基于CRUISE的纯电动商务车复合电源参数匹配与仿真*

伍 鹏，何 锋，杨泽平，袁兴国

(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025)



基于CRUISE的纯电动商务车复合电源参数匹配与仿真*

伍 鹏，何 锋，杨泽平，袁兴国

(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025)

在纯电动商务车中使用两个或两个以上的动力源共同为整车提供动力时,会带来动力源的参数匹配问题。在AVL/CRUISE软件中搭建纯电动商务车复合电源及整车仿真模型，并对复合电源参数进行匹配研究。仿真结果表明，所设计的复合电源能够为整车提供足够能量满足纯电动商务车行驶时的速度以及加速度要求，有效降低了锂离子电池放电倍率。

复合电源 锂离子电池 超级电容 参数匹配

0 引言

目前，市场上的纯电动车辆主要使用锂离子电池作为动力源，然而比功率低、循环寿命短等已成为制约锂电池大量应用于纯电动汽车的主要问题[1]。超级电容具有充放电效率高，比功率大，循环寿命长等优点[2]。将超级电容和锂电池组成复合电源进行研究以发挥两者的优势、弥补锂电池的性能缺陷，对于促进纯电动汽车的发展和推广应用都有着重要作用。

以磷酸铁锂离子电池组作为整车动力源，在山区城市行驶时频繁爬坡以及急加速等大功率工况下锂电池会处于超负荷工作状态，使得锂电池使用寿命偏低，因此有必要对复合电源在纯电动商务车上的应用进行研究。北京理工大学何洪文[3]等人对直接并联式复合电源展开了研究，降低了大电流对动力电池的冲击；吉林大学闵海涛[4]等对混合动力汽车复合电源参数进行了优化研究；同济大学周苏[5]等对燃料电池和动力蓄电池结构的复合电源进行了匹配研究; 辽宁工学院李贵远[6]、合肥工业大学张炳力[7]等采用不同控制策略对复合电源进行控制，提高了能量利用率。本文将建立纯电动商务车仿真模型，并进行复合电源参数匹配，最后对所建立的模型及参数匹配结果进行仿真验证， 为下一步对纯电动商务车复合电源能量管理控制研究打下基础。

1 复合电源及整车建模

纯电动商务车复合电源采用主动控制式“锂电池+超级电容”的结构，将超级电容同双向DC/DC转换器串联后和锂电池并联。双向DC/DC转换器能够对锂电池电压进行实时检测，进而调控超级电容端电压使两者匹配工作，并对超级电容和锂电池的输出功率进行主动分配。

在AVL/CRUISE软件中建立复合电源及整车模型,使用的CRUISE集成模块主要有驾驶员、传动系统、制动系统、驱动电机、超级电容、电池等。通过仿真验证及进一步研究将运用此模型在CRUISE/MATLAB平台中进行整车能量管理控制策略的仿真研究。整车模型如图1所示。

图1 整车模型

2 复合电源参数匹配

复合电源的设计目标是充分发挥锂离子电池和超级电容各自的优势，形成优势互补，通过合理地匹配，在保证纯电动商务车动力性能的同时，降低锂电池冲放电倍率，并对整车再生制动能量进行高效回收。对复合电源进行适当的能量管理还能够提高电源效率、延长使用寿命。表1所示为整车设计参数，表2所示为某公司生产的锂离子电池以及超级电容集成模块的技术参数。

2.1 锂电池数量确定

根据整车的性能指标，可以通过式(1)计算得出整车对锂离子电池总的能量需求：

(1)

表1 整车设计参数

表2 电池技术参数

式中，E为整车所需的总能量，m为整车质量，D为锂电池SOC工作范围，取0.2～0.9之间， g为重力加速度，η为动力系统机械效率，f为滚动阻力系数，ua为车速，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，P1为其他电气设备消耗功率，S为设计续驶里程。

通过式(2)、式(3)可计算出锂电池单体串联数和并联组数。

(2)

(3)

式中，n1、n2分别为锂电池单体串联数和并联组数，U为电源电压，u1为锂电池单体额定电压，C1为锂电池单体额定容量。

2.2 超级电容数量确定

超级电容作为辅助电源主要用于大功率行驶以及制动能量回收等工况，其数量选择主要受加速时间、车辆制动强度以及控制策略设计的输出功率限制。通过式(4)可以计算出超级电容需要具备的能量：

(4)

式中，Eu为超级电容的总能量，C2为超级电容额定电容量，Ucmax、Ucmin分别为超级电容最大工作电压和最小工作电压，n3、n4分别为超级电容集成模块串联数和并联组数。

根据整车动力性能要求，纯电动商务车在峰值功率行驶时，超级电容需要连续10 s为电动机提供峰值辅助功率，且在常规车速下处于制动工况时，超级电容能够回收全部再生制动能量，即：

