电动汽车复合电源的能量控制系统研究

马超群，曹喜生

（1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，兰州 730050；2.大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室，天水 741020）

为应对当今世界面临的石化能源短缺和环境污染日异严峻的挑战，发展具有高效、节能、低噪声、零排放等优势的电动汽车可以有效缓解燃油汽车带来的能源紧张与大气污染等问题[1]。蓄电池作为电动汽车单一的电源，需要满足车辆所需的全部功率需求。电动汽车在频繁启动、加减速、上下坡和停车等行驶过程中，需求的功率变化很大，频繁的大电流充放电会严重影响蓄电池的使用寿命[2-3]。超级电容具有高功率密度、充放电循环寿命长等特点，它能迅速大电流充放电，为电动汽车提供足够高的峰值功率，制动时回收能量[4-5]。因此将超级电容加入电动汽车能量存储系统中，建立新型蓄电池-超级电容复合电源系统，不仅能够增加能量储存，还能明显提高瞬时大电流和大功率输出的效能[5-6]，满足电动汽车对能量和功率的双重要求。

本文在分析了电动汽车实际行驶时对功率需求的基础上，采用蓄电池-超级电容并联的方式构成电动汽车复合电源系统[7-9]，研究了以负载功率的变化速率为判断依据的功率分配方法。利用超级电容能够瞬时大电流放电的特点，提供负载功率突变的部分，从而减小蓄电池瞬时充放电电流，实现对蓄电池电流的平滑控制。

1 采用复合电源的电动汽车中的功率需求分析

蓄电池-超级电容复合电源系统的结构如图1所示。蓄电池和超级电容都通过DC/DC变换器以并联的方式构成电动汽车复合电源系统，图中，Pbat、Psc分别为蓄电池和超级电容的功率，其既能输出功率以驱动汽车行驶，也能接收再生制动能量进行充电。

图1 复合电源系统结构Fig.1 Structure diagram of compound power supply system

复合电源系统提供的功率Pcps由蓄电池的功率Pbat和超级电容的功率Psc组成，即：

在电动汽车正常行驶时，复合电源系统经过三相逆变器输出电能驱动电动机，电动机将功率通过传动系统传递到驱动轮上，克服驱动轮上的滚动阻力、坡度阻力、加速阻力和空气阻力等各种阻力。

根据汽车动力学原理，电动汽车需要提供克服驱动轮上各种阻力消耗的功率Ptp，它共包括4个部分[9]，计算如下：

式中：Pr为电动汽车克服行驶滚动摩擦阻力所消耗的功率；Phc为电动汽车克服坡度阻力所消耗的功率；Pacc为电动汽车克服加速阻力所消耗的功率；Paero为电动汽车克服空气阻力所消耗的功率；M为车辆的质量；g为重力加速度；μr为车轮与地面的摩擦系数；θ为道路的坡度；V为车辆的速度；σ为转动惯量系数；ρa为空气密度；CD为空气阻力系数；Af为迎风面积；Vω为风速。

根据式（2）～式（5），可得电动汽车需要提供克服驱动轮上各种阻力消耗的总功率为

当电动汽车正常行驶时，设三相逆变器和传动系统的效率为η，那么Ptp=ηPcps，则复合电源提供的负载电流为

式中：Udc为复合电源直流母线电压。

当电动汽车减速、制动停车回收能量时，Ptp＝，则复合电源的充电电流为

2 复合电源系统的主电路与工作模式

2.1 复合电源系统的主电路

蓄电池和超级电容分别通过双向半桥DC/DC变换器与直流母线相连接，如图2所示。其中，iL1、iL2分别为流过电感L1、L2的电流。

图2 复合电源系统的主电路Fig.2 Main circuit diagram of compound power supply system

2.2 复合电源系统工作模式分析

电动汽车根据实际行驶过程中对功率的需求情况，根据控制策略分配蓄电池和超级电容所需提供的功率，从而调节蓄电池和超级电容的输出电流。因此，蓄电池-超级电容复合电源系统的工作模式可以分为以下4种：

（1）蓄电池和超级电容同时提供驱动功率模式。车辆起步、加速或者爬坡时，对于瞬时功率的需求很大，此时由超级电容提供功率突变部分的功率。这样就可以减小功率突变造成的对蓄电池的冲击，降低蓄电池功率密度的要求，提高驱动系统的动态响应速度。

