基于改进工作模式的复合电源能量管理研究

2021-08-30樊雪莲宋卫平张继禹

太原科技大学学报 2021年4期

樊雪莲，宋卫平，张继禹

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

目前，一种新型电源超级电容因具有循环使用寿命长、比功率高且能快速充放电等优势而成为研究热点。为了提高电动汽车的动力性能，把蓄电池与超级电容组合成复合电源系统，不仅可以缓解电池的工作负荷，还可解决蓄电池峰值功率输出不足的缺点[1-2]。如何有效的分配复合电源的能量，合理的分配两者之间的功率，是电动汽车获得良好性能的前提[3-6]。多数文献研究如何让超级电容更充分、更高效的对再生制动能量进行回收，并发挥其“削峰填谷”的作用[7-9]。但是，当电动车辆具有高功率需求且蓄电池组容量不足而超级电容器组容量充足时，传统的电动汽车复合电源的工作模式已经无法很好应对该情况。因此，考虑了超级电容器组单独工作的新工作模式，基于改进的复合电源工作模式对复合供电系统的高效运行具有深远的意义。

针对目前研究的不足，对复合电源的工作方式进行了改进，即增加了超级电容器组单独工作的新工作模式。同时对汽车正常行驶时的功率需求等进行分析，建立合理、有效的能量控制策略模型，使电动车的整车性能得到提高。采用高级车辆仿真软件ADVISOR在逻辑门限控制策略下进行建模和仿真。实验结果表明了该方法的可行性和优越性。

1 复合电源结构选型

在进行复合电源的结构设计时，需要考虑蓄电池与超级电容器的连接形式。电动汽车复合储能系统常见的结构有被动式、半主动和全主动，这是动力电池、超级电容器和双向DC/DC变换器之间的不同连接方式。文献[10-13]详细介绍了复合电源结构的优缺点。常用的双向DC/DC变换器并联结构有图1(a)、(b)所示两种。

图1 复合电源系统结构图

图1(a)中，双向DC/DC变换器和蓄电池串联，再并联超级电容，该结构中变换器调节蓄电池两端电压，改善其输出特性。超级电容在该结构中可发挥大电流快速充放电的优势，但主能量源蓄电池输出功率须经由双向DC-DC 变换器，使复合电源的工作效率降低。

图1(b)中，超级电容通过双向DC/DC变换器再并联蓄电池的结构，电池与母线直接连接，提高了主电源能量的利用效率。而蓄电池具有更高的能量密度，直接连在母线上也有利于响应负载的能量需求。双向DC/DC变换器调控超级电容的电压，提高超级电容对需求功率的响应速度，从而更好的控制复合电源的功率输出，发挥复合储能系统各储能单元的优势，又可避免复杂的控制环节。此处选择图(b).

2 复合电源系统建模

2.1 复合电源工作模式分析

在原蓄电池组单独驱动、蓄电池组和超级电容器组共同驱动、再生制动、纯充电等传统工作模式的基础上，加入超级电容器组单独工作的模式，建立了改进复合电源的工作模式。在该工作模式中，电动汽车功率需求较高且蓄电池组容量不足，而超级电容器组容量充足，此时超级电容器组单独工作就能够满足电动汽车对功率的短时要求。复合电源的工作模式对应的流程图如图2所示。

图2 逻辑门限控制流程图

①当汽车处于低速或匀速运行时，电动汽车正常行驶且功率需求Preq小于平均功率Pave.由于蓄电池组具有高能量密度的优势，因此，蓄电池组能持续为车辆提供所需功率，此时超级电容器组可以不工作。

②当汽车处于加速上坡等高负荷行驶时，电动汽车功率需求大于平均功率(Preq>Pave).由于蓄电池组不具备瞬时提供大功率的能力，因此，为了满足电动汽车正常功率需求，要求超级电容器组和蓄电池组相互配合工作。但是，当电动汽车功率需求较高且蓄电池组容量不充足而超级电容器组能量大于其上限值(SOCcap>0.95)的情况下，超级电容可以单独提供电动汽车对功率的短时需求。

