純電動(dòng)汽車800 V高電壓復(fù)合電源能量分配策略研究

田麗媛，王志豪，劉孝飛

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012)

0 引言

純電動(dòng)汽車(blade electric vehicles,BEV)在國(guó)家的大力支持及相對(duì)環(huán)保的情況下，近些年越來(lái)越受國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)的關(guān)注，并且純電動(dòng)汽車還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易控制、噪聲小、能源容易獲得等優(yōu)點(diǎn)。雖然純電動(dòng)汽車在發(fā)展過(guò)程中取得了豐碩的成果，也出現(xiàn)了許多質(zhì)量較好的品牌，但電池技術(shù)仍然制約著純電動(dòng)汽車的發(fā)展。由于電池的比功率小，當(dāng)電動(dòng)汽車起動(dòng)、加速、低速、上坡、快速制動(dòng)等大功率工作時(shí)，會(huì)使電池的充放電電流過(guò)大，造成電池的使用壽命降低。超級(jí)電容正好能夠彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，超級(jí)電容具有比功率大和充放電快的優(yōu)點(diǎn)，適合短時(shí)間的功率輸出和制動(dòng)能量回收?？刹扇?dòng)力電池-超級(jí)電容復(fù)合電源共同為汽車供電的方法，使用超級(jí)電容承擔(dān)大電流，減少對(duì)動(dòng)力電池的沖擊。

動(dòng)力電池與超級(jí)電容組合成復(fù)合電源后互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，既有動(dòng)力電池的高比能量又有超級(jí)電容的高比功率，提高了純電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)的整體性能，因此復(fù)合電源的結(jié)構(gòu)和能量控制策略成為研究熱點(diǎn)。常見(jiàn)的復(fù)合電源結(jié)構(gòu)主要有動(dòng)力電池與超級(jí)電容直接并聯(lián)，動(dòng)力電池和DC/DC變換器串聯(lián)后再與超級(jí)電容并聯(lián)，超級(jí)電容和DC/DC變換器串聯(lián)后再與動(dòng)力電池并聯(lián)，動(dòng)力電池與超級(jí)電容分別串聯(lián)DC/DC變換器后再并聯(lián)等。復(fù)合電源能量控制策略多以邏輯門限控制策略、模糊控制策略和模型預(yù)測(cè)控制策略為主，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改動(dòng)或添加控制元素來(lái)改善復(fù)合電源工作情況。

文中以相同功率條件下電壓越大電流越小的想法出發(fā)，提高超級(jí)電容的電壓值以減小能量損耗，并以動(dòng)力電池電壓、需求功率、超級(jí)電容和動(dòng)力電池的限制值為門限值建立邏輯門限值控制策略，以ADVISOR2002軟件的單一電源純電動(dòng)汽車模型為基礎(chǔ)進(jìn)行修改，建立新型復(fù)合電源純電動(dòng)汽車整車模型，驗(yàn)證控制策略的有效性。

1 復(fù)合電源結(jié)構(gòu)分析

為了提高能量分配策略的控制效果，需要找到合適的復(fù)合電源結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮超級(jí)電容器高比功率，從而提升車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。文中設(shè)計(jì)的復(fù)合電源在汽車起步時(shí)動(dòng)力電池與超級(jí)電容共同放電，在減速行駛時(shí)為超級(jí)電容迅速充電，電壓最大可達(dá)800 V，再次加速行駛時(shí)超級(jí)電容單獨(dú)工作直至電壓降至電池電壓。由于此工作模式的特殊性，文中的復(fù)合電源結(jié)構(gòu)上采用動(dòng)力電池和帶有理想開(kāi)關(guān)的DC/DC變換器串聯(lián)，后再與超級(jí)電容并聯(lián)。其中，動(dòng)力電池是主要供能裝置；超級(jí)電容是輔助供能裝置；采用單向降壓DC/DC變換器，在整個(gè)模型中的作用是將制動(dòng)回收的電壓降低后給動(dòng)力電池充電并保護(hù)動(dòng)力電池；理想開(kāi)關(guān)控制動(dòng)力電池是否參與驅(qū)動(dòng)。復(fù)合電源結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 復(fù)合電源結(jié)構(gòu)