（2）蓄电池单独提供驱动功率模式。在车辆巡航或者需求功率较小的加速过程时，如果超级电容的荷电状态SOC（state of charge）处在正常值，超级电容不工作，蓄电池单独提供驱动功率。

（3）蓄电池单独提供驱动功率并向超级电容充电模式。在车辆巡航或者需求功率较小的工作过程中，如果超级电容SOC较低时，蓄电池提供驱动功率的同时并向超级电容充电。

（4）回馈制动模式。当电动汽车减速制动或下坡行驶时，电动机处于回馈制动的工作状态。此时制动能量优先回馈给超级电容，超级电容迅速充电，当超级电容的电压达到设定的上限值后，剩余的能量回馈给蓄电池充电。

3 复合电源系统的控制策略

3.1 复合电源系统的功率分配方法

复合电源系统的功率分配问题就是在电动汽车不同的工况下蓄电池和超级电容如何分配电动汽车负荷功率的问题，是能量控制系统中最关键的部分。定义电动汽车负荷功率的变化速率为

式中：Ptp（n）和t（n）分别为当前电动汽车的负荷功率和时刻；Ptp（n-1）和t（n-1）分别为上一次检测的电动汽车的负荷功率和时刻。

当电动汽车的负荷功率Ptp（n）＞0，即电动汽车处于驱动行驶状态时，蓄电池和超级电容所承担的功率分别为

式中：ρh为设定的负荷功率变化速率ρ的上限值。

当电动汽车的负荷功率 Ptp（n）＜0，即电动汽车处于回馈制动状态时，蓄电池和超级电容所吸收的功率分别为

式中：ρl为设定的负荷功率变化速率ρ的下限值；SOCsc和SOCsch分别为超级电容的荷电状态和设定的超级电容荷电状态SOCsc的上限值。

式（9）～式（13）根据蓄电池高能量密度和超级电容高功率密度的特点，实现了电动汽车负荷功率的合理分配，建立了电动汽车复合电源的能量控制策略，如图3所示。其中SOCscl为设定的超级电容荷电状态SOCsc的下限值。

图3 复合电源的能量控制策略流程Fig.3 Flow chart of energy control strategy

3.2 DC/DC变换器1的控制方法

与蓄电池相连接的DC/DC变换器1工作在升压状态时，给直流母线提供稳定的电压值。为了稳定直流母线电压，变换器的控制器必须含有电压外环，为了提高驱动系统的响应速度还需要采用电流内环。因此，DC/DC变换器1的升压状态采用电压电流双闭环调节，控制框图如图4所示。

图4 DC/DC变换器1的升压状态控制框图Fig.4 Boost state control block diagram of DC/DC converter 1

当电动汽车处于回馈制动状态时，优先给超级电容充电，蓄电池不作为主要的能量吸收设备。只有超级电容的荷电状态SOCsc＞SOCsch时，蓄电池才吸收少量回馈能量。此时，DC/DC变换器1在降压状态下向蓄电池充电。为了有效保护蓄电池，采用电流环来限制其充电电流，其参考电流值可由式（14）计算得到。DC/DC变换器1的降压状态控制框图如图5所示。

图5 DC/DC变换器1的降压状态控制框图Fig.5 Buck state control block diagram of DC/DC converter 1

3.3 DC/DC变换器2的控制方法

与超级电容相连接的DC/DC变换器2在升压状态时，不仅需要提供负荷功率突变的部分功率，而且需要稳定直流母线电压。因此，DC/DC变换器2也采用电压电流双闭环调节，控制框图如图6所示。

图6 DC/DC变换器2的升压状态控制框图Fig.6 Boost state control block diagram of DC/DC converter 2

超级电容作为电动汽车能量回馈的主要吸收设备，它能够承受较大的充电电流并且迅速地吸收回馈能量。根据复合电源的能量管理策略，可检测得到超级电容吸收的功率，超级电容的参考电流值可由式（15）计算得到。变换器二降压状态的控制框图如图7所示。

