純電動汽車復(fù)合電源系統(tǒng)優(yōu)化管理路徑探析

張楚成

摘 要：純電動汽車是新能源汽車中一個重要的發(fā)展發(fā)向，增大續(xù)航里程一直是發(fā)展純電動汽車需要解決的重大問題。本文就目前新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，總結(jié)大力發(fā)展純電動汽車的必要性。針對純電動汽車續(xù)航里程存在的問題，提出在復(fù)合電源系統(tǒng)優(yōu)化過程中的可行性方案。

關(guān)鍵詞：純電動汽車；電源系統(tǒng)；優(yōu)化管理

1 新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀

目前，由純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車、氫發(fā)動機汽車、其他新能源等構(gòu)成的新能源汽車得到了飛速的發(fā)展，電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)生了巨大的變化。傳統(tǒng)汽車主要是使用汽油柴油等燃料，而新能源汽車是指采使用非傳統(tǒng)的車用燃料作為動力來源或著是使用傳統(tǒng)的車用燃料、但是采用的是新型車載動力裝置，新能源汽車能夠綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進、具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。

以車載電源為動力的純電動汽車，主要工作原理是用電機驅(qū)動車輪行駛，純電動汽車符合道路交通、安全法規(guī)各項要求。我們常說的純電動汽車，它是完全由可充電電池提供動力源的汽車?，F(xiàn)在市場上主要的新能源汽車類型是純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車。

1.1 新能源補貼逐年退坡，引導(dǎo)技術(shù)提升

2017年，中國財政部、科技部、工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會公布了《關(guān)于調(diào)整新能源汽車推廣應(yīng)用財政補貼政策的通知》，該通知強調(diào)了國家從2017年1月1日起，將調(diào)整完善新能源汽車補貼標準。此次調(diào)整，最主要的目的就是明確中央和地方對于新能源汽車的補貼上限，要求汽車企業(yè)要增加核心技術(shù)提升的能力，降低生產(chǎn)成本，不斷提高產(chǎn)業(yè)化水平。

2017年新的補貼標準中，中央補貼較之前下滑20%，且地方補貼不得高于中央補貼的50%。同時對動力電池比能量密度提出補貼要求，對高于120Wh/kg的車型給予1.1倍補貼，以促使關(guān)鍵技術(shù)的提升，引導(dǎo)新能源市場更好的發(fā)展，見圖1。

1.2 雙倍積分管理辦法落實，加大新能源汽車的推廣力度

2017年6月，工信部公布《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分進行管理辦法（征求意見稿）》建立推動新能源汽車發(fā)展的長效機制，促進新能源汽車研發(fā)和推廣。

隨著2018年積分方案的實施，將對新能源汽車行業(yè)出現(xiàn)兩個比較大的影響：（1）促進現(xiàn)有傳統(tǒng)汽車車企加大新能源汽車的推廣力度，新產(chǎn)品數(shù)量將明顯加快。（2）對于前期新能源汽車布局較早的車企將獲得積分受益，減少補貼退坡的影響，見圖2。

1.3 新能源汽車快速發(fā)展，乘用車占據(jù)主要市場

新能源市場發(fā)展迅速，2011年到2016年年復(fù)合增長率達137%；2016年其銷量實現(xiàn)60.7萬輛，乘用車占比達到68%，占據(jù)主流。BEV占據(jù)新能源市場的主要份額，且市場份額逐年提升。隨著新能源市場的發(fā)展，以及消費者對SUV的青睞，純電動SUV 市場份額逐步擴大；PHEV車型中，SUV車型占據(jù)主要市場份額。在汽車市場中，知豆D2和榮威eRX5分別獲得BEV和PHEV車型TOP1。BEV車型中，2017年上半年中知豆D2銷量最高，達到18693臺，其次為北汽EC系列和比亞迪e5，其他車型累計銷量均低于1萬臺。PHEV車型中，榮威eRX5銷量最高，達到9205臺；TOP5車型均來自上汽乘用車和比亞迪兩家企業(yè)，見圖3。

1.4 新能源市場即將迎來爆發(fā)期

隨著居民收入水平的提升，以及城鎮(zhèn)化率的逐步推進，中國乘用車市場仍有增長的潛力；預(yù)計在2021年中國乘用車市場將達到3000萬輛。隨著雙積分政策的確立實施，新能源市場將取得爆發(fā)；預(yù)計在2018年，新能源市場將突破100萬輛，2020年將突破200萬輛，見圖4。

