三源三充太阳能客车动力系统控制及经济性分析

2019-04-17刘剑

客车技术与研究 2019年2期

刘剑

(安徽安凯汽车股份有限公司，合肥 230051)

三源三充太阳能客车是采用慢充能量型电池和太阳能电池板，以及一个快充功率型超级电容相结合的动力系统。本文针对所设计的太阳能电池与辅助蓄电池和超级电容联合动力系统(SC+B+C)的三源三充太阳能客车动力系统控制技术进行分析，阐述其管理技术和控制策略，并进行经济性分析。

1 动力系统控制

1.1 动力系统管理

电动客车由于电池能量和端电压的限制，需要采用多块单体电池和超级电容电池进行串、并联组合，使得整个动力系统的非线性和时变性更为复杂，对动力系统的电压、电流、温度等都需要进行有效管理，这对于太阳能、超级电容电池和蓄电池的组合应用技术管理尤其重要[1]。

车辆实现不同条件的行驶功能与动力系统紧密结合在一起，对各个动力源的电压、电流、温度等时刻都要进行检测，并且还要有相应的报警提醒、SOC电量检测、超级电容剩余容量检测等辅助功能，还要根据动力电池的电量控制超级电容电池为其充放电，同时对于太阳能光伏发电系统的检测，以及用算法控制各个动力源输出最大功率以获得最大行驶里程[2]。不同动力系统都遵循特定车型的整车CAN总线通信协议，通过采集和分析CAN总线上的信号，便可准确获得各个部件和控制器系统的工作状态和实时参数[3]。

三源三充太阳能客车动力管理系统结构和蓄电池单一动力系统基本功能一致，只是由于动力源组合使得控制系统相对复杂，系统结构如图1所示,包括数据采集、数据显示、状态估计、热管理、数据通信、安全管理、能量管理和故障诊断。

1) 数据采集。采集3种电池源管理系统中的总电压、总电流以及各个模块中的电压、电流、温度等。

2) 状态估计。对3种电池源的SOC进行估计，不同SOC提供的职能不同，动力电池SOC和超级电容的SOC主要提供剩余电量的信息，太阳能光伏电池板的SOC主要提供光电转换电量、输送电量、剩余电量的信息。

图1 动力管理系统结构

3) 热管理。动力电池组和太阳能光伏电池板热管理控制策略较为复杂，当温度较低或较高时都会影响它们的工作状态，而超级电容电池自身由于超低温特性好只需要正常的不封闭通风，以使各个动力源处于较佳工作温度范围[4]。

4) 数据通信。3种电池源的管理系统与整车控制器、DC/DC转化器、电机控制器、电机ECU、市外接充电口等车载设备及上位机等非车载设备进行数据交换并发出控制指令。

5) 安全管理。针对各个管理系统的数据采集和显示等出现不安全状态时给予及时报警并进行断路等紧急处理，同时电池安装舱也要配备相应的消防灭火器具，加强整车的安全性。

6) 能量管理。对3种电池源的充放电以及光电转化过程进行控制，三源三充太阳能客车动力管理系统因各个组成部件、布置方式及控制策略不同，存在多种控制拓扑结构形式[5]。

7) 故障诊断。使用相关控制策略及时发现各动力源管理系统及控制模块内出现的故障，并对故障进行实时识别和判断，有效评价动力系统的使用性能。

1.2 系统控制策略

系统采用典型的模糊智能控制策略[6-7]。模糊智能控制策略将整车控制简化成两个部分，一是根据驾驶员输入和车速判断驾驶员对驱动功率的需求；二是根据驱动功率需求、当前太阳能电池SC、动力电池SOC值和电机转速，确定电机功率和比例因子，确定电机的目标功率值。

三源三充太阳能客车动力系统的转矩模糊控制策略是为了实现电机高效驱动，提高系统效率的目的，并且保持太阳能电池、动力电池和超级电容电池的充放电平衡，模糊控制策略的基本控制规律根据文献[8]中不同的运行模式制定。在制定模糊控制策略前，根据电机高效区确定其最佳工作点，如图2所示，电机转矩2 100 N·m高效区转速在800～1 500 r/min。

图2 电机高效区

电机工作在最佳区域，除了满足当前车辆行驶扭矩需求，滑行和制动回收的电量通过电机给动力电池和超级电容电池充电；电量输送电能优先级顺序为：太阳能电池、动力电池和超级电容电池。

在太阳能车的发电系统中,光伏阵列是最为关键的部分，有利于优化整个系统的性能设计,便于缩短研发周期,提高系统的可靠性和总体效率,为光伏发电阵列的建模仿真提供理论依据。

