纯电动汽车800 V高电压复合电源能量分配策略研究

田丽媛，王志豪，刘孝飞

(长春工业大学机电工程学院，吉林长春 130012)

0 引言

纯电动汽车(blade electric vehicles,BEV)在国家的大力支持及相对环保的情况下，近些年越来越受国内外汽车行业的关注，并且纯电动汽车还有结构简单、容易控制、噪声小、能源容易获得等优点。虽然纯电动汽车在发展过程中取得了丰硕的成果，也出现了许多质量较好的品牌，但电池技术仍然制约着纯电动汽车的发展。由于电池的比功率小，当电动汽车起动、加速、低速、上坡、快速制动等大功率工作时，会使电池的充放电电流过大，造成电池的使用寿命降低。超级电容正好能够弥补这个缺点，超级电容具有比功率大和充放电快的优点，适合短时间的功率输出和制动能量回收。可采取动力电池-超级电容复合电源共同为汽车供电的方法，使用超级电容承担大电流，减少对动力电池的冲击。

动力电池与超级电容组合成复合电源后互相取长补短，既有动力电池的高比能量又有超级电容的高比功率，提高了纯电动汽车电源系统的整体性能，因此复合电源的结构和能量控制策略成为研究热点。常见的复合电源结构主要有动力电池与超级电容直接并联，动力电池和DC/DC变换器串联后再与超级电容并联，超级电容和DC/DC变换器串联后再与动力电池并联，动力电池与超级电容分别串联DC/DC变换器后再并联等。复合电源能量控制策略多以逻辑门限控制策略、模糊控制策略和模型预测控制策略为主，在其基础上进行改动或添加控制元素来改善复合电源工作情况。

文中以相同功率条件下电压越大电流越小的想法出发，提高超级电容的电压值以减小能量损耗，并以动力电池电压、需求功率、超级电容和动力电池的限制值为门限值建立逻辑门限值控制策略，以ADVISOR2002软件的单一电源纯电动汽车模型为基础进行修改，建立新型复合电源纯电动汽车整车模型，验证控制策略的有效性。

1 复合电源结构分析

为了提高能量分配策略的控制效果，需要找到合适的复合电源结构，充分发挥超级电容器高比功率，从而提升车辆的动力性和经济性。文中设计的复合电源在汽车起步时动力电池与超级电容共同放电，在减速行驶时为超级电容迅速充电，电压最大可达800 V，再次加速行驶时超级电容单独工作直至电压降至电池电压。由于此工作模式的特殊性，文中的复合电源结构上采用动力电池和带有理想开关的DC/DC变换器串联，后再与超级电容并联。其中，动力电池是主要供能装置；超级电容是辅助供能装置；采用单向降压DC/DC变换器，在整个模型中的作用是将制动回收的电压降低后给动力电池充电并保护动力电池；理想开关控制动力电池是否参与驱动。复合电源结构如图1所示。

图1 复合电源结构

2 能量分配控制策略

复合电源能量分配策略的作用是让复合电源在不同工况下都能为电机提供充足的能量，使能源利用率达到最大化，并且对各个部件有保护效果。汽车在行驶过程中有4种工作模式：①动力电池与超级电容共同供电模式；②超级电容单独供电模式；③超级电容单独回收能量模式；④动力电池单独回收能量模式。

面对纯电动汽车在行驶过程中复杂变化的工况及动力电池与超级电容的快速电压对比要求，文中采用了反应速度快且容易控制的逻辑门限控制策略对上述能量分配方法进行验证。该策略可以在不同工况下顺畅地切换，并对纯电动汽车的动力性能及经济性能起到优化作用，也很好地发挥了复合电源纯电动汽车在城市中行驶的优势，逻辑门限控制策略如图2所示。

图2 逻辑门限控制策略

图2中为电机需求功率；为超级电容输出功率;为动力电池输出功率;为超级电容端电压;为动力电池端电压;为动力电池荷电状态值;为动力电池最大荷电状态值;为超级电容荷电状态值;为超级电容最小荷电状态值;为超级电容最大荷电状态值。

