樊雪蓮，宋衛(wèi)平，張繼禹

(太原科技大學 電子信息工程學院，太原 030024)

目前，一種新型電源超級電容因具有循環(huán)使用壽命長、比功率高且能快速充放電等優(yōu)勢而成為研究熱點。為了提高電動汽車的動力性能，把蓄電池與超級電容組合成復合電源系統(tǒng)，不僅可以緩解電池的工作負荷，還可解決蓄電池峰值功率輸出不足的缺點[1-2]。如何有效的分配復合電源的能量，合理的分配兩者之間的功率，是電動汽車獲得良好性能的前提[3-6]。多數(shù)文獻研究如何讓超級電容更充分、更高效的對再生制動能量進行回收，并發(fā)揮其“削峰填谷”的作用[7-9]。但是，當電動車輛具有高功率需求且蓄電池組容量不足而超級電容器組容量充足時，傳統(tǒng)的電動汽車復合電源的工作模式已經(jīng)無法很好應(yīng)對該情況。因此，考慮了超級電容器組單獨工作的新工作模式，基于改進的復合電源工作模式對復合供電系統(tǒng)的高效運行具有深遠的意義。

針對目前研究的不足，對復合電源的工作方式進行了改進，即增加了超級電容器組單獨工作的新工作模式。同時對汽車正常行駛時的功率需求等進行分析，建立合理、有效的能量控制策略模型，使電動車的整車性能得到提高。采用高級車輛仿真軟件ADVISOR在邏輯門限控制策略下進行建模和仿真。實驗結(jié)果表明了該方法的可行性和優(yōu)越性。

1 復合電源結(jié)構(gòu)選型

在進行復合電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要考慮蓄電池與超級電容器的連接形式。電動汽車復合儲能系統(tǒng)常見的結(jié)構(gòu)有被動式、半主動和全主動，這是動力電池、超級電容器和雙向DC/DC變換器之間的不同連接方式。文獻[10-13]詳細介紹了復合電源結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。常用的雙向DC/DC變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)有圖1(a)、(b)所示兩種。

圖1 復合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1(a)中，雙向DC/DC變換器和蓄電池串聯(lián)，再并聯(lián)超級電容，該結(jié)構(gòu)中變換器調(diào)節(jié)蓄電池兩端電壓，改善其輸出特性。超級電容在該結(jié)構(gòu)中可發(fā)揮大電流快速充放電的優(yōu)勢，但主能量源蓄電池輸出功率須經(jīng)由雙向DC-DC 變換器，使復合電源的工作效率降低。

圖1(b)中，超級電容通過雙向DC/DC變換器再并聯(lián)蓄電池的結(jié)構(gòu)，電池與母線直接連接，提高了主電源能量的利用效率。而蓄電池具有更高的能量密度，直接連在母線上也有利于響應(yīng)負載的能量需求。雙向DC/DC變換器調(diào)控超級電容的電壓，提高超級電容對需求功率的響應(yīng)速度，從而更好的控制復合電源的功率輸出，發(fā)揮復合儲能系統(tǒng)各儲能單元的優(yōu)勢，又可避免復雜的控制環(huán)節(jié)。此處選擇圖(b).

2 復合電源系統(tǒng)建模

2.1 復合電源工作模式分析

在原蓄電池組單獨驅(qū)動、蓄電池組和超級電容器組共同驅(qū)動、再生制動、純充電等傳統(tǒng)工作模式的基礎(chǔ)上，加入超級電容器組單獨工作的模式，建立了改進復合電源的工作模式。在該工作模式中，電動汽車功率需求較高且蓄電池組容量不足，而超級電容器組容量充足，此時超級電容器組單獨工作就能夠滿足電動汽車對功率的短時要求。復合電源的工作模式對應(yīng)的流程圖如圖2所示。

圖2 邏輯門限控制流程圖

①當汽車處于低速或勻速運行時，電動汽車正常行駛且功率需求Preq小于平均功率Pave.由于蓄電池組具有高能量密度的優(yōu)勢，因此，蓄電池組能持續(xù)為車輛提供所需功率，此時超級電容器組可以不工作。

②當汽車處于加速上坡等高負荷行駛時，電動汽車功率需求大于平均功率(Preq>Pave).由于蓄電池組不具備瞬時提供大功率的能力，因此，為了滿足電動汽車正常功率需求，要求超級電容器組和蓄電池組相互配合工作。但是，當電動汽車功率需求較高且蓄電池組容量不充足而超級電容器組能量大于其上限值(SOCcap>0.95)的情況下，超級電容可以單獨提供電動汽車對功率的短時需求。

③當電動機處于減速制動(Preq<0)時，電機工作在發(fā)電狀態(tài)，需要向復合電源系統(tǒng)回饋充電。如果SOCcap<0.95時，利用超級電容器組在瞬時能量回收中的優(yōu)勢，此時需為超級電容器組充電；超級電容器組的SOCcap達到上限時，應(yīng)將制動能量回送給蓄電池組。

