王慶年，曲曉冬，于遠彬，閔海濤

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025)

前言

并聯(lián)式混合動力公交車工作過程中起動、制動頻繁，車載儲能裝置總是處于反復(fù)大功率的充電放電的過程中。單一電池的壽命難以保證。超級電容可以高效率地回收制動能量輔助公交車起動和協(xié)助發(fā)動機驅(qū)動車輛［1］，而且具有較長的循環(huán)壽命。但是超級電容能量密度低，難以支持轉(zhuǎn)向助力、空調(diào)等大功率電動附件長時間工作，不能實現(xiàn)停車關(guān)閉發(fā)動機，取消發(fā)動機怠速的功能［2－7］。

本文中提出了以超級電容為主要儲能器，小容量鋰電池通過直流變壓器DC-DC作為輔助能量源的電容式復(fù)合電源構(gòu)型，如圖1所示。

由超級電容滿足行車中的大功率充放電工況，鋰電池在保證長時間放電后電容虧電的情況下，電源系統(tǒng)仍能實現(xiàn)純電動起動等功能。復(fù)合電源系統(tǒng)既具有超級電容功率大、效率高、可靠性好、壽命長的優(yōu)點，又可以取消停車時的發(fā)動機怠速，更節(jié)能，同時大大延長鋰電池的壽命，降低其更換成本［3，8］。

1 整車建模

為了對復(fù)合電源式混合動力公交車控制策略進行深入研究，根據(jù)某廠混合動力公交車的實車數(shù)據(jù)，在AVL/Cruise環(huán)境下建立整車模型，見圖2。

該模型可與MATLAB/Simulink建立的整車控制策略進行聯(lián)合仿真，驗證控制策略的效果。復(fù)合電源中的電池和超級電容性能參數(shù)如表1所示。

表1 鋰電池和超級電容性能

2 控制策略設(shè)計

目前并聯(lián)式混合動力汽車中應(yīng)用最廣泛最成熟的整車功率分配策略是邏輯門限策略。其原理是依據(jù)發(fā)動機當(dāng)前轉(zhuǎn)速下較為高效的工作范圍，設(shè)定發(fā)電門限和助力門限兩個門限值。當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩低于發(fā)動機高效區(qū)時，讓發(fā)動機在其高效區(qū)的下限工作，電機利用發(fā)動機剩余轉(zhuǎn)矩發(fā)電;而當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩高于發(fā)動機高效區(qū)時，讓發(fā)動機在其高效區(qū)上限工作，利用電機助力［9］?？刂撇呗匀鐖D3所示。

2.1 復(fù)合電源性能特性

受超級電容的能量密度所限，復(fù)合電源的持續(xù)充放電能力不如傳統(tǒng)混合動力汽車所用的動力電池。

圖4為復(fù)合電源可用能量范圍內(nèi)的5s可持續(xù)充放電功率對比。對于復(fù)合電源，超級電容在250～420V的工作電壓范圍內(nèi)具有294W·h的可用能量;而電池在SOC為40%～60%的工作范圍內(nèi)具有1 000W·h的能量。超級電容中的能量過多時，復(fù)合電源的可充電功率達不到電機最大功率;超級電容中的能量過少時，復(fù)合電源的可放電功率達不到電機的最大功率。說明超級電容只有當(dāng)其能量適中時才能完全滿足電機最大充放電功率需求;而原動力電池在3 000W·h的可用能量范圍內(nèi)都可以滿足電機最大充放電功率需求。

復(fù)合電源和單一電池性能的差異決定了動力系統(tǒng)不應(yīng)過多地使用電助力/發(fā)電功能，而且應(yīng)具有更強的電量平衡能力。同時，在全力加速，長時間爬坡、長時間再生制動，電容SOC高或低時，復(fù)合電源系統(tǒng)的放電或充電功率達不到電機最大功率，須對電機功率進行限制，以避免電容電壓超出電機可以正常工作的范圍。

