車載蓄電池超級電容器混合電源

王彥琨,蘆 帥,張國飛,李玉瑤,王浩然

(煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

隨著環(huán)境氣候日益惡劣,發(fā)展以“節(jié)能環(huán)?！睘橹黝}的新能源汽車成為解決汽車污染的主要途徑[1]。儲(chǔ)能技術(shù)是新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一,如何增加車載儲(chǔ)能的循環(huán)使用壽命及單次使用時(shí)間,成為各大汽車廠商研究的熱點(diǎn)[2]。常用的車載儲(chǔ)能技術(shù)有電池儲(chǔ)能[3]、超級電容器儲(chǔ)能[4]、超導(dǎo)儲(chǔ)能[5]、飛輪儲(chǔ)能[6]等。電池儲(chǔ)能技術(shù)主要采用技術(shù)比較成熟的鉛酸蓄電池,汽車車速的變化會(huì)導(dǎo)致負(fù)載電流不固定,頻繁的充放電會(huì)加劇蓄電池壽命的縮短。新興的磷酸鐵鋰電池、鋰離子電池、超導(dǎo)儲(chǔ)能等成本較高,飛輪儲(chǔ)能技術(shù)無污染、充電快,但其工作過程中耗損嚴(yán)重,仍未獲得較大突破,尚待開發(fā)。文獻(xiàn)[7]綜述了相變儲(chǔ)能技術(shù)在汽車節(jié)能中的應(yīng)用進(jìn)展,但在汽車中的應(yīng)用較少。每種儲(chǔ)能技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用,都有自己特定的優(yōu)勢,但單一電源具有明顯的局限性,不能同時(shí)滿足能量密度和功率密度的要求,混合電源儲(chǔ)能方案的概念應(yīng)運(yùn)而生。采用超級電容器與蓄電池相結(jié)合組成混合電源,利用了2種電源各自的優(yōu)點(diǎn),兼具高功率密度和高能量密度,因此受到汽車制造商和政府的廣泛關(guān)注。

混合電源有多種構(gòu)型[8-9],12 V蓄電池電源可直接并聯(lián)12 V的超級電容器組成混合電源,占據(jù)空間小、簡單易行、無需控制,且可靈活地搭載在汽車上,提高車載電源的工作性能,特別適用于ISG(Integrated Starter Generator)系統(tǒng)。根據(jù)工況ISG系統(tǒng)頻繁啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),要求電源具備瞬時(shí)大電流放電、快速儲(chǔ)存能量的特性,這種特性極大地耗損了傳統(tǒng)蓄電池的壽命,更換加強(qiáng)型電池的成本很高,是傳統(tǒng)蓄電池的幾倍,而混合電源的使用可以很好地解決頻繁的電流變化對蓄電池的壽命影響、避免蓄電池不能起動(dòng)汽車時(shí)而不得不選擇救援等問題。文獻(xiàn)[10]中提出一種應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車ISG系統(tǒng)的復(fù)合電源,仿真中表明復(fù)合電源的使用提高了ISG用電源的性能,且延長了蓄電池的使用壽命。混合電源可應(yīng)用于增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)中,混合電源在汽車加速時(shí)既保證了能量供應(yīng),又保證了輔助動(dòng)力性,在汽車制動(dòng)時(shí),可快速回收制動(dòng)產(chǎn)生的能量,并且可以在一定的控制策略下向蓄電池充電,超級電容器的使用可有效減少了蓄電池的充電和工作時(shí)間,進(jìn)而增加整車?yán)m(xù)航時(shí)間[11]。文獻(xiàn)[12]中提出一種基于功率分流式混合動(dòng)力汽車的復(fù)合電源,仿真驗(yàn)證可有效地減少蓄電池的大電流放電工況,并提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性。混合電源也可以用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),頻繁的低速轉(zhuǎn)向工況下容易導(dǎo)致方向盤重和“方向感延遲現(xiàn)象”,此類問題在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中應(yīng)用混合電源供電并運(yùn)用優(yōu)化算法可得到妥善的解決[13-14]。

