复合储能在插电式城市客车上的匹配应用

王坤俊， 汪 伟， 王文明

(湖南中车时代电动汽车股份有限公司， 湖南 株洲 412007)

插电式混合动力汽车具有纯电动汽车的充电及行驶功能，也有传统的内燃机，既能获得较好的节能减排效果，又具有与传统车辆相当的适用性能[1-3]。插电式混合动力汽车要求车载储能系统具有大功率充放电、高充放电效率、长使用寿命、低容量衰减等性能，同时要求具备较高的能量密度。目前，插电式混合动力汽车多采用电池作为储能单元，车辆的性能因电池的低比功率而受到限制[4-5]。插电式混合动力城市客车运行在城市公交工况下，加速及制动更加频繁，对储能单元要求更高，单一的电池储能已经不能很好地满足车辆性能及使用寿命要求，而将复合储能系统匹配应用于城市客车是解决该难题的重要方法[6]。

1 插电式城市客车对车载储能的要求

所述复合储能系统应用于10.5 m长的插电式城市客车，车辆满载质量为16 500 kg。根据驱动电机的峰值功率，考虑效率的影响，复合储能系统最大允许的充电功率Pmax_chg和最大允许的放电功率Pmax_dis要满足式(1)和式(2)的要求：

Pmax_dis>Pmax_m/ηm+Pas

(1)

Pmax_chg>Pmax_m×ηm

(2)

式中：Pas为电动附件消耗最大功率，取15 kW；ηm为驱动电机系统平均效率，取0.92；Pmax_m为驱动系统最大功率，取150 kW。

将参数代入式(1)和式(2)中，得到储能系统最大放电功率需求为165 kW，最大充电功率需求为150 kW。

根据标准GB/T 34598-2017《插电式混合动力电动商用车技术条件》要求[7]，插电式混合动力汽车纯电动续驶里程必须≥50 km，这是插电式混合动力汽车与普通混合动力汽车的重要区别。车辆纯电动续驶里程为50 km(匀速40 km/h测试)，根据以往积累数据，能量消耗率按照0.5 kW·h/km计算，则需要配置储能系统容量不低于25 kW·h，考虑辅助系统消耗(不含空调约3～5 kW·h/h)，则需要配置储能系统容量不低于30 kW·h。

按照一般城市客车使用年限要求，车载储能系统寿命为8年。

2 复合储能系统构型分析及匹配计算

2.1 复合储能配置结构

由蓄电池和超级电容组成的复合储能系统，其配置结构一直是研究的热点之一，不同配置结构的复合储能系统具有各自的特点及适应性。

1) 电池和电容直接并联。早期的结构一般直接将两种能源并联使用[8-10]，如图1所示。

图1 直接并联式复合储能结构

这种结构的优点是主电路非常简单，相比只采用蓄电池的储能系统，在储能输入输出功率快速变化的工况下，电池系统的电流曲线更加平稳且峰值电流大幅度减小，整个复合储能输出的短时峰值功率较单一蓄电池储能系统更高，从而使复合储能中的主蓄电池循环寿命更长。但是这种结构具有非常明显的缺陷：两种储能的电压特性完全不匹配，超级电容的潜力不能很好发挥，而且在一个短时工况结束后，存在短时持续的电池与电容之间的无效电能流动，降低了整个系统效率并增加了蓄电池的充放电时间。

2) 电池端双向DC/DC并联。为了克服早期直接并联结构存在的缺点，在电池与总线间增加双向DC/DC变换器，优化主从能源的功率分配，如图2所示。

图2 电池端双向DC/DC并联式复合储能结构

这种结构使得储能源的功率容量提高；缺点在于动力电池的能量输入输出都要通过 DC/DC 变换器，能量转换效率降低。为满足纯电动模式行驶需要，双向DC/DC额定输出功率应不低于电机额定功率，从而导致其成本偏高。

3) 电容端双向DC/DC并联。在电容端引入双向DC/DC变换器，如图3所示。

图3 电容端双向DC/DC并联式复合储能结构

此方案优点是纯电动模式下动力电池可以直接输出，辅助动力单元可以直接向动力电池充电，充电效率高；但这种方案缺点也很明显：超级电容作为复合储能中的功率单元，主要完成快速大电流放电与充电，增加双向DC/DC后形成瓶颈，无法发挥超级电容本身的优势，也不能体现复合储能的优势，大功率的DC/DC意味着价格昂贵。

