）

純電動(dòng)汽車(chē)采用鋰電池+超級(jí)電容的雙電源，供電方案是解決其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性不足的有效方法。但雙電源純電動(dòng)車(chē)的能量分配策略關(guān)系到整車(chē)電池安全性等各方面，為此以磷酸鐵鋰電池組+超級(jí)電容器組混合雙電源電動(dòng)汽車(chē)測(cè)試平臺(tái)為研究對(duì)象，提出一種基于邏輯門(mén)限的能量分配策略，并完成了不同工況下系統(tǒng)能量分配策略的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所提出的能量分配策略在雙電源電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)、加速、巡航等階段能合理地分配各部分能量，提高能量回收效率和整車(chē)動(dòng)力性能。

雙能量源；純電動(dòng)汽車(chē)；能量管理；邏輯門(mén)限

傳統(tǒng)汽車(chē)曾作為人類(lèi)社會(huì)文明的標(biāo)志，為人們的生活帶來(lái)了極大的便利，但同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，例如：能源枯竭、資源短缺等，發(fā)展新能源汽車(chē)無(wú)疑是解決這一問(wèn)題的根本途徑，其中純電動(dòng)車(chē)作為幾大新能源汽車(chē)中的一員，因其“無(wú)污染、高能量轉(zhuǎn)化效率”等特點(diǎn)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。2015年10月，國(guó)務(wù)院頒布了《關(guān)于加快電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，其中明確提出，到2020年，基本建成適度超前、車(chē)樁相隨、智能高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系，滿足超過(guò)500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)的充電需求，為我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

現(xiàn)有的動(dòng)力電池普遍存在著功率密度低、低溫性能差、循環(huán)壽命短等缺陷，這成為制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵性因素。超級(jí)電容作為一種具有瞬時(shí)功率大、效率高和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的電源，它與電池的有效組合形成的雙電源純電動(dòng)汽車(chē)（下文稱(chēng)為B+C雙電源純電動(dòng)汽車(chē)）彌補(bǔ)了單一鋰電池供電的電動(dòng)汽車(chē)存在的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性不足等問(wèn)題。而兩個(gè)不同電源之間的能量分配關(guān)系到整車(chē)的加速性、制動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性、電池安全性及能量回收效率等多方面性能。因此，研究雙電源純電動(dòng)車(chē)的能量分配策略具有重要意義。

當(dāng)前有關(guān)雙電源純電動(dòng)車(chē)的研究大多是采用ADVISOR、PSAT等虛擬汽車(chē)仿真軟件，忽略了真實(shí)車(chē)輛系統(tǒng)的機(jī)械特性、動(dòng)力電池組的充電特性以及雙向DC/DC變換器的轉(zhuǎn)換效率等問(wèn)題，難以真實(shí)反映實(shí)車(chē)系統(tǒng)的特定情況[1-5]。為此，本文給出了一種以磷酸鐵鋰電池組為主電源，超級(jí)電容為輔助電源的純電動(dòng)車(chē)動(dòng)力測(cè)試平臺(tái)，并提出一種基于邏輯門(mén)限的能量分配策略，并測(cè)試系統(tǒng)在不同工況下的能量分配情況。測(cè)試結(jié)果表明：所提出的能量分配策略能在雙電源電動(dòng)汽車(chē)加速、制動(dòng)、巡航的階段切實(shí)合理的分配能量，并提高了系統(tǒng)能量回收利用率。

1 B+C雙電源純電動(dòng)汽車(chē)測(cè)試平臺(tái)組成

本文研究的B+C雙電源純電動(dòng)車(chē)測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙向DC/DC變換器先與容量為165F2、額定電壓為48 V的超級(jí)電容串聯(lián)，再與由22節(jié)單體容量為100 Ah、額定電壓為3.2 V組成的鋰電池組并聯(lián)，共同驅(qū)動(dòng)一臺(tái)額定功率是12 kW、額定電壓是72 V、最大扭矩是40 N.m、最大制動(dòng)扭矩是30 N·m、最大轉(zhuǎn)速是2 800 rpm的永磁同步直流電機(jī)。同時(shí)該平臺(tái)以ABB變頻器控制三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)模擬電動(dòng)汽車(chē)行駛的路況變化，測(cè)試平臺(tái)整車(chē)基本參數(shù)如表1所示。

