车载蓄电池超级电容器混合电源

王彦琨,芦 帅,张国飞,李玉瑶,王浩然

(烟台大学机电汽车工程学院,山东 烟台 264005)

随着环境气候日益恶劣,发展以“节能环保”为主题的新能源汽车成为解决汽车污染的主要途径[1]。储能技术是新能源汽车的关键技术之一,如何增加车载储能的循环使用寿命及单次使用时间,成为各大汽车厂商研究的热点[2]。常用的车载储能技术有电池储能[3]、超级电容器储能[4]、超导储能[5]、飞轮储能[6]等。电池储能技术主要采用技术比较成熟的铅酸蓄电池,汽车车速的变化会导致负载电流不固定,频繁的充放电会加剧蓄电池寿命的缩短。新兴的磷酸铁锂电池、锂离子电池、超导储能等成本较高,飞轮储能技术无污染、充电快,但其工作过程中耗损严重,仍未获得较大突破,尚待开发。文献[7]综述了相变储能技术在汽车节能中的应用进展,但在汽车中的应用较少。每种储能技术在新能源汽车中的应用,都有自己特定的优势,但单一电源具有明显的局限性,不能同时满足能量密度和功率密度的要求,混合电源储能方案的概念应运而生。采用超级电容器与蓄电池相结合组成混合电源,利用了2种电源各自的优点,兼具高功率密度和高能量密度,因此受到汽车制造商和政府的广泛关注。

混合电源有多种构型[8-9],12 V蓄电池电源可直接并联12 V的超级电容器组成混合电源,占据空间小、简单易行、无需控制,且可灵活地搭载在汽车上,提高车载电源的工作性能,特别适用于ISG(Integrated Starter Generator)系统。根据工况ISG系统频繁启动发动机,要求电源具备瞬时大电流放电、快速储存能量的特性,这种特性极大地耗损了传统蓄电池的寿命,更换加强型电池的成本很高,是传统蓄电池的几倍,而混合电源的使用可以很好地解决频繁的电流变化对蓄电池的寿命影响、避免蓄电池不能起动汽车时而不得不选择救援等问题。文献[10]中提出一种应用于混合动力汽车ISG系统的复合电源,仿真中表明复合电源的使用提高了ISG用电源的性能,且延长了蓄电池的使用寿命。混合电源可应用于增程式电动汽车动力系统中,混合电源在汽车加速时既保证了能量供应,又保证了辅助动力性,在汽车制动时,可快速回收制动产生的能量,并且可以在一定的控制策略下向蓄电池充电,超级电容器的使用可有效减少了蓄电池的充电和工作时间,进而增加整车续航时间[11]。文献[12]中提出一种基于功率分流式混合动力汽车的复合电源,仿真验证可有效地减少蓄电池的大电流放电工况,并提高整车燃油经济性。混合电源也可以用于电动助力转向系统,频繁的低速转向工况下容易导致方向盘重和“方向感延迟现象”,此类问题在电动助力转向系统中应用混合电源供电并运用优化算法可得到妥善的解决[13-14]。

本文以蓄电池超级电容器混合电源为研究对象,对其提供能量和回馈能量的工作模式进行分析,超级电容器起到大功率缓冲作用,蓄电池为低压用电负载的供应能量,同时达到车用电源比功率和比能量大的特点。混合电源有效地减少蓄电池的使用工况和更换频率,提升了循环使用寿命和车载电源的经济性。

1 工作原理

蓄电池超级电容器混合电源供电系统如图1,蓄电池和超级电容器通过IGBT直接并联,混合电源通过功率变换器变压向电机负载供电。根据负载工况和能量控制策略,控制各个IGBT开关,进而达到最佳的工作模式。

图1 混合电源结构

混合电源供电系统主要有以下4种工作模式。

(1)升压供电模式:当电机运行电压大于混合电源端电压时,混合电源通过功率变换器进行升压供电,能量流动如图2。升压供电主要是对T2进行PWM控制,调节开关占空比。T2关断时,对电容C和电机供电;当T2导通时,T1关断,TD1由于电压降低不通电,此时电机由电容C续流供电。

图2 升压供电模式

(2)降压供电模式:当电机运行电压小于混合电源端电压时,通过调节占空比,利用PWM控制K1的导通与关断,能量供应如图3。K1导通时,电源给电容C供电,K1关断时,电机电感进行续流。