2 能量分配控制策略

復(fù)合電源能量分配策略的作用是讓復(fù)合電源在不同工況下都能為電機(jī)提供充足的能量，使能源利用率達(dá)到最大化，并且對(duì)各個(gè)部件有保護(hù)效果。汽車在行駛過(guò)程中有4種工作模式：①動(dòng)力電池與超級(jí)電容共同供電模式；②超級(jí)電容單獨(dú)供電模式；③超級(jí)電容單獨(dú)回收能量模式；④動(dòng)力電池單獨(dú)回收能量模式。

面對(duì)純電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中復(fù)雜變化的工況及動(dòng)力電池與超級(jí)電容的快速電壓對(duì)比要求，文中采用了反應(yīng)速度快且容易控制的邏輯門限控制策略對(duì)上述能量分配方法進(jìn)行驗(yàn)證。該策略可以在不同工況下順暢地切換，并對(duì)純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性能起到優(yōu)化作用，也很好地發(fā)揮了復(fù)合電源純電動(dòng)汽車在城市中行駛的優(yōu)勢(shì)，邏輯門限控制策略如圖2所示。

圖2 邏輯門限控制策略

圖2中為電機(jī)需求功率；為超級(jí)電容輸出功率;為動(dòng)力電池輸出功率;為超級(jí)電容端電壓;為動(dòng)力電池端電壓;為動(dòng)力電池荷電狀態(tài)值;為動(dòng)力電池最大荷電狀態(tài)值;為超級(jí)電容荷電狀態(tài)值;為超級(jí)電容最小荷電狀態(tài)值;為超級(jí)電容最大荷電狀態(tài)值。

邏輯門限控制規(guī)則以需求功率值來(lái)確定電動(dòng)汽車處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)還是制動(dòng)狀態(tài)，如果>0則為驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，反之則為制動(dòng)狀態(tài)。在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，當(dāng)超級(jí)電容電壓等于動(dòng)力電池電壓時(shí)，由動(dòng)力電池單獨(dú)提供所需功率;當(dāng)超級(jí)電容電壓大于動(dòng)力電池電壓時(shí)，由超級(jí)電容單獨(dú)供電;待到超級(jí)電容供電過(guò)程中電壓下降到和動(dòng)力電池電壓相同時(shí)，再由動(dòng)力電池與超級(jí)電容共同供電，但超級(jí)電容直接與動(dòng)力電池并聯(lián)電壓保持一致，因此功率輸出由動(dòng)力電池單獨(dú)提供。在制動(dòng)狀態(tài)下，當(dāng)超級(jí)電容荷電狀態(tài)值小于最大值時(shí)，由超級(jí)電容單獨(dú)回收能量;當(dāng)超級(jí)電容荷電狀態(tài)值不小于最大值且動(dòng)力電池荷電狀態(tài)值小于最大值時(shí)，由動(dòng)力電池單獨(dú)回收;若動(dòng)力電池與超級(jí)電容都達(dá)到飽和狀態(tài)，則剩余的回收能量在電路中消耗掉。

3 仿真分析

3.1 仿真車輛參數(shù)

復(fù)合電源性能參數(shù)見(jiàn)表1。與大多數(shù)復(fù)合電源不同的是，為了充分地發(fā)揮新型復(fù)合電源結(jié)構(gòu)的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，采用了71 F的小容量超級(jí)電容，減少了在超級(jí)電容上的成本。整車基本參數(shù)見(jiàn)表2，整車性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 復(fù)合電源性能參數(shù)

表2 整車基本參數(shù)

表3 整車性能參數(shù)

3.2 基于ADVISOR的整車仿真模型

在ADVISOR中將原有的EV頂層模型進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，添加超級(jí)電容模塊，并建立邏輯門限控制策略將動(dòng)力電池與超級(jí)電容連接，搭建出復(fù)合電源純電動(dòng)汽車整車仿真模型，如圖3所示。復(fù)合電源控制策略模型如圖4所示。

