純電動(dòng)汽車復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

石 浪，申榮衛(wèi)，關(guān)瑞元

純電動(dòng)汽車復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

石 浪，申榮衛(wèi)*，關(guān)瑞元

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

以純電動(dòng)汽車復(fù)合電源系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)四種傳統(tǒng)的復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有的優(yōu)勢(shì)和局限性進(jìn)行分析和研究；以超級(jí)電容主控式的復(fù)合電源為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種新型復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，超級(jí)電容全程參與工作，利用率得到顯著提高。為驗(yàn)證新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理性，在AVL Cruise下進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)復(fù)合電源結(jié)構(gòu)的電動(dòng)汽車，該新型結(jié)構(gòu)使動(dòng)力電池充放電電流進(jìn)一步減小，且整車的續(xù)駛里程得到了進(jìn)一步提高。

復(fù)合電源；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；AVL Cruise

目前，純電動(dòng)汽車主要以單一鋰離子電池作為驅(qū)動(dòng)源，然而鋰電池存在一定的局限性，功率密度較低、比能量密度已經(jīng)無限接近其理論上限[1]。當(dāng)車輛處于啟動(dòng)、急加速、長(zhǎng)爬坡、緊急制動(dòng)等復(fù)雜工況時(shí)，動(dòng)力電池將處于大功率工作狀態(tài)，流經(jīng)電池的電流較大，會(huì)加快電池老化，電池壽命下降帶來了一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高使用成本[2]。超級(jí)電容具有比功率高、可快速充放電、使用壽命長(zhǎng)和受溫度影響小等性能優(yōu)勢(shì)[3]。超級(jí)電容和動(dòng)力電池組成的復(fù)合電源，電池被當(dāng)作主要能量源，用以滿足續(xù)航里程需求，超級(jí)電容作為輔能量源，協(xié)助電池工作，避免大電流損害電池自身，起到保護(hù)電池、放緩電池老化速率和延長(zhǎng)電池使用壽命的作用[4]。孫寶文等[5]對(duì)雙向直流變換器（Direct Current-Direct Current, DC-DC）變換器開關(guān)頻率高、損耗以及拓?fù)淇刂茝?fù)雜這一缺陷，提出了一種雙向流動(dòng)的DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；邱浩等[6]利用超級(jí)電容和蓄電池組成的復(fù)合電源，設(shè)計(jì)了一種高頻電力電子器件的電機(jī)傳動(dòng)主電路的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本文在原有超級(jí)電容和動(dòng)力電池組成的復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中超級(jí)電容全程參與工作，利用率得到顯著提高。且仿真實(shí)驗(yàn)表明，該結(jié)構(gòu)能夠提高電動(dòng)汽車動(dòng)力性和制動(dòng)能量回收效率，減少電路中能量損耗，提高整車?yán)m(xù)駛里程。

1 新型復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合電源純電動(dòng)汽車的復(fù)合電源系統(tǒng)是以動(dòng)力電池為主、超級(jí)電容為輔的能源結(jié)構(gòu)，如圖1所示，粗實(shí)線為機(jī)械連接，細(xì)實(shí)線為電氣連接。

圖1 復(fù)合電源系統(tǒng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的復(fù)合電源結(jié)構(gòu)按動(dòng)力電池、超級(jí)電容和DC-DC變換器的連接方式不同，將其分為被動(dòng)式、動(dòng)力電池主動(dòng)式、超級(jí)電容主動(dòng)式和全主動(dòng)式4種結(jié)構(gòu)[7]?？紤]到復(fù)合電源系統(tǒng)電流的可控性、電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性等因素，以超級(jí)電容半主動(dòng)式為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種新型的復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。因保留了超級(jí)電容作為輔助能源的工作方式，超級(jí)電容可通過DC-DC變換器串聯(lián)后與動(dòng)力電池共同參與功率輸出，充分發(fā)揮了超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)并提高了利用率。

圖2 新型復(fù)合電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 新型復(fù)合電源結(jié)構(gòu)工作模式

車輛在行駛過程中會(huì)有啟動(dòng)、急加速、恒速、減速和爬坡等各種復(fù)雜工況，新型復(fù)合電源系統(tǒng)可以有效應(yīng)對(duì)車輛在復(fù)雜環(huán)境下的大電流放電和在制動(dòng)情況下高效的能量回收，充分發(fā)揮出超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)，避免了動(dòng)力電池大電流充放電的情況，延長(zhǎng)了電池壽命并提高車輛續(xù)駛里程。為充分發(fā)揮新型復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了動(dòng)力電池單獨(dú)放電、超級(jí)電容單獨(dú)放電、組成復(fù)合電源共同放電、超級(jí)電容單獨(dú)回收制動(dòng)能量、動(dòng)力電池單獨(dú)回收制動(dòng)能量五種工作模式。

