基于锂电与超级电容的车用混合储能系统研究

苏俊龙

(青岛理工大学汽车与交通学院，山东青岛 266520)

基于锂电与超级电容的车用混合储能系统研究

苏俊龙

(青岛理工大学汽车与交通学院，山东青岛 266520)

超级电容的高功率密度使它们可以成为电动汽车或混合动力汽车的负载平衡装置，此外，其快速充电的特性非常适合应用于功率再生制动。针对纯电动汽车和混合动力汽车储能系统的特点，将超级电容与蓄电池混合使用，制定相应的控制策略。通过仿真验证混合储能系统可以有效地实现能量管理，进而提高新能源汽车的续航里程。

超级电容；混合储能系统；再生制动；Simulink仿真

0 引言

电动汽车动力性能很大程度上取决于高性能的动力源，但是作为纯电动汽车主能源的动力电池存在一系列问题：比功率低、不能大电流充放电、电池成本高。若单单蓄电池作为再生制动的储能装置，受到回收电流和使用寿命的限制，电池难以回收足够的制动能量，影响能量回收的效率。超级电容器是一种介于电池和静电电容器之间的储能元件，它具有诸如比功率高、比能量大、一次储能多等优点。主能量源蓄电池的能量密度较高、功率密度较低、充放电电流较小，因此针对主能量源蓄电池的特点，将超级电容作为辅能量源，形成复合储能系统，可以很好地满足电动汽车和混合动力汽车对能量储存和瞬时大电流充放电的需求。文中建立了超级电容与蓄电池并联的汽车复合储能系统，并针对具体的功率需求进行了充放电控制，利用Simulink建立相关模型进行仿真验证。

1 针对电动汽车的混合能量源

混合电动汽车的能量存储系统有许多电池与电容混合的拓扑结构，图1(a)显示了最基本的能源结合方式。

图1 电池与电容混合的几种拓扑结构

在图1(a)中，电池与超级电容并联后接入负载，能量存储系统与负载之间有着相同的终端电压，它们的功率分配仅仅取决于内部的电阻。为了优化一个电子系统中的超级电容和电池，变频器需要管理它们之间的功率流和主要的直流总线驱动转换器。如图1(b)所示，这种拓扑结构允许超级电容与负载之间不使用转换器直接进行能量交换，有利于车辆的频繁启动状态。主要的能量流来源于被直流转换器控制的电池，此外这样的一个系统限制了电容的电压值，输出电压必须大于驱动电机的反电动势。这样反过来驱使人们使用一个高额定电压的超级电容存储。在图1(c)中，通过双向直流转换器将超级电容连接到蓄电池上。文中选择此结构进行研究。

混合能源管理的控制策略要求蓄电池满足平均功率的需求，同时利用超级电容满足汽车加速、减速功率波动的功率需求。超级电容在再生制动或者电池低功率需求时充电。表1给出了适用于城市地区的小型电动汽车的电池参数，表2给出了超级电容的具体参数。

表1 适用于小型电动汽车的电池组参数

表2 适用于小型电动汽车的超级电容参数

2 基于逻辑门限值的能量存储控制策略

逻辑门的能量存储策略思想是：混合储能系统的功率需求包括平均功率需求、高功率负载需求、再生制动功率需求。蓄电池提供行驶工况中的平均功率需求；当在高功率负载需求下，由超级电容进行功率补充；当在再生制动功率需求下，根据制动强度，确定蓄电池和超级电容的吸收功率。通过超级电容的使用，达到削峰填谷的作用。

功率分配如图2所示：在恒速状态下，车辆的功率需求仅由蓄电池提供(状态1)；在加速状态时，由蓄电池和超级电容共同提供(状态2)；为了平衡超级电容的SOC，在制动期间，在超级电容的SOC低于一定阈值的情况下，所有制动能量由超级电容吸收(状态3)；如果超级电容SOC低于一定阈值，在停车状态下蓄电池将对超级电容进行充电(状态12)。

图2 正常状态下的能量流动

如图3所示：在驱动模式下，当超级电容电压低于一定阈值的时候，超级电容停止放电(状态4)；在制动模式下，当超级电容的电压高于一定阈值时，超级电容不参与制动能量回收(状态5)。

图3 单一能源状态下的能量流动

如图4所示：当超级电容SOC低于储备能量的最低电压时，在恒速驱动下，电池为负载提供功率，并为超级电容充电(状态6)；在加速驱动下，蓄电池提供主要功率，超级电容小功率输出(状态7)；在再生制动下，由超级电容吸收制动能量(状态8)。

图4 超级电容低SOC状态能量流动

如图5所示：当超级电容电压大于存储容量电压时(状态9)，在恒速状态下，两者共同提供功率；在加速阶段，超级电容提供主要功率(状态10)；在制动状态下，两者共同吸收制动能量(状态11)。

图5 超级电容高SOC状态能量流动

3 仿真模型

以下部分为能量存储和车辆动力系统模型，开发模型是用来模拟功率流和评估功率损耗，估计汽车的总体效率。

3.1 蓄电池模型

电池组的动态特性模型如图6所示,UOCV对应的开路电压电池的放电状态的函数(SOD)。一个串联的电阻RS、RP平行分支模型下降电阻和极化效应。放电容量产生变化的放电电流和温度，建模使用基于模型参数电池制造商的数据。图7显示了某单体电池的放电曲线。

