錢(qián)超 馮國(guó)勝 張小榮

（石家莊鐵道大學(xué)）

在霧霾日益嚴(yán)重和石油資源緊缺的今天，汽車的節(jié)能減排已經(jīng)成為一個(gè)被越來(lái)越重視的問(wèn)題。由于電池技術(shù)還沒(méi)有歷史性突破，混合動(dòng)力汽車成為汽車節(jié)能減排的最佳方案之一，其通過(guò)電機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于高效工作區(qū)，不僅減小了油耗，而且能夠有效地改善排放[1]。作為輔助能源的蓄電池，其功率密度低且循環(huán)壽命較短等問(wèn)題影響著混合動(dòng)力汽車的發(fā)展。超級(jí)電容的興起，給混合動(dòng)力汽車電源系統(tǒng)的改進(jìn)指明了新的道路。超級(jí)電容具有比功率大、迅速充放電及循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。將蓄電池-超級(jí)電容復(fù)合電源作為混合動(dòng)力汽車的輔助能源，既能提高汽車的性能，又能有效地保護(hù)蓄電池[2]。文章基于邏輯門(mén)限能量分配策略，結(jié)合超級(jí)電容高比功率和蓄電池高比能量的特點(diǎn)，建立新型超級(jí)電容-蓄電池復(fù)合電源模型，達(dá)到提高電源系統(tǒng)性能的目的。

1 復(fù)合電源結(jié)構(gòu)分析

復(fù)合電源系統(tǒng)中蓄電池和超級(jí)電容的連接形式為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。蓄電池為主電源，超級(jí)電容作為輔助電源。利用超級(jí)電容比功率和循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在混合動(dòng)力汽車起步、爬坡、加速及制動(dòng)等大電流工況下工作，起到“削峰填谷”的作用，進(jìn)而保護(hù)蓄電池[3-5]。

由于蓄電池和超級(jí)電容的工作特性不同，所以它們之間需要連接雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)控制其間的能量分配[6]。文章中鉛酸蓄電池為主要能源，其電壓變化范圍較小，電壓下降較慢，所以不用DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)節(jié)。而超級(jí)電容的輸出特性變化比較快，比能量低，輸出電壓下降很快，輸出特性需要DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此采用蓄電池和超級(jí)電容并聯(lián)，超級(jí)電容與DC-DC轉(zhuǎn)換器采用串聯(lián)布置形式，這種結(jié)構(gòu)中蓄電池直接對(duì)電機(jī)輸出功率，輸出效率高。超級(jí)電容通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器檢測(cè)蓄電池電壓，并調(diào)節(jié)自身端電壓與蓄電池進(jìn)行匹配，這種結(jié)構(gòu)比雙DC-DC布置形式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且蓄電池電壓變化比較平緩容易控制，又能起到保護(hù)蓄電池的作用。

2 復(fù)合電源需求功率分析

復(fù)合電源功率需求為：蓄電池提供平均需求功率，超級(jí)電容提供峰值功率。根據(jù)GB/T19754—2005《重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》中的中國(guó)典型城市公交循環(huán)數(shù)據(jù)，建立CHINAURBAN循環(huán)工況，如圖1所示[7]。其循環(huán)時(shí)間為1 307 s，最高車速為60 km/h，汽車行駛距離為5.9 km。根據(jù)建立的循環(huán)工況，利用ADVISOR計(jì)算出復(fù)合電源需求功率，如圖2所示。

圖1 中國(guó)重型混合動(dòng)力汽車城市循環(huán)工況圖

圖2 中國(guó)重型混合動(dòng)力汽車城市循環(huán)工況復(fù)合電源需求功率

圖3示出復(fù)合電源需求能量計(jì)算程序。根據(jù)該工況的需求功率，先判斷功率的正負(fù)，之后對(duì)其進(jìn)行積分，即可得到該循環(huán)工況下的總需求能量，并計(jì)算出該工況下的平均需求功率，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，復(fù)合電源的平均需求正功率取10 kW，平均需求負(fù)功率取-10 kW。

圖3 重型混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源需求能量計(jì)算程序

表1 CHINAURBAN工況對(duì)復(fù)合電源的需求功率

3 復(fù)合電源建模

3.1 超級(jí)電容建模

由于ADVISOR中的超級(jí)電容模型的默認(rèn)參數(shù)為ess_name，其變量命名和蓄電池的變量是相同的，因此為了避免復(fù)合電源中的變量沖突，需要將超級(jí)電容的變量全部用ess2_name來(lái)替換。超級(jí)電容模型，如圖4所示。

圖4 重型混合動(dòng)力汽車超級(jí)電容仿真模型圖

3.2 DC-DC轉(zhuǎn)換器建模

ADVISOR軟件中沒(méi)有DC-DC轉(zhuǎn)化器模塊，需要基于MATLAB/Simulink建立其仿真模型。根據(jù)仿真要求，只需要建立DC-DC傳遞功率的數(shù)學(xué)模型。按照功率守恒原則來(lái)搭建其數(shù)學(xué)模型，即輸出功率等于輸入功率與DC-DC傳遞效率的乘積。圖5示出DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率曲線[8]。由圖5可知，其效率值為蓄電池和超級(jí)電容端電壓比值和輸入功率的二次函數(shù)，所以利用Simulink中的二次插值函數(shù)建立DC-DC轉(zhuǎn)換器模型。表2示出DC-DC傳遞效率二次插值查詢表。

