伍 鵬，何 鋒，楊澤平，袁興國

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

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基于CRUISE的純電動商務車復合電源參數(shù)匹配與仿真*

伍 鵬，何 鋒，楊澤平，袁興國

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

在純電動商務車中使用兩個或兩個以上的動力源共同為整車提供動力時,會帶來動力源的參數(shù)匹配問題。在AVL/CRUISE軟件中搭建純電動商務車復合電源及整車仿真模型，并對復合電源參數(shù)進行匹配研究。仿真結果表明，所設計的復合電源能夠為整車提供足夠能量滿足純電動商務車行駛時的速度以及加速度要求，有效降低了鋰離子電池放電倍率。

復合電源 鋰離子電池 超級電容 參數(shù)匹配

0 引言

目前，市場上的純電動車輛主要使用鋰離子電池作為動力源，然而比功率低、循環(huán)壽命短等已成為制約鋰電池大量應用于純電動汽車的主要問題[1]。超級電容具有充放電效率高，比功率大，循環(huán)壽命長等優(yōu)點[2]。將超級電容和鋰電池組成復合電源進行研究以發(fā)揮兩者的優(yōu)勢、彌補鋰電池的性能缺陷，對于促進純電動汽車的發(fā)展和推廣應用都有著重要作用。

以磷酸鐵鋰離子電池組作為整車動力源，在山區(qū)城市行駛時頻繁爬坡以及急加速等大功率工況下鋰電池會處于超負荷工作狀態(tài)，使得鋰電池使用壽命偏低，因此有必要對復合電源在純電動商務車上的應用進行研究。北京理工大學何洪文[3]等人對直接并聯(lián)式復合電源展開了研究，降低了大電流對動力電池的沖擊；吉林大學閔海濤[4]等對混合動力汽車復合電源參數(shù)進行了優(yōu)化研究；同濟大學周蘇[5]等對燃料電池和動力蓄電池結構的復合電源進行了匹配研究; 遼寧工學院李貴遠[6]、合肥工業(yè)大學張炳力[7]等采用不同控制策略對復合電源進行控制，提高了能量利用率。本文將建立純電動商務車仿真模型，并進行復合電源參數(shù)匹配，最后對所建立的模型及參數(shù)匹配結果進行仿真驗證， 為下一步對純電動商務車復合電源能量管理控制研究打下基礎。

1 復合電源及整車建模

純電動商務車復合電源采用主動控制式“鋰電池+超級電容”的結構，將超級電容同雙向DC/DC轉換器串聯(lián)后和鋰電池并聯(lián)。雙向DC/DC轉換器能夠對鋰電池電壓進行實時檢測，進而調控超級電容端電壓使兩者匹配工作，并對超級電容和鋰電池的輸出功率進行主動分配。

在AVL/CRUISE軟件中建立復合電源及整車模型,使用的CRUISE集成模塊主要有駕駛員、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、驅動電機、超級電容、電池等。通過仿真驗證及進一步研究將運用此模型在CRUISE/MATLAB平臺中進行整車能量管理控制策略的仿真研究。整車模型如圖1所示。

圖1 整車模型

2 復合電源參數(shù)匹配

復合電源的設計目標是充分發(fā)揮鋰離子電池和超級電容各自的優(yōu)勢，形成優(yōu)勢互補，通過合理地匹配，在保證純電動商務車動力性能的同時，降低鋰電池沖放電倍率，并對整車再生制動能量進行高效回收。對復合電源進行適當?shù)哪芰抗芾磉€能夠提高電源效率、延長使用壽命。表1所示為整車設計參數(shù)，表2所示為某公司生產的鋰離子電池以及超級電容集成模塊的技術參數(shù)。

2.1 鋰電池數(shù)量確定

根據整車的性能指標，可以通過式(1)計算得出整車對鋰離子電池總的能量需求：

(1)

表1 整車設計參數(shù)

表2 電池技術參數(shù)

式中，E為整車所需的總能量，m為整車質量，D為鋰電池SOC工作范圍，取0.2～0.9之間， g為重力加速度，η為動力系統(tǒng)機械效率，f為滾動阻力系數(shù)，ua為車速，CD為空氣阻力系數(shù)，A為迎風面積，P1為其他電氣設備消耗功率，S為設計續(xù)駛里程。

通過式(2)、式(3)可計算出鋰電池單體串聯(lián)數(shù)和并聯(lián)組數(shù)。

(2)

(3)

式中，n1、n2分別為鋰電池單體串聯(lián)數(shù)和并聯(lián)組數(shù)，U為電源電壓，u1為鋰電池單體額定電壓，C1為鋰電池單體額定容量。

2.2 超級電容數(shù)量確定

超級電容作為輔助電源主要用于大功率行駛以及制動能量回收等工況，其數(shù)量選擇主要受加速時間、車輛制動強度以及控制策略設計的輸出功率限制。通過式(4)可以計算出超級電容需要具備的能量：

(4)

式中，Eu為超級電容的總能量，C2為超級電容額定電容量，Ucmax、Ucmin分別為超級電容最大工作電壓和最小工作電壓，n3、n4分別為超級電容集成模塊串聯(lián)數(shù)和并聯(lián)組數(shù)。