4) 优化的电池端双向DC/DC并联。本优化方案在电池端布置DC/DC，增加功率二级管以解决纯电动模式下双向DC/DC需求功率大的问题，如图4所示。

图4 优化的电池端双向DC/DC并联式复合储能结构

超级电容直接接入总线，高压回路可以保证较高的功率响应特性，满足车辆频繁加速及制动能量周转，提升了储能系统总体效率。此种方案缺点是：由于二极管的单向大功率，如果辅助动力单元或者电制动回馈向动力电池充电，则充电功率受到双向DC/DC功率的限制。但是考虑到插电式混合动力车辆的动力电池设计主要由外部进行充电而非采用辅助动力单元进行充电，另外，在公交工况下，一次制动能量回收有限，大部分都可以由超级电容完全回收，不需要回馈到动力电池，所以此方案的缺点在实际运行中完全可以避免。

2.2 复合储能匹配计算

根据整车对储能的要求，并结合复合储能构型，超级电容需要满足单次车辆制动能量回收需求，动力电池配置容量需要满足车辆纯电动行驶50 km要求。

2.2.1 超级电容配置容量计算

在复合储能系统中，超级电容主要用来满足车辆加速和制动能量回收需求。为实现储能系统效率与成本最优，超级电容需要配置容量满足至少1次制动能量回收需求。

设m为整车满载质量(取值16 500 kg)，Wd为车辆动能，Wf为滚动阻力Ff的能耗，Ww为风阻Fw的能耗，W为实际可回收电能，S为制动距离，ηT为传动效率(传动效率0.9～0.98，取值0.98)，η1为制动能量利用率(制动能量利用率基本<0.9，取值0.9)，ηm为电驱动系统能量转换效率(电驱动系统综合能量转换效率<0.92，取值0.92)则：

(3)

W=(Wd-Wf-Ww)×ηT×η1×ηm

(4)

根据系统电压平台，其工作电压为DC320 V～DC540 V，由上式可计算出超级电容容量最少需求为10.41 F。

选用3 000 F/2.7 V超级电容单体，18个单体串联构成48.6 V模块，12个模块串联构成超级电容储能系统。理论上其最大容量为13.89 F，最高电压为DC583 V，最大允许充放电电流为500 A(接触器使用寿命限制的电流限值)，在整车360 V额定电压下最大充放电功率达到180 kW，满足整车充放电功率要求。

2.2.2 动力电池选型与参数

综合比较，选用磷酸铁锂电池作为复合储能电池单元。磷酸铁锂电池是一种化学电池，循环寿命长达2 000次以上，具有较高性价比，容量大且没有记忆效应，可随充随用不需要先放完再充电[11]，使用起来更加便捷。

磷酸铁锂电池能量密度高但不适合大电流充放电，大电流充放电会造成蓄电池的使用寿命缩短。匹配超级电容形成复合储能系统可以很好地弥补磷酸铁锂电池大电流充放电能力的缺陷。

本项目选择国内某电池企业生产的磷酸铁锂电池，电池系统参数为100 Ah/307 V，正常工作电压范围为DC250 V～DC360 V。

2.3 测试验证

图5是实际工况下超级电容、动力电池的充放电电流曲线，超级电容最大充放电电流达到300 A，动力电池最大充放电电流60 A。

(a)超级电容充放电电流

(b)动力电池充放电电流

通过对图5中的数据进行积分计算，得知实际工况中，车辆运行百公里储能系统充电能量为81.684 kW·h，放电能量为85.217 kW·h，其中，超级电容承担了充放电总能量的70.7%，动力电池承担了充放电总能量的29.3%。因此增加超级电容构成复合储能后，相当于动力电池寿命延长了2倍以上，考虑大电流充放均由超级电容完成，电池工作在理想的小电流充放状态中，电池实际寿命预计会更长[12]，而超级电容具有良好的功率特性及百万次充放寿命，复合储能系统完全可以满足车辆8年生命周期应用需求。

3 结束语

插电式城市客车因在启动、加速、制动、停车几种状态中频繁切换，对储能系统有较高的功率特性需求及寿命要求，按照当前电池技术发展水平，采用单一的电池储能难以满足实际使用要求，车辆生命周期内储能更换成本较高。本文提出了一种采用电池与超级电容通过双向DC/DC构成的复合储能系统，不仅能够提升储能系统综合效率，且理论上可以延长电池使用寿命的2倍以上，从而实现储能系统满足车辆生命周期使用要求。

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