电动汽车用复合能源系统实验平台研发

冯能莲， 董昊龙， 宾 洋， 占子奇

(北京工业大学 环境与能源工程学院, 北京 100124)

电动汽车用复合能源系统实验平台研发

冯能莲， 董昊龙， 宾 洋， 占子奇

(北京工业大学 环境与能源工程学院, 北京 100124)

针对动力电池和超级电容作为能量源的电动汽车用复合能源管理系统，开发了一套具有再生制动功能的复合能源系统实验平台。根据电动汽车驱动系统特点，在完成平台结构总体设计及各子系统部件设计的基础上，完成实验平台搭建。实验平台通过电机及驱动器、制动器和转动惯量可以模拟电动汽车行驶的不同工况，以便对动力电池及超级电容的混合驱动控制及再生制动控制效果进行测试与优化。

电动汽车； 复合能源； 实验平台； 再生制动

当今，电动汽车的研发与应用已成为改善城市环境污染和降低能源依赖度的有效途径之一[1-2]。但传统的以动力电池为能量源的电动汽车，受动力电池比功率小、充放电寿命短等因素制约，很难满足广大的市场需要。超级电容是近年来出现的一种新型储能元件，具有长寿命、比功率大、质量轻、工作温度范围宽及环保等特点[3]。如果能够将两者组合形成复合能源，在为电动汽车提供电能时通过合理的拓扑结构以及相应的能量管理策略，可充分发挥两种不同储能装置的优势，是提高车载能源系统寿命、降低成本、提高整体性能的一种有效解决办法，将会更好地满足实际需求[4-5]。

复合能源系统克服了超级电容比能量低、动力电池比功率小的缺点。利用超级电容所具有的快速充放电特性，能够有效地将电动汽车下坡、减速、制动等工况所浪费的能量转变成电能并回收利用，从而减少能源浪费，提高整车能源使用效率[6-7]。然而，由于系统的构成复杂，各组成部分之间又存在相互作用和影响，因此，对于控制器的设计、系统各组成部分之间的参数匹配要求较高。如何对其加以有效控制，是需要解决和不断完善的课题。

针对上述问题，本文提出并开发了具有再生制动功能的复合能源系统实验平台，通过合理布局，能够灵活地对复合能源系统结构进行优化。由于该实验平台蕴含了电动汽车的系统构成和工作原理，同时，自主开发的控制系统具有丰富的接口资源，因此，实验平台能够较好地诠释电动汽车中的“三电”(电源、电机、电控)等核心技术，为教学实验和工程实践提供了一个组成丰富、构成灵活、功能多样的开放式平台。

1 复合能源系统实验平台设计

本实验平台目的在于提供一个具有电动汽车再生制动、动力电池与超级电容混合驱动、系统控制的综合实验装置。实验平台可以研究如何对动力电池与超级电容混合驱动系统进行有效控制，保护动力电池工作在健康工作区间内且达到更高的能源利用率，也可以用于模拟电动汽车减速制动时动能转化为电能过程，研究如何最大效率地回收电动汽车再生制动能量。通过合理的布局，又可以灵活地对实验平台系统结构进行调整，达到对电动汽车用复合能源及电机系统各部件的性能测试及系统总成的综合实验研究。

1.1 实验平台结构

复合能源系统实验平台由机械、电气、控制等3部分构成，如图1所示。在功能上则分为功率输出系统、能源驱动系统、集成控制系统等3部分。

功率输出系统主要包括电机及驱动器、转速/转矩传感器、转动惯量、磁粉制动器(简称制动器)。转动惯量作为负载，可通过改变惯量配重模拟不同电动汽车车重。制动器用于模拟电动汽车机械制动器功能。电机及驱动器采用直流无刷电机及其驱动系统。电机、转速/转矩传感器、转动惯量、制动器依次通过联轴器同轴机械连接。

图1 复合能源系统实验平台结构示意图

能源驱动系统主要包括动力电池组(简称动力电池)、超级电容组(简称超级电容)、DC/DC变换器等。根据实验要求可有4种不同的拓扑结构形式[8-9]。第1种，动力电池与超级电容直接并联连接，再与电机驱动器连接；第2种，超级电容与DC/DC变换器串联连接，再与动力电池并联连接，然后与电机驱动器连接(见图1)；第3种，动力电池与DC/DC变换器串联连接，再与超级电容并联后连接电机驱动器；第4种，超级电容和动力电池分别与一个DC/DC变换器串联连接，然后二者并联连接到电机驱动器。