圖1 磷酸鐵鋰電池純電動(dòng)汽車(chē)研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)基本參數(shù)

2 基于邏輯門(mén)的能量管理策略

為了充分發(fā)揮超級(jí)電容具有瞬時(shí)大功率充放電的優(yōu)勢(shì)，提升整車(chē)的加速性能、避免車(chē)子加速時(shí)需要瞬間大電流放電對(duì)磷酸鐵鋰電池組的沖擊，延長(zhǎng)電池組的使用壽命，同時(shí)，為了能使車(chē)子處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，更加高效地回收能量，本文提出了一種基于邏輯門(mén)限的控制策略，示意圖如圖2所示，圖中PCAP代表超級(jí)電容需求功率、PLI代表鋰電池需求功率。

圖2 邏輯門(mén)限示意圖

具體的制動(dòng)、勻速、加速過(guò)程能量流向圖如圖3、圖4和圖5所示，在制動(dòng)階段電機(jī)由于反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量完全由鋰電池組和超級(jí)電容回收；在勻速巡航階段，鋰電池為電機(jī)提供能量的同時(shí)也為超級(jí)電容進(jìn)行預(yù)充電，為下一時(shí)刻電動(dòng)汽車(chē)的加速儲(chǔ)存能量；在加速階段，鋰電池組和超級(jí)電容同時(shí)為電機(jī)提供能量以滿足電動(dòng)汽車(chē)的加速需求。

圖3 整車(chē)制動(dòng)能量回饋流向圖

圖4 整車(chē)勻速巡航能量流向圖

圖5 整車(chē)加速爬坡能量流向圖

3 各種工況下測(cè)試結(jié)果及分析

在雙能量源提供動(dòng)力的情況下，分別測(cè)試在ECE（Economic Commission of Europe）工況、UDDS（Urban Dynamometer Driving Schedule）工況下車(chē)輛磷酸鐵鋰電池、超級(jí)電容的性能變化。其中ECE工況和UDDS工況的車(chē)速與時(shí)間的關(guān)系如圖6、圖7所示。

圖6 ECE工況下車(chē)速、時(shí)間關(guān)系圖

圖7 UDDS工況下車(chē)速、時(shí)間關(guān)系圖

一次ECE工況下雙能量源純電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)速，磷酸鐵鋰電池電流、功率的變化如圖8所示。雙能量源純電動(dòng)汽車(chē)在一次ECE工況下超級(jí)電容的電流、功率變化如圖9所示。一次UDDS工況下雙能量源純電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)速，磷酸鐵鋰電池電流、功率的變化如圖10所示。雙能量源純電動(dòng)汽車(chē)在一次UDDS工況下超級(jí)電容的電流、功率變化如圖11所示；運(yùn)行12次ECE工況時(shí)，雙能量源純電動(dòng)汽車(chē)的具體性能參數(shù)如表2所示。

圖8 雙能量源ECE工況下的車(chē)速，鋰電池電流、功率曲線

圖9 雙能量源ECE工況下的超級(jí)電容電流、功率曲線

圖10 雙能量源UDDS工況下的車(chē)速、鋰電池電流、功率曲線

圖11 雙能量源在UDDS工況下的超級(jí)電容電流、車(chē)速、功率曲線

表212 次ECE工況、一次UDDS工況時(shí)雙能量源純電動(dòng)汽車(chē)的性能參數(shù)

由表格2可知：

（1）在行駛路程一樣的前提下，不管整車(chē)是工作在ECE工況狀態(tài)、勻速工況狀態(tài)還是UDDS工況狀態(tài)，兩個(gè)電源的純電動(dòng)汽車(chē)回收能量中的制動(dòng)總能量均比較高；兩個(gè)電源的純電動(dòng)汽車(chē)的超級(jí)電容組回收的制動(dòng)能量分別占各個(gè)工況總回收能量的76.4%、98.8%和97.4%，表明本文中所提出的能量管理策略能把整車(chē)在剎車(chē)過(guò)程、減速過(guò)程等制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的制動(dòng)能量絕大部分由超級(jí)電容組吸收，超級(jí)電容組在充放電方面能以較大的電流迅速充電放電的優(yōu)點(diǎn)得到了很好利用。