③当电动机处于减速制动(Preq<0)时，电机工作在发电状态，需要向复合电源系统回馈充电。如果SOCcap<0.95时，利用超级电容器组在瞬时能量回收中的优势，此时需为超级电容器组充电；超级电容器组的SOCcap达到上限时，应将制动能量回送给蓄电池组。

④电动汽车停止时考虑超级电容的SOC是否处于其下限值。当SOCcap<0.6时，则需要使用蓄电池组为超级电容器组充电，为电动汽车起步做准备。

2.2 复合电源控制策略建模

根据流程图2，建立逻辑门限控制策略模型，见图3.电动汽车的功率需求Preq用作控制流程的输入，逻辑判断依据是设定的平均功率Pave和超级电容的荷电状态SOCcap，目的是让蓄电池组和超级电容器组能合理的分配功率。

图3 逻辑门限控制策略仿真结构图

在对汽车仿真软件ADVISOR进行二次开发的基础上，在纯电动汽车整车模型BD_EV中加入超级电容模型、功率总线模型、双向DC/DC变换器模型和功率分配策略模型[14]，复合电源模块如图4所示。

在ADVISOR顶层模块中，加入图4开发的仿真模型，建立复合电源为整车能源的电动汽车仿真模型，如图5所示。

图4 复合电源模块

图5 复合电源电动汽车顶层模型

3 仿真分析

3.1 参数设定

在进行仿真分析时，选用符合电动汽车实际运行且额定功率为75 kW的电机，选用单节额定电压为3.7 V和2.7 V的锂离子电池和超级电容电池，且数目分别为110节和145节。

3.2 仿真工况

为验证复合电源的有效性，模拟频繁启停加速的情况，选用ADVISOR中的常用的美国城市驱动工况(CYC_UDDS)作为复合储能系统中电动汽车的仿真工况。CYC_UDDS工况速度-时间图，如图6所示。CYC_UDDS工况主要参数如表1所示。从表1中可得正负平均需求功率分别为Pavep=17.51 kW,Paven=4.558 kW.

表1 工况参数表

图6 工况速度-时间图

3.3 仿真结果分析

①单一能源对比复合电源蓄电池电流的仿真

以蓄电池为单一能源和以复合电源为能源的电动汽车在工况CYC_UDDS下分别利用Matlab/Simulink中的ADVISOR进行仿真，仿真结果如图7所示。

图7 动力电池电流对比图

从图7看出，在电流波动方面，流过复合电源蓄电池的电流波动程度相较于流过单一能源蓄电池的电流波动程度要低；在电流幅值方面,使用蓄电池作为单一能源为电动汽车供能时，流过蓄电池的最大电流约为110 A；而采用复合电源为电动汽车供能时，在逻辑门限控制策略的作用下，流过复合电源中蓄电池的最大电流约为68 A，相当于将流过蓄电池的电流幅值降低了38.1%.

说明复合电源相比于单一能源在抑制蓄电池大电流放电上有明显优势。

②改进工作模式的逻辑门限能量控制策略仿真

在CYC_UDDS循环工况下，使用逻辑门限控制方法分别在传统工作模式和加入超级电容器组单独工作的改进工作模式下制定复合电源能量管理策略，并使用ADVISOR进行仿真。电流仿真图如图8所示和仿真结果放大图如图9所示。

图8 新旧工作模式电流对比图

图9 新旧工作模式电流对比放大图

如图8和放大图9所示，其中实线是改进工作模式下流过锂电池的电流，虚线是传统工作模式下流过锂电池的电流，从放大图9中可以明显看出实线部分的电流幅值波动程度较虚线低,且改进工作模式下流过锂离子电池组的最大电流比传统工作模式下流过锂离子电池组最大电流减小了24.16 A，相当于将流过蓄电池的电流幅值降低了36.6%.结果证明了改进工作模式下制定的能量控制策略更有助于降低流过锂离子电池组的电流，减少峰值电流对蓄电池的冲击，延长蓄电池的循环使用寿命。