2.2 發(fā)動機-電機功率分配策略

為了減輕復(fù)合電源的負載，結(jié)合發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下不同負荷的效率，設(shè)計電助力策略如下:當(dāng)沒有電量平衡需求時，只有在需求轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動機當(dāng)前最大轉(zhuǎn)矩時才進行電助力，發(fā)動機負荷小于10%時，才通過電機發(fā)電提高發(fā)動機效率，如圖5所示。

復(fù)合電源式混合動力汽車需要協(xié)調(diào)控制發(fā)動機、電容和電池，涉及到轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流和電壓等控制量，為從一個統(tǒng)一的角度進行三能量源控制，根據(jù)需求功率和當(dāng)前發(fā)動機、電池與電容可輸出的最大功率，設(shè)計發(fā)動機電機功率分配策略，如圖6所示。

2.3 電量平衡策略設(shè)計

控制策略的電量平衡功能是通過調(diào)節(jié)電機助力門限和電機發(fā)電門限兩個值來實現(xiàn)的。根據(jù)復(fù)合電源性能能否完全滿足電機最大功率需求，將超級電容的SOC分為過低、正常、過高3個范圍。利用模糊控制的思想，設(shè)計發(fā)電助力門限調(diào)節(jié)策略和電機功率限制與電池助力策略，如圖7所示。

當(dāng)電容SOC在正常工作范圍內(nèi)時，僅通過調(diào)節(jié)兩門限值利用發(fā)動機對超級電容進行電量平衡控制，如圖8所示。

當(dāng)電容SOC超出正常工作范圍時，發(fā)動機-超級電容系統(tǒng)電量平衡能力達到最大值，需要電池輔助提供功率，并且開始限制電機的最大功率，防止電容過充或過放，電壓超出電機可以工作的范圍。

電池SOC平衡采用恒溫器式的控制方法，當(dāng)電池SOC低于40%時，由發(fā)動機通過ISG電機和DCDC定功率給電池充電，當(dāng)其高于60%時，則通過ISG電機放電參與電助力。全部電量平衡策略如圖9所示。

2.4 電容期望SOC限值設(shè)定

本文中以正比的關(guān)系用電壓來衡量超級電容的SOC，以420V為100%。按照電機250～425V的工作范圍，在控制中超級電容的SOC上下限值分別取60%和100%?；旌蟿恿ζ嚨退贂r需要滿足純電動和加速助力功能，對復(fù)合電源放電的能量需求高;而車速較高時潛在的再生制動回收能量較高。為了充分利用超級電容的儲能空間，理想的情況是在車速低時SOC較高以進行助力和電動，車速高時SOC較低以進行再生制動。為了對車速與理想的超級電容SOC進行研究，對純電動驅(qū)動和再生制動進行仿真，得到超級電容SOC，如圖10所示。

基于仿真數(shù)據(jù)，根據(jù)電容能滿足整車純電動起動到15km/h而SOC不會低于65%的需求和在各個車速下都有足夠的能量空間回收再生制動能量兩個原則，確定SOC的高低限值，以其均值作為期望SOC，如圖11所示。

3 仿真驗證

3.1 功能測試仿真

設(shè)計整車功能驗證工況，如圖12所示。驗證工況包括長時間低速電動、停車發(fā)動機關(guān)閉、極限加速和長時間下坡制動等情況，且加入了4kW的電負載，以模擬空調(diào)等用電附件，測試系統(tǒng)在極限情況下的功率分配策略，仿真結(jié)果如圖13所示。

在仿真的0～30s，整車由超級電容輸出功率純電動行駛，當(dāng)電容SOC低時DC-DC工作，電池開始輸出功率驅(qū)動整車行駛。在30s時，純電動模式不能滿足駕駛員的加速需求，發(fā)動機起動，同時給超級電容充電，如圖14所示。

在140～180s的加速工況中，加速開始階段整車由發(fā)動機單獨驅(qū)動，超級電容僅提供4kW的用電附件功率，當(dāng)發(fā)動機達到最大功率后開始由電機助力，超級電容SOC迅速下降后，電池開始工作并提供輔助功率，同時電機功率開始受到限制，電容SOC下降到一定程度后達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時助力需求的電功率完全由電池提供，如圖15所示。

