復合儲能在插電式城市客車上的匹配應用

王坤俊， 汪 偉， 王文明

(湖南中車時代電動汽車股份有限公司， 湖南 株洲 412007)

插電式混合動力汽車具有純電動汽車的充電及行駛功能，也有傳統(tǒng)的內燃機，既能獲得較好的節(jié)能減排效果，又具有與傳統(tǒng)車輛相當?shù)倪m用性能[1-3]。插電式混合動力汽車要求車載儲能系統(tǒng)具有大功率充放電、高充放電效率、長使用壽命、低容量衰減等性能，同時要求具備較高的能量密度。目前，插電式混合動力汽車多采用電池作為儲能單元，車輛的性能因電池的低比功率而受到限制[4-5]。插電式混合動力城市客車運行在城市公交工況下，加速及制動更加頻繁，對儲能單元要求更高，單一的電池儲能已經(jīng)不能很好地滿足車輛性能及使用壽命要求，而將復合儲能系統(tǒng)匹配應用于城市客車是解決該難題的重要方法[6]。

1 插電式城市客車對車載儲能的要求

所述復合儲能系統(tǒng)應用于10.5 m長的插電式城市客車，車輛滿載質量為16 500 kg。根據(jù)驅動電機的峰值功率，考慮效率的影響，復合儲能系統(tǒng)最大允許的充電功率Pmax_chg和最大允許的放電功率Pmax_dis要滿足式(1)和式(2)的要求：

Pmax_dis>Pmax_m/ηm+Pas

(1)

Pmax_chg>Pmax_m×ηm

(2)

式中：Pas為電動附件消耗最大功率，取15 kW；ηm為驅動電機系統(tǒng)平均效率，取0.92；Pmax_m為驅動系統(tǒng)最大功率，取150 kW。

將參數(shù)代入式(1)和式(2)中，得到儲能系統(tǒng)最大放電功率需求為165 kW，最大充電功率需求為150 kW。

根據(jù)標準GB/T 34598-2017《插電式混合動力電動商用車技術條件》要求[7]，插電式混合動力汽車純電動續(xù)駛里程必須≥50 km，這是插電式混合動力汽車與普通混合動力汽車的重要區(qū)別。車輛純電動續(xù)駛里程為50 km(勻速40 km/h測試)，根據(jù)以往積累數(shù)據(jù)，能量消耗率按照0.5 kW·h/km計算，則需要配置儲能系統(tǒng)容量不低于25 kW·h，考慮輔助系統(tǒng)消耗(不含空調約3～5 kW·h/h)，則需要配置儲能系統(tǒng)容量不低于30 kW·h。

按照一般城市客車使用年限要求，車載儲能系統(tǒng)壽命為8年。

2 復合儲能系統(tǒng)構型分析及匹配計算

2.1 復合儲能配置結構

由蓄電池和超級電容組成的復合儲能系統(tǒng)，其配置結構一直是研究的熱點之一，不同配置結構的復合儲能系統(tǒng)具有各自的特點及適應性。

1) 電池和電容直接并聯(lián)。早期的結構一般直接將兩種能源并聯(lián)使用[8-10]，如圖1所示。

圖1 直接并聯(lián)式復合儲能結構

這種結構的優(yōu)點是主電路非常簡單，相比只采用蓄電池的儲能系統(tǒng)，在儲能輸入輸出功率快速變化的工況下，電池系統(tǒng)的電流曲線更加平穩(wěn)且峰值電流大幅度減小，整個復合儲能輸出的短時峰值功率較單一蓄電池儲能系統(tǒng)更高，從而使復合儲能中的主蓄電池循環(huán)壽命更長。但是這種結構具有非常明顯的缺陷：兩種儲能的電壓特性完全不匹配，超級電容的潛力不能很好發(fā)揮，而且在一個短時工況結束后，存在短時持續(xù)的電池與電容之間的無效電能流動，降低了整個系統(tǒng)效率并增加了蓄電池的充放電時間。

2) 電池端雙向DC/DC并聯(lián)。為了克服早期直接并聯(lián)結構存在的缺點，在電池與總線間增加雙向DC/DC變換器，優(yōu)化主從能源的功率分配，如圖2所示。