④電動汽車停止時考慮超級電容的SOC是否處于其下限值。當SOCcap<0.6時，則需要使用蓄電池組為超級電容器組充電，為電動汽車起步做準備。

2.2 復合電源控制策略建模

根據(jù)流程圖2，建立邏輯門限控制策略模型，見圖3.電動汽車的功率需求Preq用作控制流程的輸入，邏輯判斷依據(jù)是設(shè)定的平均功率Pave和超級電容的荷電狀態(tài)SOCcap，目的是讓蓄電池組和超級電容器組能合理的分配功率。

圖3 邏輯門限控制策略仿真結(jié)構(gòu)圖

在對汽車仿真軟件ADVISOR進行二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，在純電動汽車整車模型BD_EV中加入超級電容模型、功率總線模型、雙向DC/DC變換器模型和功率分配策略模型[14]，復合電源模塊如圖4所示。

在ADVISOR頂層模塊中，加入圖4開發(fā)的仿真模型，建立復合電源為整車能源的電動汽車仿真模型，如圖5所示。

圖4 復合電源模塊

圖5 復合電源電動汽車頂層模型

3 仿真分析

3.1 參數(shù)設(shè)定

在進行仿真分析時，選用符合電動汽車實際運行且額定功率為75 kW的電機，選用單節(jié)額定電壓為3.7 V和2.7 V的鋰離子電池和超級電容電池，且數(shù)目分別為110節(jié)和145節(jié)。

3.2 仿真工況

為驗證復合電源的有效性，模擬頻繁啟停加速的情況，選用ADVISOR中的常用的美國城市驅(qū)動工況(CYC_UDDS)作為復合儲能系統(tǒng)中電動汽車的仿真工況。CYC_UDDS工況速度-時間圖，如圖6所示。CYC_UDDS工況主要參數(shù)如表1所示。從表1中可得正負平均需求功率分別為Pavep=17.51 kW,Paven=4.558 kW.

表1 工況參數(shù)表

圖6 工況速度-時間圖

3.3 仿真結(jié)果分析

①單一能源對比復合電源蓄電池電流的仿真

以蓄電池為單一能源和以復合電源為能源的電動汽車在工況CYC_UDDS下分別利用Matlab/Simulink中的ADVISOR進行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 動力電池電流對比圖

從圖7看出，在電流波動方面，流過復合電源蓄電池的電流波動程度相較于流過單一能源蓄電池的電流波動程度要低；在電流幅值方面,使用蓄電池作為單一能源為電動汽車供能時，流過蓄電池的最大電流約為110 A；而采用復合電源為電動汽車供能時，在邏輯門限控制策略的作用下，流過復合電源中蓄電池的最大電流約為68 A，相當于將流過蓄電池的電流幅值降低了38.1%.

說明復合電源相比于單一能源在抑制蓄電池大電流放電上有明顯優(yōu)勢。

②改進工作模式的邏輯門限能量控制策略仿真

在CYC_UDDS循環(huán)工況下，使用邏輯門限控制方法分別在傳統(tǒng)工作模式和加入超級電容器組單獨工作的改進工作模式下制定復合電源能量管理策略，并使用ADVISOR進行仿真。電流仿真圖如圖8所示和仿真結(jié)果放大圖如圖9所示。

圖8 新舊工作模式電流對比圖

圖9 新舊工作模式電流對比放大圖

如圖8和放大圖9所示，其中實線是改進工作模式下流過鋰電池的電流，虛線是傳統(tǒng)工作模式下流過鋰電池的電流，從放大圖9中可以明顯看出實線部分的電流幅值波動程度較虛線低,且改進工作模式下流過鋰離子電池組的最大電流比傳統(tǒng)工作模式下流過鋰離子電池組最大電流減小了24.16 A，相當于將流過蓄電池的電流幅值降低了36.6%.結(jié)果證明了改進工作模式下制定的能量控制策略更有助于降低流過鋰離子電池組的電流，減少峰值電流對蓄電池的沖擊，延長蓄電池的循環(huán)使用壽命。

4 結(jié)論

本文利用Matlab/Simulink軟件環(huán)境開發(fā)的高級車輛仿真軟件ADVISOR，對復合電源作為能源的整車模型進行仿真，通過對比單一電源和復合電源兩種情況下流過蓄電池電流大小以及電流的波動程度，說明復合電源相比于單一能源在抑制蓄電池大電流放電上有明顯優(yōu)勢。

在復合電源的基礎(chǔ)上，通過對傳統(tǒng)的邏輯門限能量管理策略和改進工作模式的邏輯門限能量管理策略的仿真結(jié)果對比，說明改進的工作模式更有助于降低流過蓄電池組的電流，延長蓄電池的循環(huán)使用壽命。因此，本研究對復合電源能量控制策略的設(shè)計與開發(fā)具有一定的參考意義。