插电式混合动力汽车车载复合电源功率分配策略研究

高建平， 赵金宝， 葛 坚， 郗建国

(河南科技大学车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471000)

插电式混合动力汽车车载复合电源功率分配策略研究

高建平， 赵金宝， 葛 坚， 郗建国

(河南科技大学车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471000)

将原有插电式混合动力汽车单一电源系统改造成复合电源系统，根据整车性能要求及所用循环工况对车载电源的能量和功率需求解耦，完成动力电池和超级电容的参数匹配；在Matlab/simulink中建立复合电源功率分配策略，仿真结果表明，采用复合电源能减少动力电池循环充电次数，有效避免大电流对动力电池的冲击，充分发挥超级电容的高比功率特性，与改造前相比，燃油经济性提高3.4%，纯电动行驶里程增加1.3%。

动力电池；超级电容；复合电源；插电式混合动力汽车

随着不可再生能源日益枯竭，全球大气污染不断加剧，节能环保已成为世界性议题。在汽车领域，发展新能源汽车已是必然趋势[1-4]。电源技术作为电动汽车发展的三大核心技术之一而广受关注[5]。蓄电池虽有技术成熟、比能量高等优势，但其比功率低、使用寿命短、工作环境适应能力差等劣势制约了其在电动汽车上的使用[6]；超级电容作为一种新型的储能设备，具有高于 103W/kg的功率密度、大于 10万次的充电循环寿命及–40～70℃的低温性能，但其比能量低的缺点制约

着超级电容的应用范围[7]。因此，由蓄电池与超级电容组成的复合电源系统，可充分发挥各自优势，满足电动汽车对储能装置兼顾功率和能量的双重需求。

为此，科研人员展开了一系列研究。王庆年等[8]采用基于车速的超级电容期望的荷电状态(state of charge，SOC)平衡方法建立功率分配策略，降低了电池的使用率，提升了燃油经济性，但其在计算期望SOC时把超级电容提供的能量直接等于整车的动能，未考虑由行驶阻力及转动惯量引起的能量损失，所得的期望SOC及仿真结果存在误差。北京理工大学[9]研制开发的“绿色奥运”电动低地板公交车 EV863，采用速度控制和电流约束的方法建立了复合电源功率分配策略，有效避免了动力电池的过电流充放电，平均电耗降低到0.676 4 kW·h/km，但并未对试验样车的超级电容采取任何控制，功率分配策略还可进一步完善。舒杰军[10]通过模糊控制确定超级电容与锂电池之间的功率分配因子，提高了复合电源效率，延长了锂电池使用寿命，但模糊控制是一种智能算法，对控制器处理速度具有很高的要求，在工程应用中不具有良好的实时性能。

本文将插电式混合动力汽车(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV)的单一电源系统改造成复合电源系统，在正向仿真软件AVL CRUISE中搭建复合电源模型及整车模型，在 Matlab/simulink中建立复合电源功率分配策略，两者进行联合仿真，通过仿真结果数据对比分析，验证功率分配策略的合理性。

1 复合电源系统结构及参数匹配

复合电源设计思想的本质是将整车的能量需求和功率需求解耦，整车能量需求由能量型动力电池提供，功率需求由功率型超级电容提供。能量需求确定电源系统容量，功率需求确定功率型元件参数。

1.1 复合电源系统结构

不同拓扑结构的复合电源表现出的特性有所不同。复合电源系统结构一般具有两种形式[11]：第一种是超级电容与双向DC-DC转换器串联后再与动力电池并联到直流母线，如图1(a)所示。此结构拓宽了超级电容的工作范围，但存在功率输出的滞后性。第二种是动力电池与双向DC-DC转换器串联后再与超级电容并联到直流母线相连，如图1(b)。此结构有利于超级电容快速输出启动、加速、爬坡时的功率和制动能量快速回收。本文研究对象是一款插电式混合动力城市公交车，其运行工况复杂，加减速频繁，且需要快速响应功率需求，因此采用第二种结构形式。改造后的整车储能装置和驱动部件结构如图2所示。

图1 复合电源系统结构

图2 整车储能装置和驱动部件结构

1.2 复合电源参数匹配

复合电源参数合理匹配，能发挥两种储能装置的性能优势，提高电源效率及整车的工况适应性[12-14]。整车部分参数如表1所示。

表1 整车部件参数

以中国典型城市公交循环工况为路况基准，采用传统经验式(1)，得出工况在每个时刻的整车功率需求，然后对功率积分，可以算出在整个循环工况中的能量分布情况。

式中，ηT为传动效率；m为整车整备质量；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积。通过计算求得电机平均功率需求P_AVE为20 kW，峰值功率P_PEAK为90 kW。