圖2 電池端雙向DC/DC并聯(lián)式復合儲能結構

這種結構使得儲能源的功率容量提高；缺點在于動力電池的能量輸入輸出都要通過 DC/DC 變換器，能量轉換效率降低。為滿足純電動模式行駛需要，雙向DC/DC額定輸出功率應不低于電機額定功率，從而導致其成本偏高。

3) 電容端雙向DC/DC并聯(lián)。在電容端引入雙向DC/DC變換器，如圖3所示。

圖3 電容端雙向DC/DC并聯(lián)式復合儲能結構

此方案優(yōu)點是純電動模式下動力電池可以直接輸出，輔助動力單元可以直接向動力電池充電，充電效率高；但這種方案缺點也很明顯：超級電容作為復合儲能中的功率單元，主要完成快速大電流放電與充電，增加雙向DC/DC后形成瓶頸，無法發(fā)揮超級電容本身的優(yōu)勢，也不能體現(xiàn)復合儲能的優(yōu)勢，大功率的DC/DC意味著價格昂貴。

4) 優(yōu)化的電池端雙向DC/DC并聯(lián)。本優(yōu)化方案在電池端布置DC/DC，增加功率二級管以解決純電動模式下雙向DC/DC需求功率大的問題，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化的電池端雙向DC/DC并聯(lián)式復合儲能結構

超級電容直接接入總線，高壓回路可以保證較高的功率響應特性，滿足車輛頻繁加速及制動能量周轉，提升了儲能系統(tǒng)總體效率。此種方案缺點是：由于二極管的單向大功率，如果輔助動力單元或者電制動回饋向動力電池充電，則充電功率受到雙向DC/DC功率的限制。但是考慮到插電式混合動力車輛的動力電池設計主要由外部進行充電而非采用輔助動力單元進行充電，另外，在公交工況下，一次制動能量回收有限，大部分都可以由超級電容完全回收，不需要回饋到動力電池，所以此方案的缺點在實際運行中完全可以避免。

2.2 復合儲能匹配計算

根據(jù)整車對儲能的要求，并結合復合儲能構型，超級電容需要滿足單次車輛制動能量回收需求，動力電池配置容量需要滿足車輛純電動行駛50 km要求。

2.2.1 超級電容配置容量計算

在復合儲能系統(tǒng)中，超級電容主要用來滿足車輛加速和制動能量回收需求。為實現(xiàn)儲能系統(tǒng)效率與成本最優(yōu)，超級電容需要配置容量滿足至少1次制動能量回收需求。

設m為整車滿載質量(取值16 500 kg)，Wd為車輛動能，Wf為滾動阻力Ff的能耗，Ww為風阻Fw的能耗，W為實際可回收電能，S為制動距離，ηT為傳動效率(傳動效率0.9～0.98，取值0.98)，η1為制動能量利用率(制動能量利用率基本<0.9，取值0.9)，ηm為電驅動系統(tǒng)能量轉換效率(電驅動系統(tǒng)綜合能量轉換效率<0.92，取值0.92)則：

(3)

W=(Wd-Wf-Ww)×ηT×η1×ηm

(4)

根據(jù)系統(tǒng)電壓平臺，其工作電壓為DC320 V～DC540 V，由上式可計算出超級電容容量最少需求為10.41 F。

選用3 000 F/2.7 V超級電容單體，18個單體串聯(lián)構成48.6 V模塊，12個模塊串聯(lián)構成超級電容儲能系統(tǒng)。理論上其最大容量為13.89 F，最高電壓為DC583 V，最大允許充放電電流為500 A(接觸器使用壽命限制的電流限值)，在整車360 V額定電壓下最大充放電功率達到180 kW，滿足整車充放電功率要求。

2.2.2 動力電池選型與參數(shù)

綜合比較，選用磷酸鐵鋰電池作為復合儲能電池單元。磷酸鐵鋰電池是一種化學電池，循環(huán)壽命長達2 000次以上，具有較高性價比，容量大且沒有記憶效應，可隨充隨用不需要先放完再充電[11]，使用起來更加便捷。

磷酸鐵鋰電池能量密度高但不適合大電流充放電，大電流充放電會造成蓄電池的使用壽命縮短。匹配超級電容形成復合儲能系統(tǒng)可以很好地彌補磷酸鐵鋰電池大電流充放電能力的缺陷。