圖5 重型混合動(dòng)力汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率曲線

表2 DC-DC傳遞效率二次插值查詢表

根據(jù)圖5和表2建立的DC-DC轉(zhuǎn)換器模型，如圖6所示。

圖6 重型混合動(dòng)力汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器仿真模型圖

3.3 制定復(fù)合電源控制策略

3.3.1 復(fù)合電源工作模式分析

復(fù)合電源由超級(jí)電容和蓄電池組成，利用超級(jí)電容大功率密度和蓄電池大能量密度的特點(diǎn)，以其壽命最優(yōu)為控制目標(biāo)，制定不同的工作模式，具體的工作模式如下。

1）蓄電池單獨(dú)工作模式。此模式下，汽車行駛在功率要求比較小的勻速或加速工況，這種工況對(duì)功率需求較小，能量需求較大，可發(fā)揮蓄電池大能量密度的特性，因此蓄電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

2）蓄電池和超級(jí)電容共同工作模式。汽車處于急加速、爬大坡及重載工況下，蓄電池的最大功率不能滿足功率要求，超級(jí)電容不能滿足驅(qū)動(dòng)能量要求，需要以蓄電池和超級(jí)電容的電池荷電狀態(tài)（SOC）為控制目標(biāo)來(lái)共同驅(qū)動(dòng)汽車運(yùn)行。另一種情況是：當(dāng)超級(jí)電容單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車并且其能量不足以滿足能量需求時(shí)，也需要蓄電池介入共同驅(qū)動(dòng)。

3）超級(jí)電容單獨(dú)工作模式。汽車處于輕載、短時(shí)間加速及爬緩坡等對(duì)電源系統(tǒng)功率要求比較高的工況下，該工況電源系統(tǒng)短時(shí)間功率要求大，能量要求小，為了避免大電流對(duì)蓄電池的傷害，充分發(fā)揮超級(jí)電容大功率密度的特點(diǎn)，采用超級(jí)電容單獨(dú)工作模式。

4）制動(dòng)再生工作模式。在汽車處于減速或下坡工況時(shí)，處于再生制動(dòng)工況，電機(jī)給電源系統(tǒng)充電，根據(jù)SOC來(lái)分配超級(jí)電容和蓄電池的電量，并優(yōu)先給超級(jí)電容充電，來(lái)避免充電大電流對(duì)蓄電池的傷害。

3.3.2 邏輯門(mén)限控制策略

根據(jù)對(duì)復(fù)合電源系統(tǒng)工作狀態(tài)的分析，文章選擇總需求功率（Pr）和超級(jí)電容荷電狀態(tài)（SOCu）作為門(mén)限值來(lái)制定控制策略。利用平均正需求功率（Pav+）和平均負(fù)需求功率（Pav-）作為Pr的門(mén)限閾值。分別利用0.9和0.2作為SOCu上下門(mén)限閾值。

1）放電工況下能量分配策略。

復(fù)合電源處于放電狀態(tài)時(shí)，Pr＞0，其控制策略分為3個(gè)方面。

①0＜Pr≤Pav+時(shí)，汽車處于低負(fù)荷工況，需求功率較小，不需要超級(jí)電容提供功率，因此得到蓄電池的功率（Pb）：Pb=Pr，超級(jí)電容功率（Pu）：Pu=0。

②Pr＞Pav+，且當(dāng) SOCu＞min{SOCu}=0.2 時(shí)，汽車處于較高負(fù)荷工況，由蓄電池和超級(jí)電容共同提供功率。為了避免瞬時(shí)大電流對(duì)電池的傷害，保證蓄電池放電穩(wěn)定性，一般采用低通濾波法來(lái)限制蓄電池電流，低通濾波法的公式為：

式中：τ——時(shí)間常數(shù)，取τ=10。

因此，Pb=Prf（s），Pu=Pr-Pb。

③Pr＞0 且 Pr＞Pav+，當(dāng) SOCu≤min{SOCu}=0.2 時(shí)，超級(jí)電容不足以提供功率，蓄電池單獨(dú)工作，即：Pb=Pr，Pu=0。

2）充電工況下能量分配策略。

復(fù)合電源處于放電狀態(tài)時(shí)，Pr≤0，其控制策略分為3個(gè)方面。

①Pr≤Pav-時(shí)，汽車處于較大的能量回收情況，超級(jí)電容單獨(dú)負(fù)責(zé)大功率能量回收，即：Pb=0，Pu=Pr。

②Pav-＜Pr≤0，SOCu＜max{SOCu}=0.9 時(shí)，超級(jí)電容和蓄電池共同充電，回收能量，即：Pb=Prf（s），Pu=Pr-Pb。

③Pav-＜Pr≤0，SOCu≥max{SOCu}=0.9 時(shí)，超級(jí)電容電量處于飽和狀態(tài)，停止工作，蓄電池單獨(dú)回收能量，即：Pb=Pr，Pu=0。

根據(jù)充放電的規(guī)則，制定的控制策略流程，如圖7所示。根據(jù)流程圖建立控制策略模型，如圖8所示。

圖7 邏輯門(mén)限控制策略流程圖

圖8 邏輯門(mén)限控制策略模型圖

（待續(xù)）