1）動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)電機(jī)模式。如圖3所示，在超級(jí)電容電壓小于等于動(dòng)力電池電壓，且電動(dòng)汽車需求功率較小時(shí)，控制開關(guān)斷開，動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，動(dòng)力電池會(huì)根據(jù)超級(jí)電容能量情況為其充電。此時(shí)，超級(jí)電容幾乎無電壓輸出，動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2）超級(jí)電容單獨(dú)驅(qū)動(dòng)電機(jī)模式。如圖4所示，當(dāng)電動(dòng)汽車處在啟動(dòng)、急加速、爬坡，且超級(jí)電容電壓高于動(dòng)力電池電壓時(shí)，智能控制開關(guān)閉合，超級(jí)電容以高電壓進(jìn)行瞬時(shí)放電以滿足車輛大功率放電需求。

圖4 超級(jí)電容單獨(dú)驅(qū)動(dòng)電機(jī)模式

3）動(dòng)力電池與超級(jí)電容共同驅(qū)動(dòng)電機(jī)模式。如圖5所示，在整車對(duì)功率和能量需求較大，如持續(xù)爬坡，超級(jí)電容電壓小于動(dòng)力電池電壓等情況時(shí)，僅單個(gè)電源工作不能滿足整車的性能需求，需要DC-DC變換器參與工作，而控制開關(guān)此時(shí)不參與工作，使動(dòng)力電池和超級(jí)電容組成的復(fù)合電源滿足整車功率需求，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。在復(fù)臺(tái)電源工作過程中，動(dòng)力電池以恒功率輸出，超級(jí)電容作為輔助電源提供其余功率輸出，避免動(dòng)力電池大功率放電，保護(hù)了動(dòng)力電池，并提升了其工作效率。

圖5 動(dòng)力電池與超級(jí)電容共同驅(qū)動(dòng)電機(jī)模式

4）超級(jí)電容單獨(dú)回收能量模式。如圖6所示，電動(dòng)汽車處于制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)在提高整車制動(dòng)力的同時(shí)，利用電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)特性進(jìn)行制動(dòng)能量回收。當(dāng)超級(jí)電容電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）低且剩余可儲(chǔ)存能量大于等于此時(shí)制動(dòng)能量時(shí)，智能控制開關(guān)閉合，由超級(jí)電容單獨(dú)回收制動(dòng)能量。此工作條件下能量回收效率高，能量損耗低。

圖6 超級(jí)電容單獨(dú)回收制動(dòng)能量模式

5）動(dòng)力電池單獨(dú)回收制動(dòng)能量模式。如圖7所示，電動(dòng)汽車處于制動(dòng)能量回收，若超級(jí)電容SOC達(dá)到預(yù)設(shè)上限值時(shí)，此時(shí)，由動(dòng)力電池回收剩余制動(dòng)能量，智能控制開關(guān)不工作。因超級(jí)電容在車輛制動(dòng)時(shí)優(yōu)先進(jìn)行了制動(dòng)能量的回收，當(dāng)動(dòng)力電池進(jìn)行制動(dòng)能量回收時(shí)，制動(dòng)功率較小，動(dòng)力電池沒有進(jìn)行大電流充電，不會(huì)對(duì)電池造成損壞，但動(dòng)力電池單獨(dú)回收制動(dòng)能量情況較少。

圖7 動(dòng)力電池單獨(dú)回收制動(dòng)能量模式

與傳統(tǒng)的復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，新型復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作方式更加靈活，且采用的核心部件只有一個(gè)DC-DC 變換器和一個(gè)智能控制開關(guān)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。在智能控制開關(guān)快速調(diào)節(jié)下，能夠?qū)崿F(xiàn)超級(jí)電容串并聯(lián)和高低壓切換，可適應(yīng)各種復(fù)雜運(yùn)行工況，充分利用了超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)，提高了整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

3 新型復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真分析

3.1 控制策略的設(shè)計(jì)

復(fù)合電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，以電機(jī)需求功率rep的正負(fù)來判斷工作模式（rep>0時(shí)為電驅(qū)動(dòng)模式，rep<0時(shí)為制動(dòng)模式），進(jìn)而合理地將整車需求功率分配給動(dòng)力電池和超級(jí)電容，充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)，在保障動(dòng)力性的前提下，減少動(dòng)力電池大電流充放電現(xiàn)象，延長(zhǎng)電池壽命。邏輯門限值控制策略因運(yùn)算量少，可靠性高且不需要過于精確的模型。因此，選擇簡(jiǎn)單的邏輯門限值控制策略對(duì)復(fù)合電源進(jìn)行控制，來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理性。邏輯門限值控制邏輯流程如圖8所示，rep為電機(jī)需求功率；cap為超級(jí)電容輸出功率；bat為動(dòng)力電池輸出功率；cap為超級(jí)電容端電壓；bat為動(dòng)力電池端電壓；bat為動(dòng)力電池SOC值；bat_max、bat_min分別為動(dòng)力電池SOC上限閾值和下限閾值；cap為超級(jí)電容SOC值；cap_max、cap_min分別為超級(jí)電容SOC上限閾值和下限閾值。