图6 蓄电池的等效电路

图7 某单体电池的放电曲线

根据电池等效电路，利用Simulink建立的电池模型如图8所示。

图8 电池模型

3.2 超级电容模型

简化的电容模型如图9所示。这个模型是由一个电阻R和电容C组成,电阻R负责电气损失，电容C对应于超级电容的电容。模型没有考虑瞬态电压动态变化状态,但足以评估功率损失。

图9 超级电容的等效电路

根据超级电容的等效电路，建立动力电池与超级电容混连的混合储能模型，如图10所示。

图10 混合储能模型

3.3 直流转换器损耗

连续模型转换器实现在这个阶段的模拟。一个晶体管与二极管的功率损耗计算基于方程(1-8)。

每个晶体管的功率损耗:

(1)

Esw=Eon+Eoff

(2)

Psw_tr=fsw·Esw·(Itr/Irated)·(Vtr/Vrated)

(3)

Ptr=Pcond_tr+Psw_tr

(4)

每个二极管的功率损耗：

(5)

Psw_d=fsw·Err·(Id/Irated)·(Vd/Vrated)

(6)

Pd=Pcond_d+Psw_d

(7)

总损耗：

Ptot=Ptr+Pd

(8)

其中：D为占空比；Itr为晶体管电流；Id为二极管电流；Irated为额定电流；Vtr为晶体管电压；Vrated为额定电压；Vd为二极管电压；fsw为开关频率；VT为阈值电压；Eon为打开期间能量损耗；Eoff为关闭期间能量损耗。

3.4 车辆动力学模型

图11显示了一个基于功率消耗的车辆动力学模型，轮功率计算考虑到驱动器的效率和功率流的方向。驱动电机产生的牵引力通过传动装置最后传递给车轮，通过速度控制器，使汽车始终在循环工况下运行。

图11 车辆动力学模型

滚动阻力：

FR=m·g·f0

空气阻力：

坡度阻力：

F1=m·g·sinα

加速阻力：

FJ=FT-FA-FR-FI

其中：m为汽车总质量(kg)；g为重力加速度(N/s2)；f0为摩擦阻力系数；ρA为空气密度；Cd为空气阻力系数；A为迎风面积(m2)；μ为当前车速(km/h)；α为坡度角(rad)。

4 仿真分析

ECE15是一个标准化的欧洲城市驾驶循环工况，如图12所示。在汽车的行驶中，以恒定的加速度行驶是罕见的，图13中的行驶工况更能代表实际情况，与ECE15循环工况相比，这个工况需要频繁改变速度和在低速下需要更大的加速度。

图12 ECE15循环工况

图13 实际循环工况

表3显示了在仿真模型中使用的参数。假设车辆属性对应城市小型电动汽车,滚动阻力系数对应于干沥青或混凝土路面。

表3 模型参数

表4 仿真结果

通过表4的数据，可以看出环境温度影响着纯电动汽车的续航里程，混合储能系统相对于单一能源的供能系统，在低温的环境下，最高损耗相差5.74%，损耗的减少意味着续航里程的增加，混合储能系统，尤其在低温下，对提高电动汽车的续航里程来说显得尤为重要。

混合储能系统汽车加速、减速阶段通过超级电容来分担功率需求，从而限制通过电池的最大电流，在功率需求变化不大的情况下仅由蓄电池进行供电，功率分配如图14、15所示。

图14 ECE15工况下的功率分配

图15 实际循环工况下的功率分配

由图14、15可知，当车辆制动时，产生的大电流被超级电容吸收(状态3)，超级电容端电压迅速升高，减少了大电流对蓄电池的冲击，提高蓄电池的使用寿命，并对制动能量进行了有效的回收。当汽车遇到爬坡、加速等大功率需求时(状态1)，超级电容将提供一定的功率，使蓄电池始终工作在恒定的功率范围。

5 结束语

车用混合电源系统最大的特色在于超级电容器的使用，超级电容器可以有效地满足车辆启动和制动时对高功率充放电的要求，由于蓄电池此时的主要功工作在理想的功率范围，不用承受大电流充放电，因此其寿命得到大幅延长。复合电源系统使车辆具有良好的启动和制动特性，在提高电动汽车或者混合动力汽车动力性的同时，对车辆行驶过程中产生的制动能量也进行了有效的回收。

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ResearchonAutomobileCompositeEnergyStorageSystemBasedonSuperCapacitorandLithiumBattery

SU Junlong

(College of Vehicles and Transportation, Qingdao University of Technology, Qingdao Shandong 266520, China)

The super capacitor with high power density can be used as a load balancing device for an electric vehicle or a hybrid vehicle. In addition, the quick charge character of the super capacitor makes it very suitable for the application of power regenerative braking. According to the characteristics of automobile energy storage system, super capacitor and battery were mixed with the proposed discharge control and the regenerative braking scheme of hybrid energy storage system. Through the simulation, it is verified that the composite energy storage system can be used to achieve effective energy management and improve the new energy vehicle mileage.

Super capacitor； Hybrid energy storage system； Regenerative braking；Simulink simulation

U46

A

1674-1986(2017)11-013-05

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.003

2017-05-15

苏俊龙(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为汽车电子。E-mail：407730399@qq.com。