复合电源式混合动力公交车功率分配策略研究*

王庆年，曲晓冬，于远彬，闵海涛

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025)

前言

并联式混合动力公交车工作过程中起动、制动频繁，车载储能装置总是处于反复大功率的充电放电的过程中。单一电池的寿命难以保证。超级电容可以高效率地回收制动能量辅助公交车起动和协助发动机驱动车辆［1］，而且具有较长的循环寿命。但是超级电容能量密度低，难以支持转向助力、空调等大功率电动附件长时间工作，不能实现停车关闭发动机，取消发动机怠速的功能［2－7］。

本文中提出了以超级电容为主要储能器，小容量锂电池通过直流变压器DC-DC作为辅助能量源的电容式复合电源构型，如图1所示。

由超级电容满足行车中的大功率充放电工况，锂电池在保证长时间放电后电容亏电的情况下，电源系统仍能实现纯电动起动等功能。复合电源系统既具有超级电容功率大、效率高、可靠性好、寿命长的优点，又可以取消停车时的发动机怠速，更节能，同时大大延长锂电池的寿命，降低其更换成本［3，8］。

1 整车建模

为了对复合电源式混合动力公交车控制策略进行深入研究，根据某厂混合动力公交车的实车数据，在AVL/Cruise环境下建立整车模型，见图2。

该模型可与MATLAB/Simulink建立的整车控制策略进行联合仿真，验证控制策略的效果。复合电源中的电池和超级电容性能参数如表1所示。

表1 锂电池和超级电容性能

2 控制策略设计

目前并联式混合动力汽车中应用最广泛最成熟的整车功率分配策略是逻辑门限策略。其原理是依据发动机当前转速下较为高效的工作范围，设定发电门限和助力门限两个门限值。当需求转矩低于发动机高效区时，让发动机在其高效区的下限工作，电机利用发动机剩余转矩发电;而当需求转矩高于发动机高效区时，让发动机在其高效区上限工作，利用电机助力［9］。控制策略如图3所示。

2.1 复合电源性能特性

受超级电容的能量密度所限，复合电源的持续充放电能力不如传统混合动力汽车所用的动力电池。

图4为复合电源可用能量范围内的5s可持续充放电功率对比。对于复合电源，超级电容在250～420V的工作电压范围内具有294W·h的可用能量;而电池在SOC为40%～60%的工作范围内具有1 000W·h的能量。超级电容中的能量过多时，复合电源的可充电功率达不到电机最大功率;超级电容中的能量过少时，复合电源的可放电功率达不到电机的最大功率。说明超级电容只有当其能量适中时才能完全满足电机最大充放电功率需求;而原动力电池在3 000W·h的可用能量范围内都可以满足电机最大充放电功率需求。

复合电源和单一电池性能的差异决定了动力系统不应过多地使用电助力/发电功能，而且应具有更强的电量平衡能力。同时，在全力加速，长时间爬坡、长时间再生制动，电容SOC高或低时，复合电源系统的放电或充电功率达不到电机最大功率，须对电机功率进行限制，以避免电容电压超出电机可以正常工作的范围。

2.2 发动机-电机功率分配策略

为了减轻复合电源的负载，结合发动机不同转速下不同负荷的效率，设计电助力策略如下:当没有电量平衡需求时，只有在需求转矩大于发动机当前最大转矩时才进行电助力，发动机负荷小于10%时，才通过电机发电提高发动机效率，如图5所示。

复合电源式混合动力汽车需要协调控制发动机、电容和电池，涉及到转矩、转速、电流和电压等控制量，为从一个统一的角度进行三能量源控制，根据需求功率和当前发动机、电池与电容可输出的最大功率，设计发动机电机功率分配策略，如图6所示。

2.3 电量平衡策略设计

控制策略的电量平衡功能是通过调节电机助力门限和电机发电门限两个值来实现的。根据复合电源性能能否完全满足电机最大功率需求，将超级电容的SOC分为过低、正常、过高3个范围。利用模糊控制的思想，设计发电助力门限调节策略和电机功率限制与电池助力策略，如图7所示。

