一种电动汽车用42V混合电源的研究*

尚鑫波



一种电动汽车用42V混合电源的研究*

尚鑫波

（烟台大学机电汽车工程学院，山东 烟台 264005）

为了满足电动汽车的发展需求，文章提出了一种由超级电容和可串并联切换的蓄电池组组成的42V混合电源，蓄电池能量密度大，作为主能源提供车辆运行期间的能量需求，超级电容功率密度大，作为辅助能源提供瞬时大功率需求，充分发挥两者优势，能有效地延长蓄电池的使用寿命。所提出的42V混合电源既可以作为储能元件驱动车辆行驶，又可以为电气设备提供电能，而且可以根据负载额定电压切换蓄电池连接方式，实现变压供能，提高混合电源的能量利用率。

42V；混合电源；电动汽车；仿真

前言

随着汽车技术的快速发展，人们对汽车的安全性及舒适性要求越来越高，各种各样的电气设备被应用到汽车上，传统的14V电源已不能完全满足系统需求。为了解决相应问题，需要通过提高汽车电源电压来增加其功率输出，42V作为下一代的标准化电源而受到关注[1]。42V电源是车载低压电源的发展方向，既可以用于传统燃油汽车，也可以用于新能源汽车。2001年日本丰田公司首次将42V电源成功应用到皇冠汽车上，并且实现量产。2008年上海华普汽车研发出了一款42V电压并联ISG的轻度混合动力汽车，并且首次使用超级电容做储能元件，大大降低了整车成本，提高了燃油经济性[2]。

蓄电池与超级电容组成的混合电源是车载电源的研究重点之一，既可以作为车辆的驱动电源，也可以作为电气设备的供电电源。蓄电池具有较高的比能量，超级电容则具有较高比功率，两者优势互补，可以满足电动汽车对比能量和比功率的双重需求[3]。

1 42V混合电源结构

本文提出一种应用于电动汽车的42V混合电源，蓄电池作为能量存储模块为车辆提供电能，超级电容作为功率缓冲单元瞬时释放功率，混合电源既可以直接输出14V电压，也可以通过DC-DC功率变换器升压后输出42V电压，比较符合汽车电源的发展方向[4]。

42V混合电源结构如图1所示，混合电源由2组可串并联切换的蓄电池、1组超级电容和2个DC-DC功率变换器组成。超级电容通过DC-DC功率变换器和2组蓄电池连接，由超级电容和蓄电池组组成的混合电源通过DC-DC功率变换器和驱动电机或电气设备连接，可以实现2种工作模式：14V输出和42V输出。

图1 42V混合电源

2 42V混合电源工作模式

2.1 14V输出模式

当驱动电机或电气设备的额定电压为14V时，混合电源工作于14V输出模式。如图2所示，S1、S2、S3断开，两组蓄电池并联放电；V1、V2、V3、V4断开，两个DC-DC功率变换器均不工作，超级电容和蓄电池组并联组成一个14V混合电源，直接为负载提供电能。

图2 14V输出模式

2.2 42V输出模式

图3 42V输出模式

当驱动电机或电气设备的额定电压为42V时，混合电源工作于42V输出模式。如图3所示，S1、S3断开，S2导通，两组蓄电池串联放电；V1、V3断开，V2、V4由PWM信号控制，两个DC-DC功率变换器工作于升压状态，超级电容升压后和蓄电池组并联组成一个28V混合电源，然后混合电源升压至42V为负载提供电能。而且，两个DC-DC功率变换器的升压比都控制在理想的范围内，提高了DC-DC功率变换器的效率[5]。

3 仿真研究

为了验证所提出的42V混合电源的正确性和有效性，本文在MATLAB/Simulink环境中对其进行了仿真研究，仿真模型如图4所示。仿真参数如下：设置蓄电池电压为14V，容量为6.4Ah；超级电容电压为14V，容量为200F；负载为永磁直流电机，0～0.4s时额定电压为14V，0.4～1s时额定电压为42V。

图4(a) 整体仿真模型

图4(b) 混合电源仿真模型

当42V混合电源向负载提供能量时，混合电源输出端电压和负载端电压的变化曲线如图5所示。0～0.4s时，负载参考电压设置为14V，此时2组蓄电池并联放电，混合电源中的DC-DC功率变换器不工作，混合电源输出电压为14V，直接为负载提供能量；0.4～1s时，负载参考电压设置为42V，此时2组蓄电池串联放电，混合电源中的DC-DC功率变换器工作于升压模式，超级电容升压后与蓄电池并联放电，混合电源输出电压为28V，并经过二次升压至42V后为负载提供能量。仿真结果证明了本文提出的42V混合电源中可串并联切换的蓄电池组的可行性，而且该混合电源既可以提供14V电压，也可以提供42V电压，实现可变电压供能。

图5 混合电源输出端电压和负载端电压变化曲线

混合电源电流变化曲线如图6所示，混合电源总输出电流为蓄电池输出电流和超级电容输出电流之和，蓄电池输出电流较小且输出平稳，超级电容承担了大部分的总输出电流，电流大小随总电流大小的变化而变化，电流波动较大。仿真结果证明本文提出的42V混合电源可以防止蓄电池大电流放电，延长其使用寿命。

图6 混合电源电流变化曲线

4 结论

本文提出的由超级电容和可串并联切换的蓄电池组组成的42V混合电源具有以下优点：

（1）混合电源中加入可串并联切换的蓄电池组可根据负载额定电压输出14V或42V电压，实现可变电压供能。

（2）混合电源中加入超级电容作为能量缓冲单元，可以承担混合电源的大部分输出电流，对蓄电池的功率输出起到了削峰填谷的作用，大大延长了蓄电池的使用寿命。

[1] 贾要勤译.汽车电源的42V化技术[M].北京:科学出版社,2008.

[2] 周夏威.42V混合动力汽车的动力系统仿真及特性分析[D].吉林大学,2015.

[3] 张卫,杨珏,张文明等.纯电动汽车蓄电池-超级电容复合能源系统研究[J].电测与仪表,2018:1-10.

[4] 马国清,丛宁,任桂周.一种混合动力汽车ISG系统用低压复合电源[J].电源技术,2015,39(08):1719-1721+1789.

[5] 任桂周,常思勤.一种电动汽车能量高效回馈制动方法[J].电网技术,2011,35(01):164-169.

A design of 42V hybrid power source for electric vehicles*

Shang Xinbo

( College of Mechanical and Electrical Engineering, Yantai University, Shandong Yantai 264005 )

In order to meet the development needs of electric vehicles, a 42V hybrid power source consisting of Ultra- capacitor (UC) and series-parallel switchover battery banks is proposed in this paper. Battery which has high energy density as the main power source provides energy of the vehicle in driving operation. With high power density, UC as the auxiliary source provides instantaneous high power. The advantages of both are fully utilized, and battery life is effectively increased. The proposed 42V hybrid power source can be used as an energy storage component to drive vehicle, and can also provide energy for the electrical equipment, which can switch connection of two batteries according to the load voltage to realize the variable voltage energy supply and improve the energy utilization rate of the hybrid power source.

42V; Hybrid power source; Electric vehicles; Simulation

U469.72

A

1671-7988(2019)07-20-03

尚鑫波，硕士研究生，就读于烟台大学机电汽车工程学院。主要研究方向为新能源汽车能量变换和存储技术。

烟台大学研究生科技创新基金（编号YDYB1801）资助。

U469.72

A

1671-7988(2019)07-20-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.005