复合电源中，超级电容选择单节额定电压48 V，容量145 F的超级电容。

约束条件(1)：超级电容与直流母线直接相连，超级电容组额定电压需与电机额定电压相当，当电机额定电压为380V，超级电容节数节。

约束条件(2)：根据设计要求，超级电容能提供10 s的峰值功率，因此超级电容所要求的总能量Ecap要大于10 s能输出的峰值能量Epeak，其中Ecap和Epeak分别为：

式中，Ccap为超级电容的标称容量；Umax为超级电容额定电压；Umin为最小电压，取额定电压的一半；E为超级电容能量，C为串联后总容量；t为持续时间；λ为超级电容安全系数，为 1.2；n为超级电容节数；U为端电压。经式(4)计算可得 n≥ 6.7，满足条件，即 n= 8。

在该匹配方案中，需8节静电容量为145 F，标称电压48 V的超级电容串联，通过式(5)得到超级电容存储电量为 E=1/2×(145/8)2=1336320，J=0.37 kWh，比能量Es_cap=2.3 wh/kg，得到超级电容总质量M_cap=160 kg，比功率Ps_cap=2.1 kW/kg，计算得到峰值输出功率Ppeak_cap=338 kW，远大于电机峰值功率P_PEAK，功率需求满足条件。

动力电池只需满足车辆行驶时的平均功率即可，为了保证动力电池电流工作在安全区域内，选取单体电压为3.8 V的动力电池，其充放电率应不超过1.5 C，则动力电池容量为：

式中，Cbat为动力电池容量；Ubat为动力电池电压460 V。计算结果动力电池容量 29 Ah，圆整取30 Ah。

在该方案中，选取121节单节电压为3.8 V，容量30 Ah的动力电池，将动力电池容量换算成电量约为13.80 kWh，比能量Es_bat=100 Wh/kg，得到 电 池 总 质 量 M_bat=138 kg， 比 功 率Ps_bat=0.25 kW/kg，在1 C放电范围内动力电池最大输率 Ppeak_cap=34.7 kW，大于电机平均功率P_AVE，功率需求满足条件。动力电池和超级电容的节数与容量匹配结果如表2所示。

表2 复合电源参数匹配结果

2 复合电源系统功率分配策略

改造后的PHEV复合电源系统，根据DC/DC输出端电压调节功率分配，这是一种主动控制方式。

复合电源共同承担电机控制器的功率需求，其中电池承担稳定的平均功率，超级电容凭其良好地充放电特性调节整个系统的功率需求，如加速工况快速释放功率，制动工况回收能量。具体控制方法是：控制策略通过输入的需求功率P_REQ、离合器状态、动力电池荷电状态SOC_BAT、超级电容荷电状态SOC_UC等变量进行判定计算，确定复合电源的功率分配，分配方式如式(7)，复合电源控制策略如图3，控制策略具体逻辑方式如图4所示。

图3 控制策略示意图

式中，P_REQ为整车需求功率；P_BAT为动力电池分配功率；P_UC为超级电容分配功率；ηDC为DC/DC变换器工作效率。

如图4所示，在制动减速工况下，P_REQ小于0，复合电源系统回收制动能量，此时需要充分利用超级电容对大功率瞬间吸收的高比功率特性，超级电容回收制动能量，并对其充电，以提高制动能量的利用率，同时避免了制动时大电流对动力电池的冲击，可减少动力电池循环充电次数，保证了动力电池的寿命；在非减速制动工况下，即P_REQ≥0，离合器1断开时，PHEV以串联纯电动驱动模式工作，驱动电机提供整车需求功率，而驱动电机输入功率将由复合电源系统提供，当SOC_BAT大于下限值0.4时，电机需求功率小于平均需求功率 P_AVE，利用动力电池比能量高的特性，动力电池稳定的对外输出功率，当电机需求功率大于P_AVE时，此时功率需求比较高，若SOC_UC高于其中间值0.6时，考虑到减少动力电池大功率输出及双向DC/DC变换器存在功率输出的滞后性，电机需求功率将完全由超级电容提供；同样，当SOC_UC低于中间值时由动力电池、超级电容共同提供功率，保证整车的功率需求；SOC_BAT低于下限值时，动力电池电量少，为了保护电池，此时功率全部由超级电容提供；在离合器闭合时，PHEV以并联驱动模式工作，此时整车需求功率主要由发动机提供，不足部分由电机提供，而电机的输入功率由超级电容提供。