图3 降压供电模式

(3)升压回馈模式:当电机进行制动时,电机工作于发电模式,当回馈电压小于混合电源端电压,控制相应IGBT进行升压回馈,能量流动如图4。通过PWM控制T1的开关和导通,调节占空比,T1断开时,向电容C回馈能量;当T1导通时,控制SW导通,回馈电流与电容C共同向超级电容器UC提供能量。此时控制S1常关断,只向超级电容器回馈能量。

图4 升压回馈模式

(4)降压回馈模式:当回馈电压大于混合电源端电压时,通过PWM控制K4的导通和关断进行降压回馈,能量流动如图5。K4关断时,电感L由于二极管的压降不通电,电机直接回馈能量给超级电容器UC;K4导通时,电容C续流,电机电感通过K4续流。

图5 降压回馈模式

2 建模仿真

混合电源供电系统包括蓄电池、超级电容器、电机和电力电子相关电路,根据相应的模型进行建模[15]。混合电源的各个等效模型如图6,由于蓄电池的充放电是一种化学反应过程,难以建立准确的数学模型,故采用理想的蓄电池等效模型。超级电容器充放电属于物理过程,可描述的模型有许多种,由于等效内阻在一定的工作时间内约为常数值,故选择理想电容C串联电阻RC组成等效模型。混合电源由蓄电池和超级电容器直接并联组成,放电总电流值为二者放电电流值之和,故可直接由蓄电池和超级电容器等效模型并联组成。

图6 混合电源等效模型

蓄电池放电电流满足:

(1)

式中,UB为蓄电池端电压,E为蓄电池开路电压,RB为蓄电池内阻,IB为蓄电池电流。

混合电源放电电流和端电压满足平衡方程式,

(2)

式中:I1为混合电源电流,U1为混合电源端电压,UUC为超级电容器电压,RC为超级电容器等效内阻。

电机主要有2种工作状态,当电机作为驱动电机时为电动状态,当电机回馈能量时为发电机,此时是发电状态。当作为电动机时,有电机电压、功率、能量平衡方程式:

(3)

Pm=UmIm,

(4)

Em=Pmtm,

(5)

式中,Um为母线电压,e为电动机感应电动势,Lm为电机绕组电感,Im为通过电动机的瞬时电流,rm为电动机电枢绕组内阻,Pm为电动机工作时所需功率,Em为所需能量,tm为电动机工作时间。

当电机运行在发电机状态时,有如下平衡方程式:

(6)

RA=eIm,

(7)

EA=PAtA,

(8)

式中,PA为发电机工作时产生的功率,EA为工作时产生的能量,tA为发电机运行时间。

由以上数学模型建立电机等效模型,如图7。

图7 电机负载等效模型

选用MATLAB/SIMULINK进行建模仿真,对混合电源供电系统进行了升压供电和降压回馈仿真。设置锂离子蓄电池和超级电容器电压初始为14.1 V,容量为10 Ah,内阻为0.02 Ω,电机选用42 V永磁直流电机,额定功率为2 kW。

当电机负载处于电动机状态时,蓄电池与超级电容器并联供电。设置阶跃式目标电流可很好地体现电源供电响应特性,如图8(a)所示,电机电流仿真值较好地跟随参考值,没有超调,混合电源供电可很好地满足电机负载的能量需求,且响应迅速。蓄电池与超级电容器通过功率变换器共同升压供电,蓄电池与超级电容器初始电压均为14 V,通过PID控制器三倍升压,如图8(b)所示,仿真升压后的电压为42 V,电机的母线电压为42 V。由以上电机电流与母线电压仿真结果可知,混合电源供电系统达到了负载电机功率需求。如图8(c)所示为混合电源各电源电流与总电流,图中各电源电流变化清晰地体现了超级电容的“削峰填谷”的特性,在0～0.5 s之间,超级电容器与蓄电池之间有能量交换,放电初始阶段蓄电池提供稳态电流供应,0.5～2 s之间,负载功率需求增大,电流也增大,此时蓄电池供应稳定的小电流,超级电容器则供应大电流,在保证负载需求的同时,也防止了蓄电池大电流的放电。