（2）兩個(gè)電源的純電動(dòng)車(chē)消耗的總能量由雙向DC/DC變換器消耗的能量加上鋰電池組以及超級(jí)電容組所消耗的能量，其在ECE行駛工況狀態(tài)下消耗的總能量為1 667 410 J，其最主要的原因之一就是超級(jí)電容組從磷酸鐵鋰電池組吸收了一些能量，從而為整個(gè)平臺(tái)瞬時(shí)加速提供能量。

（3）雙向DC/DC變換器在ECE工況狀態(tài)下消耗的能量高達(dá)441 337 J.造成這個(gè)的最主要因素為系統(tǒng)中磷酸鐵鋰電池組的額定電壓（72 V）與超級(jí)電容組的額定電壓（48 V）不匹配，其中的能量轉(zhuǎn)換需通過(guò)雙向DC/DC變換器來(lái)完成，如果雙向DC/DC變換器的效率越高，其消耗的內(nèi)部能量就越少；若效率越低，其消耗的內(nèi)部能量就越多。本文中的雙向DC/DC變換器其效率設(shè)計(jì)為90%左右，但實(shí)際效率平均只有74%左右，消耗的內(nèi)部能量較多，導(dǎo)致單個(gè)電源的純電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)比兩個(gè)電源的純電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)消耗更少一些的能量，由此表明雙向DC/DC變換器的效率將直接影響到兩個(gè)電源的純電動(dòng)車(chē)消耗內(nèi)部能量。

（4）兩個(gè)電源的純電動(dòng)汽車(chē)從啟動(dòng)到加速到8.3 m/s需要的時(shí)間的為15 s左右，其加速性能相對(duì)較好，從而說(shuō)明所提出的能量管理策略能在其加速階段合理的分配能量，提高了整車(chē)的動(dòng)力性能。

（5）在ECE工況狀態(tài)和UDDS工況狀態(tài)中，雙電源純電動(dòng)車(chē)的鋰電池組在放電方面最大放電電流都比較小，且只在其中一個(gè)時(shí)刻放電電流達(dá)到最大值63.6 A，從而表明本文所提出的能量管理策略能充分利用超級(jí)電容能瞬時(shí)充放大電流的優(yōu)點(diǎn)，不但使鋰電池組的輸出電流變得平滑，延長(zhǎng)了其使用壽命，而且也滿足了純電動(dòng)汽車(chē)關(guān)于加速、制動(dòng)的動(dòng)力需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種以磷酸鐵鋰電池組為主能量源、超級(jí)電容為輔助能量源的純電動(dòng)汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)，并完成了ECE和UDDS工況下的能耗、制動(dòng)能量回收、加速時(shí)間和磷酸鐵鋰電池充放電電流等測(cè)試和分析，測(cè)試結(jié)果表明：所提出的基于邏輯門(mén)限的能量管理策略，能在系統(tǒng)制動(dòng)、勻速、加速等各個(gè)階段合理地分配能量，提高了汽車(chē)的加速性能、電池安全性等性能。

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An Energy Management Strategy of the Pure Electric Vehicles Under Dual-Energy Source

YE Qiu-yi，LIU Yan-yang，WENG Mei-mei，WU Kai-lian，SONG Shao-jian
（School of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

The power supply scheme of the pure electric vehicle with lithium battery and super capacitor which is an effective method to solve the problem of its power and economic performances，but the energy distribution strategy of the dual energy electric vehicle is related to the safety of the battery.For this purpose，a hybrid electric vehicle test platform with a LiFePO4 battery pack mixed ultracapacitors is chosen as research object and an energy allocation strategy based on logic threshold is proposed in this paper.The system testing of the energy distribution strategy under different working conditions is finished.The Results show that the energy allocation strategy based on the logic threshold can reasonably allocate the energy and improve the performance of the whole vehicle in the process of braking，accelerating and cruising.

dual-energy source；pure electric vehicles；energy management；logic threshold

U461.2

：A

：1672-545X（2017）01-0119-04

2016-10-06

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助（編號(hào)：201610593142）

葉秋藝（1996-），女，廣西北流人，工學(xué)學(xué)士，研究方向?yàn)椋弘妱?dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能。