图4 复合电源控制策略

在复合电源拓扑结构配置了双向DC-DC转换器，在软件AVL CRUISE中，其控制方式有两种，分别是理想电压控制和电流控制。若采用理想电压控制，双向DC-DC转换器会稳定设置额定电压，在BUCK模式下，低电压端电压由设定的低压端额定电压控制；在BOOST模式下，高电压端由设定的高压端额定电压控制。若采用电流控制，无需设置双向DC-DC转换器的阈值电压，传输电流的大小由指定的控制策略决定。考虑到直流母线中电压是随时变化的，并且需要调节双向DC-DC转换器输出端的电压来控制复合电源功率分配，因此选择电流控制方法。电流控制最关键的参数是 BUCK 模式下的电流限制系数 αDC,Buck和BOOST 模式下的电流限制系数 αDC,Boost。αDC,Buck、 αDC,Boost计算方式如式(8)、(9)。

DC/DC交换器最大转换功率，取50 kW。

3 仿真分析

利用 Matlab/simulink建立的复合电源功率和整车能量管理策略，通过 Interface接口与 AVL CRUISE进行联合仿真，如图5所示。

图5 整车控制策略

选择中国城市典型公交循环工况进行仿真分析，复合电源功率分配仿真结果如图 6所示。在图 6上中，复合电源功率分配能满足驱动电机的功率需求，具体功率分配情况如图 6下，在800～805 s之间，有P_REQ大于P_AVE，此时电机需求功率全部由超级电容提供；在810～815 s之间，由于前段时间超级电容一直向外输出功率，导致SOC_UC低于中间值，此时由动力电池向外输出功率，一部分功率满足电机的功率需求，另一部分功率对超级电容进行充电；在816 s时，整车处于制动工况，电机的制动功率全部由超级电容吸收。仿真结果符合功率分配策略的控值目标。

图6 电功率分配曲线

改造前单一动力电源系统与改造后复合电源系统的对比仿真曲线图如图7所示，图7上为复合电源系统动力电池、超级电容及单一电源中动力电池的SOC仿真结果曲线图，将复合电源系统初始SOC_BAT 、SOC_UC均设为86%，在整个工况仿真中，由于存在超级电容功率调节的作用，在电量消耗阶段，复合电源中SOC_BAT较单一电源中SOC_BAT不仅下降速度慢，且减少了动力电池的循环充电次数，增加了纯电动行驶的里程数。在低于平均功率需求时，动力电池能稳定地输出功率，高于平均功率时，超级电容参与功率输出，SOC_UC变化波动大，充分发挥超级电容特性，在制动负功率时，超级电容能吸收大功率，提高能量回收效率。图7下为复合电源系统动力电池、超级电容及单一电源中动力电池的电流仿真结果曲线图，在改造前动力电池充放电电流较大，最大放电电流达到299 A，最大充电电流325 A，均

超出了动力电池的安全工作区间，会造成动力电池不可修复的损伤。而在复合电源系统中，动力电池的最大放电电流86 A，而超级电容的最大放电电流可达470 A，最大充电电流达到412 A，充分发挥了超级电容的大电流充放电特性，同时又避免了充放电大电流对电池冲击，有利于提高电池的工作效率。在能量分配策略相同的前提下，仿真结果如表 3所示，使用复合电源后，燃油经济性提高3.4%，纯电动行驶里程数增加1.3%，说明复合电源功率分配策略的有效性。

图7 仿真结果对比图

表3 仿真结果

4 结 论

改造后的复合电源系统与单一电源系统相比，能减少动力电池循环充电次数，限制动力电池充放电功率，超级电容能瞬间吸收和输出大电流，有效改善动力电池使用工况，同时能提高整车燃油经济性和纯电动行驶里程，从而验证复合电源系统的可行性。

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The Power Allocation Strategy for Plug-in Hybrid Electric Vehicle Hybrid Power System

Gao Jianping, Zhao Jinbao, Ge Jian, Xi Jianguo
(Vehicle & Transportation College, Henan University of Science & Technology, Luoyang Henan 471000, China)

According to the vehicle performance requirements and driving cycle, the original single power system of a plug-in hybrid electric vehicle is transformed into hybrid power system which is consist of battery and super-capacitor that are matched by decoupling the requirement of energy and power. The power allocation strategy of hybrid power is built in Matlab/simulink. The simulation results show that the hybrid power system can reduce the battery charge cycles, effectively avoid the impact of battery from the large current and can give full play to high power characteristics of super-capacitor. Comparing with the former, the fuel economy and pure electric mileage are increased by 3.4% and 1.3%.

battery; super-capacitor; hybrid power system; plug-in hybrid electric vehicle

U 469.7

A

2095-302X(2015)04-0603-06

2014-05-29；定稿日期：2014-11-28

国家“863”计划基金资助项目(2012AA111603)；河南省基础与前沿技术研究计划资助项目(132300410151)

高建平(1976–)，男，河南洛阳人，副教授，博士。主要研究方向为新能源汽车整车控制研究。E-mail：gjpcar@gmail.com