電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)了新的變化，全球各國和各大企業(yè)已經(jīng)將重心轉(zhuǎn)移到以電動汽車為核心的新型技術(shù)路線。

2 純電動汽車復(fù)合電源系統(tǒng)的優(yōu)勢

我國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入了成長期，新能源汽車的產(chǎn)量得到了大幅的增長，在汽車性能，成本，安全等方面取得了一定的進步。我國在以鋰離子動力電池為代表的核心技術(shù)上取得了重大的突破，從2015年全球排名前十名中占據(jù)四位到2016年六個企業(yè)進入前十強；在純電驅(qū)動的動力系統(tǒng)集成技術(shù)上取得了快速發(fā)展；插電式混合動力技術(shù)逐步成熟；燃料電池開始起步發(fā)展。目前，以純電動汽車復(fù)合電源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢最為明顯，主要體現(xiàn)在：

2.1 氫燃料電池技術(shù)不成熟

氫燃料電池汽車加氫時間3-5分鐘，續(xù)駛里程達到800公里，零下30℃可以順利啟動，適合在寒冷地區(qū)使用，各方面性能都超過了傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車。目前，我國在燃料電池轎車和燃料電池城市客車動力系統(tǒng)方面已經(jīng)基本建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)平臺，據(jù)中國汽車技術(shù)研究中心北京工作部新能源汽車技術(shù)服務(wù)中心主任朱成介紹，與國外的技術(shù)相比，我國在燃料電池的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，包括零部件、整個高端的集成、電池的壽命、成本、批量制備能力等方面，還存在比較大的差距。燃料電池汽車的推廣應(yīng)用，從終端客戶角度來說，第一是購買成本太高，第二是使用成本太高，第三是維護方面的難題。受限于技術(shù)發(fā)展階段，我國燃料電池汽車整車制造及使用成本仍然較高，遠不如純電動汽車的優(yōu)勢大。

2.2 純電動汽車單電源的不足

純電動汽車是由可充電電池提供動力源的汽車，常用的可充電電池就是像鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池之類。雖然純電動汽車的發(fā)展已有一百多年的歷史，但一直發(fā)展規(guī)模有限，市場占有較小。歸其原因主要是：（1）蓄電池價格高、壽命短（2）電池電源外形尺寸和重量大（3）充電時間長。電源系統(tǒng)的問題阻礙了純電動汽車的發(fā)展。純電動汽車是新能源汽車中一個重要的發(fā)展發(fā)向，增大續(xù)航里程一直是發(fā)展純電動汽車需要解決的重大問題。

2.3 純電動汽車復(fù)合電源系統(tǒng)的優(yōu)勢

目前國外對蓄電池加超級電容組成的復(fù)合電源已有了初步研究，但是國內(nèi)對于蓄電池加超級電容方面研究成果較少。由于超級電容和蓄電池組合成復(fù)合電源是目前廣受青睞的車載電源，對其研究也逐漸得到重視。

超級電容的比功率高，充放電壽命長，在短時間內(nèi)非常適合作為功率輸出源，能夠?qū)崿F(xiàn)在電動車起動、加速、爬坡等工況下的大功率放電，同時在車輛下坡制工況下迅速吸收制動能量。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)不同工況下充放電，也極大地保護了蓄電池不受大電流的沖擊而損壞。

通過對動力蓄電池和超級電容的復(fù)合使用，能夠同時具備大比能量和高比功率，這樣的復(fù)合電源系統(tǒng)的使用解決了電源系統(tǒng)的功率問題，不僅降低了對蓄電池的使用數(shù)量的要求，也降低使電源系統(tǒng)的體積和重量，通過合理的結(jié)構(gòu)組合，解決了單一儲能裝置的純電動汽車性能上的缺陷，也可以延長蓄電池的使用壽命，降低純電動汽車的生產(chǎn)成本，極大的提升了純電動車輛電源系統(tǒng)的性能。

3 復(fù)合電源系統(tǒng)優(yōu)化過程中存在的問題

目前，復(fù)合電源的控制策略主要可以分為四類：（1）邏輯門限控制（2）實時優(yōu)化控制（3）全局優(yōu)化控制（4）模糊控制。

邏輯門限值控制法的優(yōu)點：操作簡單，技術(shù)成熟，缺點：控制參數(shù)困難，需要累積和調(diào)試大量的實驗數(shù)據(jù)，該方法因為門限值的存在，由于車輛在行駛過程中工況復(fù)雜，變化較多，該方法對于微小變化的控制能力不足，因此在整個過程中控制性不穩(wěn)定。