圖3 整車仿真模型

圖4 控制策略模型

3.3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)典型城市循環(huán)工況數(shù)據(jù)，對(duì)ADVISOR二次開(kāi)發(fā)所建立的新構(gòu)型復(fù)合電源純電動(dòng)汽車整車模型，及以相同數(shù)據(jù)建立的兩個(gè)對(duì)比模型(超級(jí)電容與雙向DC/DC變換器串聯(lián)、與動(dòng)力電池并聯(lián)的傳統(tǒng)復(fù)合電源模型；單一電源模型)進(jìn)行仿真分析和數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了新型復(fù)合電源的有效性。新構(gòu)型復(fù)合電源純電動(dòng)汽車整車模型在典型城市循環(huán)工況速度跟隨曲線如圖5所示。

圖5 典型城市循環(huán)工況速度跟隨曲線

新型復(fù)合電源電池、傳統(tǒng)復(fù)合電源電池、單一電源電池對(duì)比曲線如圖6所示。由圖可以看出，曲線下降速度明顯慢于與，在單個(gè)UDDS循環(huán)工況下，下降到0943 7，下降到0935 5，下降到0933 6。比少下降0008 2，比少下降0010 1。由此可證明文中采用71 F小容量超級(jí)電容的新型復(fù)合電源結(jié)構(gòu)對(duì)電池續(xù)航能力有很大的提高。

圖6 動(dòng)力電池SOC對(duì)比曲線

圖7為傳統(tǒng)與新型復(fù)合電源超級(jí)電容電壓對(duì)比曲線。由圖可以看出，傳統(tǒng)復(fù)合電源超級(jí)電容電壓在400 V以下，新型復(fù)合電源超級(jí)電容電壓在400～800 V。由式=與=可知,在輸出相同功率時(shí)，大電壓超級(jí)電容能夠有效地減小電流，從而減小能量損耗。

圖7 傳統(tǒng)與新型復(fù)合電源超級(jí)電容電壓對(duì)比曲線

圖8為傳統(tǒng)與新型復(fù)合電源超級(jí)電容電流對(duì)比曲線。由圖可以看出，新型復(fù)合電源的超級(jí)電容電流幾乎是傳統(tǒng)的1/2，進(jìn)一步驗(yàn)證了大電壓超級(jí)電容和文中的控制策略在復(fù)合電源中的節(jié)能作用是巨大的。

圖8 傳統(tǒng)與新型復(fù)合電源超級(jí)電容電流對(duì)比曲線

新型復(fù)合電源電池、傳統(tǒng)復(fù)合電源電池及單一電源電池電流對(duì)比曲線如圖9所示。新型復(fù)合電源電池電流相對(duì)于傳統(tǒng)復(fù)合電源電池及單一電源電池電流都略低一些，并且在電量回收階段和汽車起步階段新型復(fù)合電源由超級(jí)電容單獨(dú)工作，此時(shí)電池電流為零，這些都說(shuō)明新型復(fù)合電源結(jié)構(gòu)有效地減小了電池的電流，對(duì)電池起到了一定的保護(hù)作用，能夠有效地減小電池的損耗和提高電池的使用壽命。

圖9 3種不同結(jié)構(gòu)的電源電池電流對(duì)比曲線

4 結(jié)論

文中采用邏輯門限控制策略對(duì)所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及能量分配方法進(jìn)行建模，并結(jié)合ADVISOR軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)搭建復(fù)合電源純電動(dòng)汽車整車仿真模型，然后在典型城市工況下進(jìn)行仿真分析，并與傳統(tǒng)的復(fù)合電源和單一電源進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。結(jié)果表明，文中的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及供電模式在邏輯門限控制策略下，不僅充分發(fā)揮了傳統(tǒng)復(fù)合電源對(duì)電池的削峰填谷作用和快速充放電的優(yōu)點(diǎn)，還應(yīng)用低成本的小容量超級(jí)電容大幅提高了電池的續(xù)航能力，并且通過(guò)超級(jí)電容大電壓放電的工作模式減少了能量損耗。