Eu1=Pf·t

(5)

(6)

Eu=max(Eu1，Eu2)

(7)

式中，Eu1为超级电容提供的峰值辅助能量，Pf为电动机峰值功率与额定功率之差，t为超级电容提供峰值辅助功率的时间，Eu2为超级电容最大制动回收能量，ξ为制动能量回收效率，v为车速。表3所示为复合电源参数匹配结果。

表3 参数匹配结果

3 仿真计算与结果分析

在某公司研发的以锂电池作为单一动力源的纯电动商务车的基础上，使用“锂电池+超级电容”结构的复合电源，运用CRUISE软件建立整车模型，对复合电源参数匹配结果进行仿真研究。

选择标准工况FTP、NEDC、JA1050进行仿真，图2所示为不同工况下实际车速与目标车速跟随曲线。

图2中可以看出，在三种典型工况下，纯电动商务车的实际车速均能较好的跟随目标车速， 在车速发生急剧变化的时候，采用复合电源有轻微的延迟，但均能很好的满足整车的速度和加速度要求。

在以上工况下将原有锂电池作为单一动力源的电池电流与复合电源锂电池电流进行对比分析，仿真结果如图3-5所示。

图中可以看出，在FTP工况下，锂电池作为单一动力源时最大放电电流达到2.06 C，最大充电电流为1.25 C，使用复合电源结构的锂电池最大放电电流稳定在1 C左右；在NEDC工况下，锂电池作为单一动力源时最大放电电流达到1.67 C，最大充电电流达到1.75 C；在JA1050工况下，锂电池作为单一动力源时最大放电电流为160 A，最大充电电流为120 A，使用复合电源结构锂电池最大放电电流为90 A，仅为单一电源结构的56%，且在以上工况下均由超级电容回收全部制动能量。

图2 车速跟随曲线

图3 FTP工况电流曲线

图4 NEDC工况电流曲线

图5 JA1050工况电流曲线

4 结论

基于CRUISE建立了纯电动商务车及复合电源仿真模型，在不同工况下对纯电动商务车车速、加速度以及锂电池充放电电流等进行综合分析可知：

1)通过仿真，验证了复合电源及整车模型的正确性，为下一步对纯电动商务车能量管理控制的研究打下基础。

2)在不同工况下，复合电源能够为整车提供能量满足纯电动商务车行驶时的速度及加速度要求，解决了超级电容和锂离子电池共同为整车提供动力时动力源参数匹配问题,且明显降低了锂电池充放电倍率。

[1] 董冰.基于锂离子动力电池的纯电动汽车能量管理系统控制策略与优化[D].长春:吉林大学,2014.

[2] 曹秉刚,曹建波,李军伟,续慧,许鹏.超级电容在电动车中的应用研究[J].西安交通大学学报,2008,42(11):1317-1322.

[3] He H W, Xiong R, Chang Y H. Dynamic modeling and simulation on a hybrid power system for electric applications [J]. Energies,2010，3(11):1821-1830.

[4] 闵海涛,刘杰,于远彬,田润澜.混合动力汽车复合电源参数优化与试验研究[J].汽车工程,2011,32(12):1078-1083.

[5] 周苏,张晔,牛继高,王廷宏,陈凤祥.基于Cruise/Simulink的FCHEV燃料电池和动力蓄电池功率匹配研究[J].青岛大学学报(工程技术版),2010,25(4):20-27+56.

[6] 李贵远,陈勇.动力电池与超级电容混合驱动系统设计与仿真[J].系统仿真学报,2007,19(1):101-105.

[7] 张炳力,吴德新,窦聪,顾炎. 复合电源能量匹配与多目标模糊控制策略研究[J]. 汽车技术,2014(12):54-58.

Parameter matching and simulation for compound power supply of pure electric commercial vehicle based on CRUISE

WU Peng, HE Feng, YANG Zeping, YUAN Xingguo

It will bring parameter matching problem of power source, when the pure electric commercial vehicle uses two or more power sources for the vehicle. The simulation models of pure electric commercial vehicle and its compound power supply are set up by AVL/CRUISE，and the research on parameter matching for compound power supply is made. The results show that compound power supply designed can provide enough energy to meet the velocity and acceleration requirements of electric commercial vehicles, which reduces discharge rate of Li-ion battery.

compound power supply, Li-ion battery, ultracapacitor, parameter matching

U469.7

A

1002-6886(2016)06-0018-04

贵州省重大科技专项计划项目【黔科合重大专项字(2015)6007】。

伍鹏(1989-)，男，贵州毕节人，硕士研究生，主要方向：节能与新能源汽车的研究与开发。 何锋(1963-)，男，四川达州人，硕士，教授，硕士生导师，主要研究方向：汽车系统动力学与控制、汽车及其零部件设计理论与方法、新能源汽车和汽车服务系统规划与设计。

2016-06-09