在220～250s的勻速下坡制動過程中，隨著電容SOC的持續(xù)上升，電池介入再生制動能量回收，限制住了超級電容SOC，如圖16所示。

在300s后的180s停車待機過程中，由超級電容提供用電附件工作所需的能量，直到電容SOC低，電池開始輸出功率并給電容充電，維持超級電容SOC，如圖17所示。

3.2 燃油經(jīng)濟性對比仿真

進行城市公交車綜合工況仿真，與以80%為SOC控制目標(biāo)的邏輯門限電量平衡控制效果進行對比。結(jié)果如圖18所示，為說明仿真過程中電池和超級電容的使用程度，對過程中電池和超級電容輸出功率的絕對值進行積分，結(jié)果如表2所示。

表2 工況中電池和超級電容的使用度及油耗

仿真結(jié)果表明，采用基于車速的期望SOC設(shè)計的模糊控制策略時，超級電容SOC隨車速在其可用能量范圍內(nèi)的變化區(qū)間更廣，對超級電容的容量利用更加充分，在降低了電池使用度的同時，減少了發(fā)動機、電池、電容之間為維持SOC所造成的能量二次轉(zhuǎn)換損失，提高了燃油經(jīng)濟性。

4 結(jié)論

(1)采用大容量超級電容作為主要儲能裝置，小容量電池與DC-DC作為輔助儲能裝置的主動控制式復(fù)合電源可以滿足混合動力公交車各項功能的需求。

(2)根據(jù)主動控制式復(fù)合電源構(gòu)型的性能特性，利用基于模糊控制思想設(shè)計的發(fā)動機、超級電容和電池3種能量源協(xié)調(diào)控制策略，可以達到多用電容，少用電池的控制效果，提高了系統(tǒng)效率。

(3)提出了基于車速的超級電容期望SOC，作為平衡超級電容SOC的目標(biāo)，進行城市綜合工況仿真，對比定期望SOC的控制方法，減少了對電池的使用，提高了燃油經(jīng)濟性。

［1］ 閔海濤，劉杰，于遠彬，等．混合動力汽車復(fù)合電源參數(shù)優(yōu)化與試驗研究［J］．汽車工程2011，33(12):1078－1084．

［2］ 胡春花，何仁，李楠．混聯(lián)式 HEV能量控制系統(tǒng)魯棒控制器設(shè)計［J］．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012，42(12):61 －65．

［3］ 于遠彬，王慶年，王加雪，等．混合動力汽車車載復(fù)合電源參數(shù)匹配及其優(yōu)化［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2008，38(4):764－768．

［4］ 于遠彬，王慶年，王偉華，等．應(yīng)用復(fù)合電源的輕度混合動力汽車的參數(shù)匹配［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2009，39(2):281－285．

［5］ Masih-Tehrani Masoud，Ha'iri-Yazdi Mohammad-Reza，Esfahanian Vahid．Development of a Hybrid Energy Storage Sizing Algorithm Associated with the Evaluation of Power Management in Different Driving Cycles［J］．Journal of Mechanical Science and Technology，2012，26(12):4149 －4156．

［6］ Campbell Robert，Rajashekara Kaushik．Evaluation of Power Devices for Automotive Hybrid and 42V Based Systems［C］．SAE Paper 2004－01－1682．

［7］ 鄧隆陽，黃海燕，盧蘭光，等．超級電容性能試驗與建模研究［J］．車用發(fā)動機，2010(1):28 －33．

［8］ Bajpai Prabodh，Dash Vaishalee．Hybrid Renewable Energy Systems for Power Generation in Stand-alone Applications:A Review［J］．Renewable ＆ Sustainable Energy Reviews，2012，16:2926 －2939．

［9］ 張丹紅，汪江衛(wèi)，劉開培，等．HEV車載復(fù)合電源系統(tǒng)控制策略優(yōu)化研究［J］．電源技術(shù)，2012(5):650－655．