集成控制系统主要包括电流电压传感器、转速转矩频率测量控制仪、信号采集板卡及计算机等。计算机通过数据采集卡获取系统各部件重要状态参数，通过设计相应的控制策略[10-12]，对各部件进行实时控制。

1.2 实验平台控制

采用Matlab/Simulink和LabVIEW联合控制方式设计实验平台的集成控制系统，原理如图2所示。

图2 复合能源系统实验平台控制原理

Matlab/Simulink具有强大的计算能力，用其设计系统的控制策略；而与LabVIEW相比Mmatlab/Simulink对各种数据板卡有更好的兼容性，其仿真接口工具包simulation Interface Tookit为LabVIEW与Mmatlab/Simulink提供了方便的连接方案。利用LabVIEW丰富的界面作为Simulink计算程序的输入、输出通道，数据采集与输出驱动选择数据IO卡，实现动态综合分析的集成环境。

2 实验平台构建

实验平台构成如图3所示。根据设计要求，对实验平台的功率进行等比缩小，选用的驱动电机功率为600 W，由此确定各组成部件的主要性能参数见表1。

图3 复合能源系统实验平台构成

部件名称参 数参数值个数/个3动力电池单体额定电压/V12额定容量/Ah60个数/个4超级电容单体额定电压/V12额定容量/F600输入电压范围/V24～48DC/DC变换器开关频率/Hz125000功率/W1200工作范围/V36～62电机及驱动器功率/W600最高转速/(r·min-1)1500制动器额定扭矩/(Nm)50滑差扭矩/(Nm)4

将动力电池和超级电容的额定电压设计为不等是为了突出系统的功能和性能，为了优化配置复合能源系统，以取得最优的整体性能，通过一定的拓扑结构和合适的控制方法，同一个系统中的复合能源其各能量源可以采用不同的额定电压。

3 实验平台功能

3.1 单能源驱动系统实验

(1) 动力电池驱动实验。断开超级电容与电机驱动器连接，将动力电池直接与电机驱动器连接，单独为功率输出系统提供电能。此结构方案通过总监控系统(即图2中的“计算机”及控制软件，下同)对电机驱动器、转速转矩频率测量控制仪、(制动器的)张力控制器进行控制及信号采集，可以对动力电池的工作性能进行实验及分析，优化动力电池在能源驱动组中充放电工作区间。

(2) 超级电容驱动实验。断开动力电池与电机驱动器连接，将超级电容(可组成与电机额定电压匹配的电压等级)直接与电机驱动器连接，单独为电机提供电能。此结构方案通过总监控系统对电机驱动器、转速转矩频率测量控制仪、张力控制器进行控制及信号采集，可以对超级电容的工作性能特性进行实验及分析，获取超级电容的端电压变化及效率MAP图等。

3.2 电机性能及再生制动实验

针对所选用电机设计电机性能实验，通过对电机驱动器及制动器的控制，可以对电机在各种工况下的性能特性进行实验及分析，研究再生制动过程中，机械制动与电磁制动的制动力分配问题，以及复合能源系统电能存储的效率问题。作为对复合能源系统控制策略优化设计的基础。

3.3 总监控系统优化实验

根据不同的实验要求，总监控系统(可通过总线)与电机驱动器、转速转矩频率测量控制仪、张力控制器等协调工作，模拟不同的实验情况，对总监控系统的控制过程进行实验及优化，以求达到更高的峰值功率、能源利用率和再生制动回收效率。

3.4 复合能源混合驱动实验

以上述实验为基础，复合能源系统实验平台可进行动力电池-超级电容混合驱动实验。对1.1节所述能源驱动系统4种拓扑结构形式进行对比实验测试，通过分别对4种结构进行实验分析，并制定相应的复合能源系统功率分配比控制策略。

4 实验结果与分析

以某段城市行驶工况的电机功率需求为例，进行复合能源系统实验平台硬件实时实验研究，并通过与单一动力电池能量源的平台拓扑结构形式的结果相比较，验证所开发的复合能源系统实验平台的工作性能。

实验结果如图4和图5所示，图4和图5分别为采用单一动力电池系统和复合能源系统的电压、电流及驱动电机功率。图例中，BUS表示电源总线，BAT表示动力电池，SC表示超级电容。分析实验结果可知：