图7 DC/DC变换器2的降压状态控制框图Fig.7 Buck state control block diagram of DC/DC converter 2

4 复合电源系统仿真分析

蓄电池组额定容量为40Ah，额定电压为200 V，SOC初始值设定为40。超级电容组的额定电容为500 F，额定电压为200 V。DC/DC变换器1和DC/DC变换器2的电感L1、L2分别为4 mH和2 mH，开关管的开关频率为20 kHz。母线电容Cdc为2200 μF，直流母线电压设定为350 V。

当超级电容的荷电状态SOCsc＞SOCscl时，设定超级电容的SOC初始值为40，SOC的下限值SOCscl为30，则系统的功率变化曲线如图8所示。

图8 功率变化曲线Fig.8 Power change curves

由图8可知，电动汽车正常行驶时，电动机工作在电动状态，所需功率为正，如图中的0～8 s。当电动汽车迅速起步时，需求的功率很大，如图中0～3 s，蓄电池和超级电容共同提供电动汽车行驶所需要的能量，工作在模式（1）。其中，超级电容提供负载功率突变的部分，提供瞬时大功率放电，有效地防止大电流对蓄电池冲击。当电动汽车所需功率变化不大时，如图中的3～8 s，由蓄电池单独给电动汽车供电，超级电容不工作，保证下一次负载突变时超级电容有足够的能量储备，此时工作在模式（2）。电动汽车刹车制动时，电动机工作在发电状态，电流为负值，功率也为负值，如图中8～10 s，工作在模式（4）。超级电容吸收的功率曲线与负载功率曲线重合，电动汽车回馈制动的能量优先由超级电容吸收。

SOCsc＞SOCscl时蓄电池和超级电容的SOC如图9所示。电动汽车起步时，蓄电池和超级电容同时供电，SOC都不断的降低，如图中0～3 s。电动汽车正常行驶时，蓄电池单独持续提供能量，蓄电池的SOC继续下降，超级电容的SOC保持不变，如图中3～8 s。回馈制动时，优先给超级电容充电，超级电容的SOC不断回升，蓄电池的SOC保持不变，如图中8～10 s。

图9 SOCsc＞SOCscl时蓄电池和超级电容的SOC变化曲线Fig.9 SOC curves of battery and ultra-capacitor when SOCsc＞SOCscl

当超级电容的荷电状态SOCsc＜SOCscl时，设定超级电容的SOC初始值为25，SOC的下限值SOCscl为30，则系统的功率变化曲线如图10所示。

图10 SOCsc＜SOCscl时功率变化曲线Fig.10 Power change curve when SOCsc＜SOCscl

由图10可知，在0～3 s时，虽然超级电容的SOC已经低于设定的下限值，但是此时检测到电动汽车的功率需求较大，超级电容仍需工作，优先保证电动汽车的正常行驶。在5～8 s时，检测到电动汽车的功率需求不大，此时蓄电池可以同时向超级电容充电，使超级电容的SOC尽快恢复到正常值，这时系统工作在模式（3）。在第8 s开始回馈制动，蓄电池停止工作，能量全部供给超级电容，工作在模式（4）。

SOCsc＜SOCscl时蓄电池和超级电容的SOC如图11所示。显然，在回馈制动前，蓄电池一直工作在放电状态，它的SOC持续不断的下降。超级电容的SOC则在不断地降低之后，从第5 s开始，由于蓄电池充电给超级电容，SOC开始不断回升，第8 s开始制动能量又回馈给超级电容，SOC继续不断上升。

图11 SOCsc＞SOCscl时蓄电池和超级电容的SOC变化曲线Fig.11 SOC curves of battery and ultra-capacitor when SOCsc＞SOCscl

以上仿真分析证明，电动汽车复合电源系统能够根据能量控制策略合理的分配负荷功率，选择合适的工作模式，有效地利用了蓄电池高比能量和超级电容高比功率的特点。

5 结语

本文针对电动汽车实际行驶过程中对电源有高比能量和高比功率的需求，根据蓄电池和超级电容的特点，建立了蓄电池和超级电容组成的复合电源系统。蓄电池提供了电动汽车正常行驶时所需的能量，超级电容提供负载功率突变时的部分，降低了蓄电池充放电的电流的变化速率，蓄电池的工况有了很好的改善，减少了对蓄电池的损伤，延长了蓄电池的使用寿命。

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