圖8 邏輯門限值控制流程

1）當(dāng)需求功率rep>0時(shí)，此時(shí)電機(jī)為電驅(qū)動(dòng)模式。超級(jí)電容電壓大于動(dòng)力電池電壓時(shí)，超級(jí)電容側(cè)智能控制開關(guān)閉合，單獨(dú)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源，滿足車輛所需的大功率。此時(shí)動(dòng)力電池幾乎不參與工作。超級(jí)電容電壓小于動(dòng)力電池電壓時(shí)，控制開關(guān)不參與工作，超級(jí)電容SOC處于較高值，即cap>cap_min時(shí)，超級(jí)電容經(jīng)DC-DC變換器升壓后，作為輔助電源與動(dòng)力電池共同為電機(jī)提供能量，避免動(dòng)力電池大功率放電，損壞電池；當(dāng)超級(jí)電容的SOC處于cap

2）當(dāng)需求功率rep<0時(shí)，此時(shí)電機(jī)處于制動(dòng)能量回收模式。根據(jù)超級(jí)電容和動(dòng)力電池的SOC值來確定車輛制動(dòng)回收能量方式。當(dāng)超級(jí)電容SOC值小于設(shè)定的上限閾值，超級(jí)電容先回收制動(dòng)能量；當(dāng)超級(jí)電容SOC值大于設(shè)定的上限閾值，且動(dòng)力電池SOC值小于其設(shè)定的上限閾值時(shí)，由電池回收超級(jí)電容不能完全吸收的制動(dòng)能量。否則動(dòng)力電池不吸收剩余的能量，再生制動(dòng)能量以熱能消耗。

3.2 仿真分析

以AVL Cruise軟件自帶仿真模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)車輛在新歐洲駕駛周期（New European Driving Cycle, NEDC）工況下進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的新型復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性，仿真模型如圖9所示。

車輛在NEDC工況下車速跟隨曲線如圖10所示。由圖可知整車需求車速和實(shí)際車速擬合效果很好，說明設(shè)計(jì)的車輛滿足循環(huán)工況要求。

新型復(fù)合電源結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的超級(jí)電容主動(dòng)式復(fù)合電源結(jié)構(gòu)在NEDC工況下動(dòng)力電池SOC變化曲線如圖11所示。從動(dòng)力電池SOC變化曲線圖可知，新型復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)超級(jí)電容主控式的動(dòng)力電池SOC下降慢，因而新型復(fù)合電源結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)了整車?yán)m(xù)駛里程。

圖9 復(fù)合電源仿真模型

圖11 動(dòng)力電池荷電狀態(tài)變化曲線

在NEDC工況下動(dòng)力電池電流變化曲線圖12所示，從動(dòng)力電池電流變化曲線圖可知，新結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)復(fù)合電源結(jié)構(gòu)動(dòng)力電池在運(yùn)行過程中電流減小了，進(jìn)一步發(fā)揮了超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)和利用率，避免了動(dòng)力電池大電流充放電的現(xiàn)象，延長(zhǎng)了動(dòng)力電池壽命，提高了整車經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

以傳統(tǒng)超級(jí)電容主控式的復(fù)合電源為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種新型復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。超級(jí)電容可通過DC-DC變換器串聯(lián)后與動(dòng)力電池共同參與功率輸出，也可以直接給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電或直接吸收制動(dòng)能量，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)靈活，充分發(fā)揮了超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)并提高了利用率。

通過仿真驗(yàn)證，新型結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)復(fù)合電源結(jié)構(gòu)的電動(dòng)汽車，動(dòng)力電池充放電電流進(jìn)一步減小，流經(jīng)功率器件的電流也減小了，使其系統(tǒng)熱損耗減少。由動(dòng)力電池SOC值變化可知，新型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了整車的續(xù)駛里程。新型復(fù)合電源結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步發(fā)揮超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)，避免動(dòng)力電池大電流充放電現(xiàn)象，并提高整車經(jīng)濟(jì)性。

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Structural Design of Hybrid Power Supply System for Pure Electric Vehicle

SHI Lang, SHEN Rongwei*, GUAN Ruiyuan

( School of Automotive and Transportation, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China )

Taking the composite power supply system of pure electric vehicles as the research object, this paper analyzes and studies the advantages and limitations of four traditional composite power supply topologies. Based on the composite power supply controlled by supercapacitors, a new type of composite energy storage system topology is designed, with supercapacitors participating in the entire process and significantly improving utilization efficiency. To verify the rationality of the new topology structure, simulations are conducted under AVL Cruise. The simulation results showed that compared to traditional composite power structure electric vehicles, this new structure further reduces the charging and discharging current of the power battery, and further improves the driving range of the entire vehicle.

Composite power supply; Structural design; AVL Cruise

U469.72

A

1671-7988(2023)22-28-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.022.006

石浪（1999－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰夹g(shù)，E-mail:749919307@qq.com。

申榮衛(wèi)（1971－），男，博士，教授，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰夹g(shù)，E-mail:13672013098@163.com。