混合动力汽车超级电容能量控制研究

陈坤华， 孙玉坤， 王富良， 项倩雯

(江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013)

混合动力汽车超级电容能量控制研究

陈坤华， 孙玉坤， 王富良， 项倩雯

(江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013)

超级电容的高功率密度特性可作为混合动力汽车辅助电源。研究了超级电容数学模型，给出了超级电容荷电状态估计方法，在分析升降压双向直流功率电路基础上，提出了超级电容能量存储系统控制策略，在超级电容荷电状态允许范围内，该控制策略满足混合动力汽车启动、加速、制动要求，实验证明该能量存储系统能适应各种负载变换情况。

超级电容；能量控制；混合动力汽车；荷电状态；升降压双向变换器

混合动力汽车作为一种新的节能环保车型，正在得到大力发展。电源系统是混合动力汽车研究热点之一[1-2]，混合动力汽车电源系统要求尺寸小，质量轻，比能量大，功率密度高，使用寿命长。超级电容作为高功率密度储能电源[3]，其充放电速度快，瞬间可释放数百至数千安培(A)大电流、高功率保持以及快速的可充放电等特性，适合频繁起制动，可作为混合动力汽车的辅助电源，提高混合动力汽车电源系统的功率密度，实现驱动系统高效的电驱动和能量回馈制动，是促进超级电容混合动力汽车实际应用和技术进步的关键。

我们对超级电容辅助电源能量存储系统进行深入研究，提出了混合动力汽车超级电容能量控制策略。考虑超级电容荷电状态；考虑混合动力汽车不同工况运行时，超级电容负载情况变化；并考虑汽车制动时，超级电容能量回馈。实验证明本能量存储系统运行可靠，本方案切实可行。

1 超级电容数学模型

超级电容工作特性是非线性的，电阻电容受温度、电流、电压等参数影响。超级电容常用RC串联电路[4]作为其数学模型，该模型可描述超级电容器的较多特性，该模型简单、易用，但不能描述电容器动态特性。

本文构建的超级电容数学模型如图1所示，考虑其自放电，该模型由四个理想电气元件组成，内部等效电容C；等效串联电阻RS；自放电电阻RP，自放电电阻在超级电容充电和放电时可以忽略，在超级电容静置时需要考虑；由超级电容本身的物理结构导致的串联电感L。

放电方程：

值得注意的是超级电容数学模型内部等效电容值、等效串联电阻值、自放电电阻值和电感值随电路电流、负载电压和温度的变化而变化，在实际计算超级电容开路电压时，可以通过查表法加以考虑。

2 超级电容荷电状态估算

超级电容作为混合动力汽车辅助电源，在混合动力汽车起动和加速时，超级电容展现其突出的高功率密度特性，可以短时间内大电流放电，弥补启动和加速时混合动力汽车动力的不足；同样，在混合动力汽车制动时，可以回收电机制动能。超级电容中存储的能量也应该计算入混合动力汽车的供能来源。将超级电容荷电状态定义为：

那天去，主任不催迟恒，陵矿把钱划到了报社帐上后，无声无息了，主任清楚，陵矿那边怕是一百个不想他社会新闻部的人再去，但收了钱就得出货，报社同样是服务，区别仅在出售的商品是宣传报道，得让客户满意。说起来，陵矿那个治库工程不咋地，但魏昌龙这个人究竟怎样，现在手头事少，今晚拟个采访题纲，明天下去采访。

超级电容中的剩余能量值：

3 DC/DC逆变器

超级电容给系统总线供电时为升压、总线馈能时为降压。超级电容和总线电压间的升降压逆变器拓扑如图2所示，主要有两个IGBT功率管、储能电感和电容组成。该电路有两种工作模式，升压模式和降压模式。

图2 升-降压逆变器拓扑图

该升降压逆变器模型见式(7)所示：

4 超级电容能量控制策略

本文从混合动力汽车运行工况的角度对超级电容进行能量控制。对超级电容能量存储系统的控制有几个考虑因素：(1)超级电容自身的剩余容量，需估算超级电容的荷电状态；(2)混合动力汽车工况变化，增加部分需要超级电容来补充；(3)汽车制动时回馈的能量，通过超级电容吸收。因此本文提出了超级电容能量控制策略，该控制系统框图如图3所示。

图3 超级电容能量控制框图

超级电容、DC/DC和负载之间能量是双向流动，负载能量需求增加，超级电容提供增加的能量；负载能量反馈时，超级电容吸收反馈能量。

通常放电时，超级电容的电压不能低于1/2的最大电压，即其控制范围25%～100%，考虑超级电容需要瞬时吸收和释放电能，参考值设为70%。超级电容输出电量时，需要对超级电容电压进行监测，输入至驱动控制单元，并估算其值。