逻辑门限控制规则以需求功率值来确定电动汽车处于驱动状态还是制动状态，如果>0则为驱动状态，反之则为制动状态。在驱动状态下，当超级电容电压等于动力电池电压时，由动力电池单独提供所需功率;当超级电容电压大于动力电池电压时，由超级电容单独供电;待到超级电容供电过程中电压下降到和动力电池电压相同时，再由动力电池与超级电容共同供电，但超级电容直接与动力电池并联电压保持一致，因此功率输出由动力电池单独提供。在制动状态下，当超级电容荷电状态值小于最大值时，由超级电容单独回收能量;当超级电容荷电状态值不小于最大值且动力电池荷电状态值小于最大值时，由动力电池单独回收;若动力电池与超级电容都达到饱和状态，则剩余的回收能量在电路中消耗掉。

3 仿真分析

3.1 仿真车辆参数

复合电源性能参数见表1。与大多数复合电源不同的是，为了充分地发挥新型复合电源结构的节能优点，采用了71 F的小容量超级电容，减少了在超级电容上的成本。整车基本参数见表2，整车性能参数见表3。

表1 复合电源性能参数

表2 整车基本参数

表3 整车性能参数

3.2 基于ADVISOR的整车仿真模型

在ADVISOR中将原有的EV顶层模型进行二次开发，添加超级电容模块，并建立逻辑门限控制策略将动力电池与超级电容连接，搭建出复合电源纯电动汽车整车仿真模型，如图3所示。复合电源控制策略模型如图4所示。

图3 整车仿真模型

图4 控制策略模型

3.3 仿真结果分析

通过典型城市循环工况数据，对ADVISOR二次开发所建立的新构型复合电源纯电动汽车整车模型，及以相同数据建立的两个对比模型(超级电容与双向DC/DC变换器串联、与动力电池并联的传统复合电源模型；单一电源模型)进行仿真分析和数据对比，验证了新型复合电源的有效性。新构型复合电源纯电动汽车整车模型在典型城市循环工况速度跟随曲线如图5所示。

图5 典型城市循环工况速度跟随曲线

新型复合电源电池、传统复合电源电池、单一电源电池对比曲线如图6所示。由图可以看出，曲线下降速度明显慢于与，在单个UDDS循环工况下，下降到0943 7，下降到0935 5，下降到0933 6。比少下降0008 2，比少下降0010 1。由此可证明文中采用71 F小容量超级电容的新型复合电源结构对电池续航能力有很大的提高。

图6 动力电池SOC对比曲线

图7为传统与新型复合电源超级电容电压对比曲线。由图可以看出，传统复合电源超级电容电压在400 V以下，新型复合电源超级电容电压在400～800 V。由式=与=可知,在输出相同功率时，大电压超级电容能够有效地减小电流，从而减小能量损耗。

图7 传统与新型复合电源超级电容电压对比曲线

图8为传统与新型复合电源超级电容电流对比曲线。由图可以看出，新型复合电源的超级电容电流几乎是传统的1/2，进一步验证了大电压超级电容和文中的控制策略在复合电源中的节能作用是巨大的。

图8 传统与新型复合电源超级电容电流对比曲线

新型复合电源电池、传统复合电源电池及单一电源电池电流对比曲线如图9所示。新型复合电源电池电流相对于传统复合电源电池及单一电源电池电流都略低一些，并且在电量回收阶段和汽车起步阶段新型复合电源由超级电容单独工作，此时电池电流为零，这些都说明新型复合电源结构有效地减小了电池的电流，对电池起到了一定的保护作用，能够有效地减小电池的损耗和提高电池的使用寿命。

图9 3种不同结构的电源电池电流对比曲线

4 结论

文中采用逻辑门限控制策略对所提出的拓扑结构及能量分配方法进行建模，并结合ADVISOR软件进行二次开发搭建复合电源纯电动汽车整车仿真模型，然后在典型城市工况下进行仿真分析，并与传统的复合电源和单一电源进行数据对比。结果表明，文中的新型拓扑结构及供电模式在逻辑门限控制策略下，不仅充分发挥了传统复合电源对电池的削峰填谷作用和快速充放电的优点，还应用低成本的小容量超级电容大幅提高了电池的续航能力，并且通过超级电容大电压放电的工作模式减少了能量损耗。