图8 混合电源供电仿真

当汽车处于能量回馈工况,电机处于发电机状态。如图9(a)所示设置回馈参考电流为30 A,由于电机转速随着汽车减速降速,电机产生的感应电动势也相应减小。图9(a)—(c),在0～3.5 s之间,混合电源处于充电模式,电机电枢回馈电流一直跟随回馈参考电流值回馈,混合电源电压逐渐上升至18 V左右,根据公式(6),电机感应电动势随车速从约41 V降至约25 V时,电机回馈电流也随之降低。在4.5 s左右,电枢电流为0 A,电机感应电动势接近14 V,能量回馈工况结束。如图9(c)所示,能量回馈时,防止蓄电池大电流充电,回馈电流主要回馈到超级电容器中,蓄电池几乎不参与电流回馈,且二者之间由于电压的变化会有电流交换。

图9 制动能量回馈仿真

3 蓄电池超级电容器混合电源充放电试验

在实验室搭建了单一电源充放电实验平台,进行单一电源充放电特性分析,并搭建了超级电容器和蓄电池直接并联组成的小功率混合电源,进行充放电试验系统和电动机控制系统,以下对部分实验结果进行了研究,分析比较单一电源、混合电源的充、放电特性。

超级电容器放电结果如图10,图10(a)为超级电容器充电实验图,随着充电的时间增加,电压随之增大,超级电容荷电状态(State of charge, SOC)值增大。图10(b)为超级电容器放电实验图,随着放电时间的增加,电压值下降越大。蓄电池放电实验结果如图11,图11(a)为蓄电池充电实验图,在充电过程中,蓄电池的电压值基本不变。图11(b)为蓄电池放电实验图,控制蓄电池以6 A的电流放电时,蓄电池电压略有下降。

图10 超级电容器充放电实验

图11 蓄电池充放电实验

混合电源放电实验结果如图12,图12(a)中蓄电池电压一直保持12 V以上,提供稳定的能量供应,超级电容器电压下降较为明显,在10 s之后,电压下降到12 V以下。如图12(b)所示,超级电容器能量密度小,功率密度大,放电速率快,故刚开始超级电容器承担了短时大电流大功率需求,随着电压值出现明显的下降,蓄电池进行主要的电流与功率供应,电流曲线呈现明显的上升趋势,超级电容器仍承担部分功率。根据功率为电压与电流乘积的公式,电源功率变化跟电流曲线趋势大致相同,如图12(c)所示,超级电容器在供电工况中承担了负载短时大功率需求,并在之后工况中承担部分功率。

图12 小功率混合电源的放电实验结果

以2A对混合电源进行充电,实验结果如图13,蓄电池端电压基本稳定在12 V左右,超级电容器端电压呈比例直线上升,SOC值迅速增大,超级电容器的使用保证了混合电源可及时地回收发电机产生的能量。通过一定的能量控制策略可保证供电工况下超级电容器充放电平衡,使得超级电容器SOC及时达到供电阈值满足能量供应,从而防止蓄电池的大电流充放电的情况。

图13 充电时混合电源的电压变化

对单一电源与混合电源充放电实验结果进行对比,放电工况中,混合电源电压更稳定,超级电容器承担了负载短时大电流需求,且分担了总功率的部分功率;在实际工况中混合电源相比于单一蓄电池供电,增强了供电电源的短时动力性需求的性能。在充电过程中,混合电源利用了超级电容器充电速率快的特性,弥补了单一蓄电池充电时间长的缺点;在制动能量回馈工况中,能量优先向超级电容器中回馈,当超级电容器SOC值达到阈值上限时,则向蓄电池中回馈能量。相比于单一蓄电池,缩短了电源回收能量的时间,提升了能源利用率。

4 小 结

研究了用于汽车的直接并联型蓄电池超级电容器混合电源系统,分析了混合电源的升、降压供电以及升、降压回馈能量的4种工作模式及控制方法。给出了各子系统的等效模型,建立了系统整体模型,基于车辆典型行驶工况,进行了仿真研究。设计了小功率实验系统,并针对不同负载以及不同充电方式,进行了充放电试验。仿真及实验结果充分证明了混合电源可充分发挥蓄电池能量密度大和超级电容器功率密度大的优势,实现了能源性能互补,从而保护了蓄电池,提升了能源利用率。