(1) 通过适当的控制能够达到动力电池仅提供工作过程中的较平稳功率输出，而超级电容则弥补峰值电功率与平均电功率的差值的目的，从而维持动力电池处于较好的工作状态，保证电池的工作性能，延长电池的使用寿命；

(2) 复合能源系统中的超级电容输出电流响应较快，使其能够提供与单一动力电池系统一致的输出总功率，基本满足驱动电机的动力性要求；

(3) 在电机需求功率较大时，复合能源大部分峰值功率由超级电容提供；即使在电机需求功率最大时，动力电池在超级电容协调工作下，其输出功率也能够抑制在110 W左右，与单一动力电池系统中动力电池的峰值功率235 W相比，下降了53.2%，相对单一动力电池系统明显减小，表现较为平滑；

(4) 由于超级电容分担了大部分的“毛刺”功率，因此动力电池输出电流变化平滑，对应的复合能源系统的总线电压(如图5(b)，一直稳定在34 V附近)相对于单一动力电池系统(如图4(b)，一直在33～34.5 V附近变化)显得更为稳定。这也进一步验证了复合能源系统的确能够较为明显分担动力电池波动功率的输出特性。

图4 单一动力电池系统实验结果

图5 复合能源系统实验结果

5 结论

(1) 复合能源系统实验平台可以模拟电动汽车中电机的启动、加减速、再生制动等运行工况。通过改变系统中各部件的相互连接方式，够提供能源驱动系统实验、电机性能实验、总监控系统优化实验、复合能源混合驱动实验等。

(2) 通过实验调试，系统可有效地对各部件进行信号采集和实时控制，可以作为复合能源系统能量控制算法实验验证的基础。

(3) 实验平台既克服了实车教学实验成本高、用时长、受环境制约、功能固定的不足；也克服了教学模型功能有限，或受结构限制无法改变功能的缺点。

(4) 实验平台为基于动力电池和超级电容的电动汽车用复合能源管理系统的研究提供了良好的原理性、功能性的硬件结构和控制软件的科学研究、技术开发、教学实验、工程实训平台。同时，也为相同或相近的多能源系统、驱动系统的实验平台建设和应用提供了积极的参考方法。

References)

[1] 何建坤.中国车用能源展望[M].北京：科学出版社,2012.

[2] 崔胜民.新能源汽车技术[M].北京:北京大学出版社,2007.

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[4] 于远彬.车载复合电源设计理论与控制策略研究[D].长春:吉林大学,2008.

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[6] 郜军.电动汽车再生制动控制方式[J].科技创新导报,2011(9):104.

[7] 李超.电电混合电动汽车制动能量反馈的仿真研究[D].合肥:合肥工业大学,2009.

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[9] Wang K. Bi-directional D C to DC converters for Fuel Cell Systems[C]//IEEE Conference publications on Power Electronics in Transportation, Dearborn(USA),1998:47-51.

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[11] Thounthong P. Control Strategy of Fuel Cell and Supercapacitos Association for a Distributed Gerneration System[J]. Industrial Electronics, 2007,56(4):3225-3233.

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Development of EV hybrid energy storagetechnology experimental platform

Feng Nenglian, Dong Haolong, Bin Yang, Zhan Ziqi

(College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

A set of experimental platform of composite energy system with regenerative braking function is developed based on the research of comprehensive energy management system with power battery and super capacitor as the energy source of the electric vehicle(EV).The experimental platform is completed based on the design of overall structure and each subsystem according to the characteristics of the driving system of EV,and the experimental platform can simulate different driving conditions of the EV with the motor and driving system,braking system and inertia system.That serves the testing and optimization on the control of power battery and super capacitor along with regenerative braking process.

electric vehicle(EV); hybrid energy; experimental platform; regenerative braking

2014- 09- 13 修改日期：2015- 01- 28

北京工业大学教育教学研究项目项目(ER2011-A03);国家自然科学基金项目(51075010、51007003);北京市教委科技项目(KZ200910005007,KM201110005010)

冯能莲(1962—)，男，安徽宣城，博士，教授，研究方向为新能源汽车、汽车电子、智能车辆.

E-mail：fengnl@bjut.edu.cn

TM912;G484

A

1002-4956(2015)5- 0090- 04