模糊逻辑可以由电机效率工作曲线图确定输出参数，电机输出功率的大小受到整车功率需求、太阳能电池SC、动力电池SOC和超级电容电池OC状态的影响，所以选取道路总的需求扭矩Tr与电机优化扭矩差值ΔT、太阳能电池SC、动力电池SOC和超级电容电池OC作为模糊逻辑控制器的输入变量，功率系数K为输出变量，控制逻辑如图3所示。

图3 控制逻辑拓扑图

可以利用C语言定义,差值ΔT的描述为ΔT={“负大、负小、零、正小、正大”}

变量动力电池SOC值的描述为SOC={“过低、偏低、适中、高”}={“NB、NS、O、PS”}

变量太阳能电池SC值的描述为SC={“low、normal、high”}

变量超级电容电池OC值的描述为OC={“过低、低、零、高、过高”}

变量K值为K={0、0.75、0.8、0.85、0.9、1}

当ΔT是“负大”，SOC是“NB”，且OC“过低”，SC为“high”时，则K为“1”，车辆目标扭矩电能由太阳能电池输出电能；当ΔT是“负大”，SOC是“PS”，且OC“过低”，SC为“low”时，则K为“0”，车辆需求扭矩电能由动力电池输出电能；从而完成三源三充太阳能客车动力系统模糊智能控制策略。

2 三源三充太阳能客车经济性分析

以8.5 m左右的三源三充太阳能客车、纯电动客车及传统燃油车进行经济性对比分析。

2.1 三源三充系统的经济性

文献[8]对此动力系统进行了匹配计算：动力电池的功率为27 kW，共7箱电池；8个超级电容模组；车顶安装96×6=576个标准太阳能电池(12.5 cm×12.5 cm)，峰值功率24.96 kW,对比纯电动客车整备质量计算，太阳能电池总重量为21×6=126 kg,超级电容8个模组总重量为113.6 kg，少7箱动力电池共计1 400 kg。因此三源三充太阳能客车整备质量:8 200-1 400+126+113.6 =7 039.6 kg。

1) 购车成本。太阳能电池阵列组件的价格为2.5元/W[9]，对于小型光伏发电系统，其寿命周期成本[10]C为：

C=CsW+CbWb=2.5×24 960+2.2×27 000=121 800元

式中：Cs为光伏组件的单价；W为太阳电池峰瓦数；Cb为动力电池的单价；Wb为动力电池的功率。 3 000 F单体的超级电容8个模组,所需成本5 000×8=40 000元,其他车体成本共450 000元,购车成本:121 800+40 000+450 000=611 800元。

2) 运营成本。假如太阳能电池组件以22%的转换效率[11]，1 kW光伏发电系统日均垂直太阳辐射为11.347 MJ/(m2·d), 太阳照射时间按0.5天计算,则太阳电池的能量为[12]：Q=ηEst=0.22×11.347×0.125×0.125×576×0.5=11.23 MJ/(m2·d)，因1 MJ =0.28 kW·h，所以发电量为11.23×0.28=3.14 kW·h,逆变器的转换效率按90%来计算,该系统每天发电量为24.96×0.9×3.14=70.5 kW·h，日行驶里程200 km,年运行360天,整车使用周期8年,动力电池使用周期5年, 太阳能电池板寿命为10年,百公里耗电 65 kW·h(不开空调),市电单价0.56元/度，年使用成本：(65×2-70.5)×360×0.56=11 995.2元，保险30 000元/年，电池更换成本150 000元左右，总运营成本：11 995.2×8+30 000×8+150 000=485 961.6元。

3) 补贴。国家分布式光伏项目的电价为每千瓦时0.42元,按照每天运营8小时制, 整车使用周期8年,补贴为24.96×8×0.42×360×8=241 532元。

总投入成本=购车成本+运营成本-补贴=856 229.6元。

2.2 纯电动车系统的经济性

市场现有纯电动城市客车型号: HFF6853G03 EV1, 整备质量8 200 kg, 磷酸铁锂电池容量218.54 kW·h。

1) 购车成本。国内市场购车成本550 000元。

2) 运营成本。假设纯电动城市客车日行驶里程200 km,年运行360天,整车使用周期8年,动力电池使用周期5年,百公里耗电75 kW·h,市电单价0.56元/度，年使用成本：75×2×360×0.56=30 240元，保险30 000元/年，若动力电池2023年后以450元/度进行电池更换，厂商毛利20%， 4S店盈利30%，则换电池成本：218.5×450×120%×130%=153 387元，总运营成本：30 240×8+30 000×8+153 387=635 307元。

3) 补贴。2018年8.5 m纯电动补贴200 000元左右。

总投入成本=购车成本+运营成本-补贴=985 307元。