實時優(yōu)化控制方法能夠解決復(fù)雜工況；該方法結(jié)合回路控制與過程運行，采用兩層結(jié)構(gòu)：（1）上層通過計劃調(diào)度優(yōu)化經(jīng)濟性能指標，產(chǎn)生底層控制回路的設(shè)定值；（2）底層通過控制器使被控變量跟蹤設(shè)定值，從而盡可能使過程運行在經(jīng)濟優(yōu)化狀態(tài)。優(yōu)化和控制的好壞依賴基礎(chǔ)層控制品質(zhì)的。如果實時優(yōu)化單回路都控制不穩(wěn)定，實時優(yōu)化也無從談起。一切的根本都指向了底層的基礎(chǔ)控制。而在汽車車況行駛過程中，不穩(wěn)定性也就決定了實時優(yōu)化控制存在很大的難度。

全局優(yōu)化控制方法能夠在汽車行駛過程中實現(xiàn)全局最優(yōu)，但是由于實際車輛在行駛過程中工況復(fù)雜，很難能夠在全過程中實現(xiàn)很好的控制。

模糊控制方法主要原理是利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想。模糊控制是屬于智能控制的范疇，實際上它的實質(zhì)是一種非線性控制。模糊控制既有系統(tǒng)化的理論，又有實際應(yīng)用背景。在解決復(fù)合電源系統(tǒng)能量分配過程中不需要建立數(shù)學(xué)模型，操作過程簡單。

4 復(fù)合電源系統(tǒng)優(yōu)化管理路徑

復(fù)合電源系統(tǒng)由蓄電池、超級電容和電機構(gòu)成。根據(jù)能量流動方向，將復(fù)合電源的主要工作模式歸納為以下種：蓄電池單獨驅(qū)動模式；電池-超級電容混合驅(qū)動模式；超級電容單獨提供驅(qū)動功率模式；再生制動模式。

（1）大部分時間，車輛屬于在勻速行駛過程中，此時電源電機的需求功率不高，在電機平均功率范圍內(nèi)。蓄電池因能量密度較高，同時具有可以承擔(dān)電機需求功率的能力，能夠在均速行駛過程中單獨提供驅(qū)動功率。

（2）在加速時，如果由蓄電池單獨驅(qū)動電機，往往會損傷蓄電池，而此時復(fù)合電源系統(tǒng)需要為電機提供高功率。因此，在加速時超級電容和蓄電池配需要共同驅(qū)動電機，使得蓄電池組工作在正常功率的范圍內(nèi)，超級電容承擔(dān)剩余的功率。

（3）在負載較輕時啟動或短暫加速過程中，一旦超級電容的荷電狀態(tài)較高，就可以通過超級電容放電，并且能夠在之后制動過程中由超級電容來吸收能量。在此工況下，超級電容為車輛提供功率，蓄電池組不工作。

（4）當(dāng)汽車減速行駛或下坡行駛時，汽車電源電機處在發(fā)電狀態(tài)，電機向復(fù)合電源系統(tǒng)充電。在此工況下，電源系統(tǒng)對制動能量進行回收。

城市道路交通狀況復(fù)雜，電動車在道路上行駛過程中，不斷相互轉(zhuǎn)換起步、勻速行駛、加速、減速制動等工況，復(fù)雜的工況切換過程要求復(fù)合電源能夠根據(jù)不同的工況在上述四種模式做出快速準確的切換，從而能夠不斷優(yōu)化，提高復(fù)合電源效果。

5 結(jié)語

隨著石油和天然氣等不可再生資源的枯竭，純電動汽車比能夠?qū)⑵涔?jié)能環(huán)保的優(yōu)勢不斷發(fā)揮出來，作為新能源汽車中的一部分，純電動汽車以其獨有的優(yōu)勢不斷增加市場份額，國內(nèi)的純電動汽車技術(shù)會越來越成熟，續(xù)航里程也會不斷增大，通過超級電容和鋰電池相互作用的復(fù)合電源系統(tǒng)的優(yōu)化也會得到進一步的提升。

基金項目：本文系作者個人的2016 年上海市優(yōu)秀青年教師資助項目（項目編號：220001-16-44（AAYQ1645））《純電動汽車復(fù)合電源系統(tǒng)有關(guān)管理研究》的部分研究成果。

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