本文以蓄電池超級電容器混合電源為研究對象,對其提供能量和回饋能量的工作模式進(jìn)行分析,超級電容器起到大功率緩沖作用,蓄電池為低壓用電負(fù)載的供應(yīng)能量,同時(shí)達(dá)到車用電源比功率和比能量大的特點(diǎn)?；旌想娫从行У販p少蓄電池的使用工況和更換頻率,提升了循環(huán)使用壽命和車載電源的經(jīng)濟(jì)性。

1 工作原理

蓄電池超級電容器混合電源供電系統(tǒng)如圖1,蓄電池和超級電容器通過IGBT直接并聯(lián),混合電源通過功率變換器變壓向電機(jī)負(fù)載供電。根據(jù)負(fù)載工況和能量控制策略,控制各個(gè)IGBT開關(guān),進(jìn)而達(dá)到最佳的工作模式。

圖1 混合電源結(jié)構(gòu)

混合電源供電系統(tǒng)主要有以下4種工作模式。

(1)升壓供電模式:當(dāng)電機(jī)運(yùn)行電壓大于混合電源端電壓時(shí),混合電源通過功率變換器進(jìn)行升壓供電,能量流動(dòng)如圖2。升壓供電主要是對T2進(jìn)行PWM控制,調(diào)節(jié)開關(guān)占空比。T2關(guān)斷時(shí),對電容C和電機(jī)供電;當(dāng)T2導(dǎo)通時(shí),T1關(guān)斷,TD1由于電壓降低不通電,此時(shí)電機(jī)由電容C續(xù)流供電。

圖2 升壓供電模式

(2)降壓供電模式:當(dāng)電機(jī)運(yùn)行電壓小于混合電源端電壓時(shí),通過調(diào)節(jié)占空比,利用PWM控制K1的導(dǎo)通與關(guān)斷,能量供應(yīng)如圖3。K1導(dǎo)通時(shí),電源給電容C供電,K1關(guān)斷時(shí),電機(jī)電感進(jìn)行續(xù)流。

圖3 降壓供電模式

(3)升壓回饋模式:當(dāng)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)時(shí),電機(jī)工作于發(fā)電模式,當(dāng)回饋電壓小于混合電源端電壓,控制相應(yīng)IGBT進(jìn)行升壓回饋,能量流動(dòng)如圖4。通過PWM控制T1的開關(guān)和導(dǎo)通,調(diào)節(jié)占空比,T1斷開時(shí),向電容C回饋能量;當(dāng)T1導(dǎo)通時(shí),控制SW導(dǎo)通,回饋電流與電容C共同向超級電容器UC提供能量。此時(shí)控制S1常關(guān)斷,只向超級電容器回饋能量。

圖4 升壓回饋模式

(4)降壓回饋模式:當(dāng)回饋電壓大于混合電源端電壓時(shí),通過PWM控制K4的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行降壓回饋,能量流動(dòng)如圖5。K4關(guān)斷時(shí),電感L由于二極管的壓降不通電,電機(jī)直接回饋能量給超級電容器UC;K4導(dǎo)通時(shí),電容C續(xù)流,電機(jī)電感通過K4續(xù)流。

圖5 降壓回饋模式

2 建模仿真

混合電源供電系統(tǒng)包括蓄電池、超級電容器、電機(jī)和電力電子相關(guān)電路,根據(jù)相應(yīng)的模型進(jìn)行建模[15]?；旌想娫吹母鱾€(gè)等效模型如圖6,由于蓄電池的充放電是一種化學(xué)反應(yīng)過程,難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,故采用理想的蓄電池等效模型。超級電容器充放電屬于物理過程,可描述的模型有許多種,由于等效內(nèi)阻在一定的工作時(shí)間內(nèi)約為常數(shù)值,故選擇理想電容C串聯(lián)電阻RC組成等效模型?；旌想娫从尚铍姵睾统夒娙萜髦苯硬⒙?lián)組成,放電總電流值為二者放電電流值之和,故可直接由蓄電池和超級電容器等效模型并聯(lián)組成。

圖6 混合電源等效模型

蓄電池放電電流滿足:

(1)

式中,UB為蓄電池端電壓,E為蓄電池開路電壓,RB為蓄電池內(nèi)阻,IB為蓄電池電流。

混合電源放電電流和端電壓滿足平衡方程式,

(2)