根據整車動力性能要求，純電動商務車在峰值功率行駛時，超級電容需要連續(xù)10 s為電動機提供峰值輔助功率，且在常規(guī)車速下處于制動工況時，超級電容能夠回收全部再生制動能量，即：

Eu1=Pf·t

(5)

(6)

Eu=max(Eu1，Eu2)

(7)

式中，Eu1為超級電容提供的峰值輔助能量，Pf為電動機峰值功率與額定功率之差，t為超級電容提供峰值輔助功率的時間，Eu2為超級電容最大制動回收能量，ξ為制動能量回收效率，v為車速。表3所示為復合電源參數(shù)匹配結果。

表3 參數(shù)匹配結果

3 仿真計算與結果分析

在某公司研發(fā)的以鋰電池作為單一動力源的純電動商務車的基礎上，使用“鋰電池+超級電容”結構的復合電源，運用CRUISE軟件建立整車模型，對復合電源參數(shù)匹配結果進行仿真研究。

選擇標準工況FTP、NEDC、JA1050進行仿真，圖2所示為不同工況下實際車速與目標車速跟隨曲線。

圖2中可以看出，在三種典型工況下，純電動商務車的實際車速均能較好的跟隨目標車速， 在車速發(fā)生急劇變化的時候，采用復合電源有輕微的延遲，但均能很好的滿足整車的速度和加速度要求。

在以上工況下將原有鋰電池作為單一動力源的電池電流與復合電源鋰電池電流進行對比分析，仿真結果如圖3-5所示。

圖中可以看出，在FTP工況下，鋰電池作為單一動力源時最大放電電流達到2.06 C，最大充電電流為1.25 C，使用復合電源結構的鋰電池最大放電電流穩(wěn)定在1 C左右；在NEDC工況下，鋰電池作為單一動力源時最大放電電流達到1.67 C，最大充電電流達到1.75 C；在JA1050工況下，鋰電池作為單一動力源時最大放電電流為160 A，最大充電電流為120 A，使用復合電源結構鋰電池最大放電電流為90 A，僅為單一電源結構的56%，且在以上工況下均由超級電容回收全部制動能量。

圖2 車速跟隨曲線

圖3 FTP工況電流曲線

圖4 NEDC工況電流曲線

圖5 JA1050工況電流曲線

4 結論

基于CRUISE建立了純電動商務車及復合電源仿真模型，在不同工況下對純電動商務車車速、加速度以及鋰電池充放電電流等進行綜合分析可知：

1)通過仿真，驗證了復合電源及整車模型的正確性，為下一步對純電動商務車能量管理控制的研究打下基礎。

2)在不同工況下，復合電源能夠為整車提供能量滿足純電動商務車行駛時的速度及加速度要求，解決了超級電容和鋰離子電池共同為整車提供動力時動力源參數(shù)匹配問題,且明顯降低了鋰電池充放電倍率。

[1] 董冰.基于鋰離子動力電池的純電動汽車能量管理系統(tǒng)控制策略與優(yōu)化[D].長春:吉林大學,2014.

[2] 曹秉剛,曹建波,李軍偉,續(xù)慧,許鵬.超級電容在電動車中的應用研究[J].西安交通大學學報,2008,42(11):1317-1322.

[3] He H W, Xiong R, Chang Y H. Dynamic modeling and simulation on a hybrid power system for electric applications [J]. Energies,2010，3(11):1821-1830.

[4] 閔海濤,劉杰,于遠彬,田潤瀾.混合動力汽車復合電源參數(shù)優(yōu)化與試驗研究[J].汽車工程,2011,32(12):1078-1083.

[5] 周蘇,張曄,牛繼高,王廷宏,陳鳳祥.基于Cruise/Simulink的FCHEV燃料電池和動力蓄電池功率匹配研究[J].青島大學學報(工程技術版),2010,25(4):20-27+56.

[6] 李貴遠,陳勇.動力電池與超級電容混合驅動系統(tǒng)設計與仿真[J].系統(tǒng)仿真學報,2007,19(1):101-105.

[7] 張炳力,吳德新,竇聰,顧炎. 復合電源能量匹配與多目標模糊控制策略研究[J]. 汽車技術,2014(12):54-58.

Parameter matching and simulation for compound power supply of pure electric commercial vehicle based on CRUISE

WU Peng, HE Feng, YANG Zeping, YUAN Xingguo

It will bring parameter matching problem of power source, when the pure electric commercial vehicle uses two or more power sources for the vehicle. The simulation models of pure electric commercial vehicle and its compound power supply are set up by AVL/CRUISE，and the research on parameter matching for compound power supply is made. The results show that compound power supply designed can provide enough energy to meet the velocity and acceleration requirements of electric commercial vehicles, which reduces discharge rate of Li-ion battery.

compound power supply, Li-ion battery, ultracapacitor, parameter matching

U469.7

A

1002-6886(2016)06-0018-04

貴州省重大科技專項計劃項目【黔科合重大專項字(2015)6007】。

伍鵬(1989-)，男，貴州畢節(jié)人，碩士研究生，主要方向：節(jié)能與新能源汽車的研究與開發(fā)。 何鋒(1963-)，男，四川達州人，碩士，教授，碩士生導師，主要研究方向：汽車系統(tǒng)動力學與控制、汽車及其零部件設計理論與方法、新能源汽車和汽車服務系統(tǒng)規(guī)劃與設計。

2016-06-09