本項目選擇國內某電池企業(yè)生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池，電池系統(tǒng)參數(shù)為100 Ah/307 V，正常工作電壓范圍為DC250 V～DC360 V。

2.3 測試驗證

圖5是實際工況下超級電容、動力電池的充放電電流曲線，超級電容最大充放電電流達到300 A，動力電池最大充放電電流60 A。

(a)超級電容充放電電流

(b)動力電池充放電電流

通過對圖5中的數(shù)據(jù)進行積分計算，得知實際工況中，車輛運行百公里儲能系統(tǒng)充電能量為81.684 kW·h，放電能量為85.217 kW·h，其中，超級電容承擔了充放電總能量的70.7%，動力電池承擔了充放電總能量的29.3%。因此增加超級電容構成復合儲能后，相當于動力電池壽命延長了2倍以上，考慮大電流充放均由超級電容完成，電池工作在理想的小電流充放狀態(tài)中，電池實際壽命預計會更長[12]，而超級電容具有良好的功率特性及百萬次充放壽命，復合儲能系統(tǒng)完全可以滿足車輛8年生命周期應用需求。

3 結束語

插電式城市客車因在啟動、加速、制動、停車幾種狀態(tài)中頻繁切換，對儲能系統(tǒng)有較高的功率特性需求及壽命要求，按照當前電池技術發(fā)展水平，采用單一的電池儲能難以滿足實際使用要求，車輛生命周期內儲能更換成本較高。本文提出了一種采用電池與超級電容通過雙向DC/DC構成的復合儲能系統(tǒng)，不僅能夠提升儲能系統(tǒng)綜合效率，且理論上可以延長電池使用壽命的2倍以上，從而實現(xiàn)儲能系統(tǒng)滿足車輛生命周期使用要求。

參考文獻：

[1] WENCONG S, JIANHUI W, KUILIN Z, et al. Model predictive control-based power dispatch for distribution system considering plug-in electric vehicle uncertainty[J]. Electric Power Systems Research, 2014, 106(1):29-35.

[2] SANTINI D, ZHOU Y, STEPHENS T, et al. Cost effective annual use and charging frequency for four different plug-in powertrains [C]. SAE World Congress & Exhibition, 2013.

[3] WEIS A, JARAMILO P, MICHALEK J. Estimating the potential of controlled plug-inhybrid electric vehicle charging to reduce operational and capacity expansion costsfor electric power systems with high wind penetration[J]. Applied Energy, 2014, 115(4): 190-204.

[4] WILLIAMSON S S，KHALIGH A，OH S C，et al.Impact of energy storage device selection on the overall drive train efficiency and performance of heav-duty hybrid vehicles [C].IEEE Conference of Vehicle Power and Propulsion 2005：381-390.

[5] PISU P，RIZZONI G．A comparative study of supervisory sontrol strat-egies for hybrid electric vehicles[J]．IEEE Transactions on Control Systems Technology，2007，15(3): 506-517．

[6] 顧瑞蘭. 促進我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的財稅政策研究[D].北京：財政部財政科學研究所, 2013.

[7] 全國汽車標準化技術委員會文.插電式混合動力電動商用車技術條件:GB/T 34598-2017[S].北京：中國標準出版社,2017：1-8.

[8] WEN X H, XU Z J, HU G Y, et al. The research on electric system of the PEMFC testing mini bus[R]. Berlin: Proceedings of the 18th EVS, 2001.

[9] PERA M C, HISSEL D, KAUFFMANN J M. Fuel Cell Systems for Electrical Vehicles[J]. IEEE Vehicular Technology Conference, 2002(4):2097-2102.

[10] HEDEGAARD K,RAVN H,JUUL N, et al. Effects of electric vehicles on power systems in Northern Europe[J]. Energy, 2012, 48(1): 356-368.

[11] 胡信國. 動力電池技術與應用：第2版[M]. 北京：化學工業(yè)出版社, 2012: 231-233.

[12] 高飛, 楊凱, 惠東, 等. 儲能用磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命的能量分析[J]. 中國電機工程學報，2013，33(5): 41-45.