式中:I1為混合電源電流,U1為混合電源端電壓,UUC為超級電容器電壓,RC為超級電容器等效內(nèi)阻。

電機(jī)主要有2種工作狀態(tài),當(dāng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)為電動(dòng)狀態(tài),當(dāng)電機(jī)回饋能量時(shí)為發(fā)電機(jī),此時(shí)是發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)作為電動(dòng)機(jī)時(shí),有電機(jī)電壓、功率、能量平衡方程式:

(3)

Pm=UmIm,

(4)

Em=Pmtm,

(5)

式中,Um為母線電壓,e為電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢,Lm為電機(jī)繞組電感,Im為通過電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)電流,rm為電動(dòng)機(jī)電樞繞組內(nèi)阻,Pm為電動(dòng)機(jī)工作時(shí)所需功率,Em為所需能量,tm為電動(dòng)機(jī)工作時(shí)間。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí),有如下平衡方程式:

(6)

RA=eIm,

(7)

EA=PAtA,

(8)

式中,PA為發(fā)電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的功率,EA為工作時(shí)產(chǎn)生的能量,tA為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間。

由以上數(shù)學(xué)模型建立電機(jī)等效模型,如圖7。

圖7 電機(jī)負(fù)載等效模型

選用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行建模仿真,對混合電源供電系統(tǒng)進(jìn)行了升壓供電和降壓回饋仿真。設(shè)置鋰離子蓄電池和超級電容器電壓初始為14.1 V,容量為10 Ah,內(nèi)阻為0.02 Ω,電機(jī)選用42 V永磁直流電機(jī),額定功率為2 kW。

當(dāng)電機(jī)負(fù)載處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí),蓄電池與超級電容器并聯(lián)供電。設(shè)置階躍式目標(biāo)電流可很好地體現(xiàn)電源供電響應(yīng)特性,如圖8(a)所示,電機(jī)電流仿真值較好地跟隨參考值,沒有超調(diào),混合電源供電可很好地滿足電機(jī)負(fù)載的能量需求,且響應(yīng)迅速。蓄電池與超級電容器通過功率變換器共同升壓供電,蓄電池與超級電容器初始電壓均為14 V,通過PID控制器三倍升壓,如圖8(b)所示,仿真升壓后的電壓為42 V,電機(jī)的母線電壓為42 V。由以上電機(jī)電流與母線電壓仿真結(jié)果可知,混合電源供電系統(tǒng)達(dá)到了負(fù)載電機(jī)功率需求。如圖8(c)所示為混合電源各電源電流與總電流,圖中各電源電流變化清晰地體現(xiàn)了超級電容的“削峰填谷”的特性,在0～0.5 s之間,超級電容器與蓄電池之間有能量交換,放電初始階段蓄電池提供穩(wěn)態(tài)電流供應(yīng),0.5～2 s之間,負(fù)載功率需求增大,電流也增大,此時(shí)蓄電池供應(yīng)穩(wěn)定的小電流,超級電容器則供應(yīng)大電流,在保證負(fù)載需求的同時(shí),也防止了蓄電池大電流的放電。

圖8 混合電源供電仿真

當(dāng)汽車處于能量回饋工況,電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。如圖9(a)所示設(shè)置回饋參考電流為30 A,由于電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著汽車減速降速,電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也相應(yīng)減小。圖9(a)—(c),在0～3.5 s之間,混合電源處于充電模式,電機(jī)電樞回饋電流一直跟隨回饋參考電流值回饋,混合電源電壓逐漸上升至18 V左右,根據(jù)公式(6),電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢隨車速從約41 V降至約25 V時(shí),電機(jī)回饋電流也隨之降低。在4.5 s左右,電樞電流為0 A,電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢接近14 V,能量回饋工況結(jié)束。如圖9(c)所示,能量回饋時(shí),防止蓄電池大電流充電,回饋電流主要回饋到超級電容器中,蓄電池幾乎不參與電流回饋,且二者之間由于電壓的變化會(huì)有電流交換。