超级电容的自放电率较蓄电池大，超级电容静置时需要考虑超级电容自放电，以保证超级电容估算的正确性。

为判断负载需求侧情况，也需要对负载的电压和电流进行检测，该信号也输入给驱动控制单元。

驱动控制单元根据检测的信号和超级电容的荷电状态，判断超级电容能否输入、输出能量；判断DC/DC升压，超级电容给负载提供能量，还是DC/DC降压，负载向超级电容反馈能量。

5 系统实验

为验证超级电容能量存储系统控制策略性能，系统总线电压300 V，超级电容组电压150 V，12 F。由56个单体为2.7 V650 F超级电容串联而成，内阻0.095 2 Ω。

图4为不同温度下静置时超级电容自放电率。

图5为负载变化时超级电容荷电状态曲线，图6为负载变化时总线电流曲线，图7为负载变化时超级电容电压曲线。从这三个图中可见，负载增大时，总线电流增加，超级电容端电压减小，超级电容荷电状态值减小。负载增加时，超级电容端电压、超级电容荷电状态值、总线电流变化平滑；

图8为制动回馈时超级电容荷电状态曲线，图9为制动回馈时总线电流曲线，图10为制动回馈时超级电容电压曲线。从这三个图中可以看出制动回馈时，超级电容处于充电状态，超级电容荷电状态值增加，超级电容端电压增大，整个制动回馈过程充电状态稳定。

图4 不同温度下超级电容自放电率

图5 负载增加时超级电容荷电状态曲线

图6 负载增加时总线电流曲线

图7 负载增加时超级电容电压曲线

图8 制动回馈时超级电容荷电状态曲线

图9 制动回馈时总线电流曲线

图10 制动回馈时超级电容电压曲线

6 结束语

超级电容高功率密度、能快速充放电、充放电次数多的特性受到混合动力汽车的青睐。它可以作为混合动力汽车的辅助电源，弥补了蓄电池在这些方面的不足。本文研究了超级电容数学模型，荷电状态估算方法，用双向升降压直流变换电路构建了超级电容和总线电压间的连接。通过负载变化实验和制动能量回馈实验证明该方案简单易于控制，切实可行。

[1]MILLER J.Energy storage technology markets and application's: ultracapacitors in combination with lithium-ion[C]//IEEE EXCO. Daegu：IEEE EXCO，2007：22-26.

[2]PETERSON S B，APT J，WHITACRE J F.Lithium-ion battery cell degradation resulting from realistic vehicle and vehicle-to-grid utilization[J].Journal of Power Sources，2010，195：2385-2392.

[3]PAGANO M，PIEGARI L.Hybrid electrochemical power sources for onboard applications[J].IEEE Trans on Energy Conversion，2007，22(6)：450-456.

[4]ZUBIETA L，BONERT R.Characterization of double-layer capacitors for power electronics applications[J].IEEE Transactions on Industry Application，2000，36(1)：199-205.

[5]丁明，林根德，陈自年，等．一种适用于混合储能系统的控制策略[J].中国电机工程学报，2012,7(32)：1-6.

[6]张丹丹，罗曼，陈晨，等．超级电容-电池复合脉冲电源系统的试验研究[J].中国电机工程学报,2007,10(27)：26-31.

[7]许爱国，谢少军，姚远，等.基于超级电容的城市轨道交通车辆再生制动能量吸收系统[J].电工技术学报，2010，3(25)：117-123.

[8]赵坤，王椹榕，王德伟，等.车载超级电容储能系统间接电流控制策略[J].电工技术学报，2011，9(26)：124-129.

Research on hybrid electric vehicle supercapacitor energy control

CHEN Kun-hua,SUN Yu-kun,WANG Fu-liang,XIANG Qian-wen

Hybrid electric vehicle can use high power density supercapacitor as auxiliary power.The maths model of supercapacitor was studied.The estimation method of state of charge of supercapacitor was given.Based on the analysis of the buck-boost converter,the control strategy of supercapacitor energy storage was proposed.At the permitted range of state of charge of supercapacitor, the control strategy can meet the needs of hybrid electric vehicle start,acceleration and brake.Experiments prove the energy storage system can adapt various changes of loads.

supercapacitor;energy control;hybrid electric vechicle;state of charge;buck-boost converter

TM 53

A

1002-087 X(2015)04-0798-03

2014-09-06

国家自然科学基金项目(51007031)；研究生创新计划项目(CX09B_11XZ)

陈坤华(1981—)，男，江苏省人，博士生，讲师，主要研究方向为混合动力汽车、特种电机智能控制等；导师：孙玉坤(1958—)，男，江苏省人，教授，博士生导师，主要研究方向为特种电机、电能质量控制、智能控制技术等。