当电容SOC在正常工作范围内时，仅通过调节两门限值利用发动机对超级电容进行电量平衡控制，如图8所示。

当电容SOC超出正常工作范围时，发动机-超级电容系统电量平衡能力达到最大值，需要电池辅助提供功率，并且开始限制电机的最大功率，防止电容过充或过放，电压超出电机可以工作的范围。

电池SOC平衡采用恒温器式的控制方法，当电池SOC低于40%时，由发动机通过ISG电机和DCDC定功率给电池充电，当其高于60%时，则通过ISG电机放电参与电助力。全部电量平衡策略如图9所示。

2.4 电容期望SOC限值设定

本文中以正比的关系用电压来衡量超级电容的SOC，以420V为100%。按照电机250～425V的工作范围，在控制中超级电容的SOC上下限值分别取60%和100%。混合动力汽车低速时需要满足纯电动和加速助力功能，对复合电源放电的能量需求高;而车速较高时潜在的再生制动回收能量较高。为了充分利用超级电容的储能空间，理想的情况是在车速低时SOC较高以进行助力和电动，车速高时SOC较低以进行再生制动。为了对车速与理想的超级电容SOC进行研究，对纯电动驱动和再生制动进行仿真，得到超级电容SOC，如图10所示。

基于仿真数据，根据电容能满足整车纯电动起动到15km/h而SOC不会低于65%的需求和在各个车速下都有足够的能量空间回收再生制动能量两个原则，确定SOC的高低限值，以其均值作为期望SOC，如图11所示。

3 仿真验证

3.1 功能测试仿真

设计整车功能验证工况，如图12所示。验证工况包括长时间低速电动、停车发动机关闭、极限加速和长时间下坡制动等情况，且加入了4kW的电负载，以模拟空调等用电附件，测试系统在极限情况下的功率分配策略，仿真结果如图13所示。

在仿真的0～30s，整车由超级电容输出功率纯电动行驶，当电容SOC低时DC-DC工作，电池开始输出功率驱动整车行驶。在30s时，纯电动模式不能满足驾驶员的加速需求，发动机起动，同时给超级电容充电，如图14所示。

在140～180s的加速工况中，加速开始阶段整车由发动机单独驱动，超级电容仅提供4kW的用电附件功率，当发动机达到最大功率后开始由电机助力，超级电容SOC迅速下降后，电池开始工作并提供辅助功率，同时电机功率开始受到限制，电容SOC下降到一定程度后达到稳定状态，此时助力需求的电功率完全由电池提供，如图15所示。

在220～250s的匀速下坡制动过程中，随着电容SOC的持续上升，电池介入再生制动能量回收，限制住了超级电容SOC，如图16所示。

在300s后的180s停车待机过程中，由超级电容提供用电附件工作所需的能量，直到电容SOC低，电池开始输出功率并给电容充电，维持超级电容SOC，如图17所示。

3.2 燃油经济性对比仿真

进行城市公交车综合工况仿真，与以80%为SOC控制目标的逻辑门限电量平衡控制效果进行对比。结果如图18所示，为说明仿真过程中电池和超级电容的使用程度，对过程中电池和超级电容输出功率的绝对值进行积分，结果如表2所示。

表2 工况中电池和超级电容的使用度及油耗

仿真结果表明，采用基于车速的期望SOC设计的模糊控制策略时，超级电容SOC随车速在其可用能量范围内的变化区间更广，对超级电容的容量利用更加充分，在降低了电池使用度的同时，减少了发动机、电池、电容之间为维持SOC所造成的能量二次转换损失，提高了燃油经济性。

4 结论

(1)采用大容量超级电容作为主要储能装置，小容量电池与DC-DC作为辅助储能装置的主动控制式复合电源可以满足混合动力公交车各项功能的需求。

(2)根据主动控制式复合电源构型的性能特性，利用基于模糊控制思想设计的发动机、超级电容和电池3种能量源协调控制策略，可以达到多用电容，少用电池的控制效果，提高了系统效率。

(3)提出了基于车速的超级电容期望SOC，作为平衡超级电容SOC的目标，进行城市综合工况仿真，对比定期望SOC的控制方法，减少了对电池的使用，提高了燃油经济性。

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