圖9 制動(dòng)能量回饋仿真

3 蓄電池超級電容器混合電源充放電試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室搭建了單一電源充放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行單一電源充放電特性分析,并搭建了超級電容器和蓄電池直接并聯(lián)組成的小功率混合電源,進(jìn)行充放電試驗(yàn)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng),以下對部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了研究,分析比較單一電源、混合電源的充、放電特性。

超級電容器放電結(jié)果如圖10,圖10(a)為超級電容器充電實(shí)驗(yàn)圖,隨著充電的時(shí)間增加,電壓隨之增大,超級電容荷電狀態(tài)(State of charge, SOC)值增大。圖10(b)為超級電容器放電實(shí)驗(yàn)圖,隨著放電時(shí)間的增加,電壓值下降越大。蓄電池放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11,圖11(a)為蓄電池充電實(shí)驗(yàn)圖,在充電過程中,蓄電池的電壓值基本不變。圖11(b)為蓄電池放電實(shí)驗(yàn)圖,控制蓄電池以6 A的電流放電時(shí),蓄電池電壓略有下降。

圖10 超級電容器充放電實(shí)驗(yàn)

圖11 蓄電池充放電實(shí)驗(yàn)

混合電源放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12,圖12(a)中蓄電池電壓一直保持12 V以上,提供穩(wěn)定的能量供應(yīng),超級電容器電壓下降較為明顯,在10 s之后,電壓下降到12 V以下。如圖12(b)所示,超級電容器能量密度小,功率密度大,放電速率快,故剛開始超級電容器承擔(dān)了短時(shí)大電流大功率需求,隨著電壓值出現(xiàn)明顯的下降,蓄電池進(jìn)行主要的電流與功率供應(yīng),電流曲線呈現(xiàn)明顯的上升趨勢,超級電容器仍承擔(dān)部分功率。根據(jù)功率為電壓與電流乘積的公式,電源功率變化跟電流曲線趨勢大致相同,如圖12(c)所示,超級電容器在供電工況中承擔(dān)了負(fù)載短時(shí)大功率需求,并在之后工況中承擔(dān)部分功率。

圖12 小功率混合電源的放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以2A對混合電源進(jìn)行充電,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13,蓄電池端電壓基本穩(wěn)定在12 V左右,超級電容器端電壓呈比例直線上升,SOC值迅速增大,超級電容器的使用保證了混合電源可及時(shí)地回收發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的能量。通過一定的能量控制策略可保證供電工況下超級電容器充放電平衡,使得超級電容器SOC及時(shí)達(dá)到供電閾值滿足能量供應(yīng),從而防止蓄電池的大電流充放電的情況。

圖13 充電時(shí)混合電源的電壓變化

對單一電源與混合電源充放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,放電工況中,混合電源電壓更穩(wěn)定,超級電容器承擔(dān)了負(fù)載短時(shí)大電流需求,且分擔(dān)了總功率的部分功率;在實(shí)際工況中混合電源相比于單一蓄電池供電,增強(qiáng)了供電電源的短時(shí)動(dòng)力性需求的性能。在充電過程中,混合電源利用了超級電容器充電速率快的特性,彌補(bǔ)了單一蓄電池充電時(shí)間長的缺點(diǎn);在制動(dòng)能量回饋工況中,能量優(yōu)先向超級電容器中回饋,當(dāng)超級電容器SOC值達(dá)到閾值上限時(shí),則向蓄電池中回饋能量。相比于單一蓄電池,縮短了電源回收能量的時(shí)間,提升了能源利用率。

4 小 結(jié)

研究了用于汽車的直接并聯(lián)型蓄電池超級電容器混合電源系統(tǒng),分析了混合電源的升、降壓供電以及升、降壓回饋能量的4種工作模式及控制方法。給出了各子系統(tǒng)的等效模型,建立了系統(tǒng)整體模型,基于車輛典型行駛工況,進(jìn)行了仿真研究。設(shè)計(jì)了小功率實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并針對不同負(fù)載以及不同充電方式,進(jìn)行了充放電試驗(yàn)。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了混合電源可充分發(fā)揮蓄電池能量密度大和超級電容器功率密度大的優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)了能源性能互補(bǔ),從而保護(hù)了蓄電池,提升了能源利用率。