纯电动汽车复合电源系统结构设计

石 浪，申荣卫，关瑞元

纯电动汽车复合电源系统结构设计

石 浪，申荣卫*，关瑞元

（天津职业技术师范大学 汽车与交通学院，天津 300222）

以纯电动汽车复合电源系统为研究对象，对四种传统的复合电源拓扑结构具有的优势和局限性进行分析和研究；以超级电容主控式的复合电源为基础，设计了一种新型复合储能系统拓扑结构，超级电容全程参与工作，利用率得到显著提高。为验证新型拓扑结构的合理性，在AVL Cruise下进行了仿真，仿真结果表明，相比于传统复合电源结构的电动汽车，该新型结构使动力电池充放电电流进一步减小，且整车的续驶里程得到了进一步提高。

复合电源；结构设计；AVL Cruise

目前，纯电动汽车主要以单一锂离子电池作为驱动源，然而锂电池存在一定的局限性，功率密度较低、比能量密度已经无限接近其理论上限[1]。当车辆处于启动、急加速、长爬坡、紧急制动等复杂工况时，动力电池将处于大功率工作状态，流经电池的电流较大，会加快电池老化，电池寿命下降带来了一定的安全风险，提高使用成本[2]。超级电容具有比功率高、可快速充放电、使用寿命长和受温度影响小等性能优势[3]。超级电容和动力电池组成的复合电源，电池被当作主要能量源，用以满足续航里程需求，超级电容作为辅能量源，协助电池工作，避免大电流损害电池自身，起到保护电池、放缓电池老化速率和延长电池使用寿命的作用[4]。孙宝文等[5]对双向直流变换器（Direct Current-Direct Current, DC-DC）变换器开关频率高、损耗以及拓扑控制复杂这一缺陷，提出了一种双向流动的DC-DC变换器拓扑结构；邱浩等[6]利用超级电容和蓄电池组成的复合电源，设计了一种高频电力电子器件的电机传动主电路的新型拓扑结构。

本文在原有超级电容和动力电池组成的复合电源拓扑结构结构基础上，设计了一种新型复合电源拓扑结构，在该结构中超级电容全程参与工作，利用率得到显著提高。且仿真实验表明，该结构能够提高电动汽车动力性和制动能量回收效率，减少电路中能量损耗，提高整车续驶里程。

1 新型复合电源系统结构设计

复合电源纯电动汽车的复合电源系统是以动力电池为主、超级电容为辅的能源结构，如图1所示，粗实线为机械连接，细实线为电气连接。

图1 复合电源系统传动结构

传统的复合电源结构按动力电池、超级电容和DC-DC变换器的连接方式不同，将其分为被动式、动力电池主动式、超级电容主动式和全主动式4种结构[7]。考虑到复合电源系统电流的可控性、电机运行的稳定性等因素，以超级电容半主动式为基础，设计了一种新型的复合电源拓扑结构如图2所示。因保留了超级电容作为辅助能源的工作方式，超级电容可通过DC-DC变换器串联后与动力电池共同参与功率输出，充分发挥了超级电容的优势并提高了利用率。

图2 新型复合电源系统拓扑结构

2 新型复合电源结构工作模式

车辆在行驶过程中会有启动、急加速、恒速、减速和爬坡等各种复杂工况，新型复合电源系统可以有效应对车辆在复杂环境下的大电流放电和在制动情况下高效的能量回收，充分发挥出超级电容的优势，避免了动力电池大电流充放电的情况，延长了电池寿命并提高车辆续驶里程。为充分发挥新型复合储能系统的优势，设计了动力电池单独放电、超级电容单独放电、组成复合电源共同放电、超级电容单独回收制动能量、动力电池单独回收制动能量五种工作模式。

1）动力电池单独驱动电机模式。如图3所示，在超级电容电压小于等于动力电池电压，且电动汽车需求功率较小时，控制开关断开，动力电池单独驱动电机，动力电池会根据超级电容能量情况为其充电。此时，超级电容几乎无电压输出，动力电池单独驱动电机。

2）超级电容单独驱动电机模式。如图4所示，当电动汽车处在启动、急加速、爬坡，且超级电容电压高于动力电池电压时，智能控制开关闭合，超级电容以高电压进行瞬时放电以满足车辆大功率放电需求。

图4 超级电容单独驱动电机模式

3）动力电池与超级电容共同驱动电机模式。如图5所示，在整车对功率和能量需求较大，如持续爬坡，超级电容电压小于动力电池电压等情况时，仅单个电源工作不能满足整车的性能需求，需要DC-DC变换器参与工作，而控制开关此时不参与工作，使动力电池和超级电容组成的复合电源满足整车功率需求，驱动车辆行驶。在复台电源工作过程中，动力电池以恒功率输出，超级电容作为辅助电源提供其余功率输出，避免动力电池大功率放电，保护了动力电池，并提升了其工作效率。

图5 动力电池与超级电容共同驱动电机模式

4）超级电容单独回收能量模式。如图6所示，电动汽车处于制动时，电动机在提高整车制动力的同时，利用电机反电动势特性进行制动能量回收。当超级电容电池荷电状态（State Of Charge, SOC）低且剩余可储存能量大于等于此时制动能量时，智能控制开关闭合，由超级电容单独回收制动能量。此工作条件下能量回收效率高，能量损耗低。

图6 超级电容单独回收制动能量模式

5）动力电池单独回收制动能量模式。如图7所示，电动汽车处于制动能量回收，若超级电容SOC达到预设上限值时，此时，由动力电池回收剩余制动能量，智能控制开关不工作。因超级电容在车辆制动时优先进行了制动能量的回收，当动力电池进行制动能量回收时，制动功率较小，动力电池没有进行大电流充电，不会对电池造成损坏，但动力电池单独回收制动能量情况较少。

图7 动力电池单独回收制动能量模式

与传统的复合电源拓扑结构相比，新型复合电源拓扑结构工作方式更加灵活，且采用的核心部件只有一个DC-DC 变换器和一个智能控制开关，拓扑结构设计合理。在智能控制开关快速调节下，能够实现超级电容串并联和高低压切换，可适应各种复杂运行工况，充分利用了超级电容的优势，提高了整车动力性和经济性。

3 新型复合电源拓扑结构仿真分析

3.1 控制策略的设计

复合电源系统设计过程中，以电机需求功率rep的正负来判断工作模式（rep>0时为电驱动模式，rep<0时为制动模式），进而合理地将整车需求功率分配给动力电池和超级电容，充分发挥两者优势，在保障动力性的前提下，减少动力电池大电流充放电现象，延长电池寿命。逻辑门限值控制策略因运算量少，可靠性高且不需要过于精确的模型。因此，选择简单的逻辑门限值控制策略对复合电源进行控制，来验证所设计的新型拓扑结构的合理性。逻辑门限值控制逻辑流程如图8所示，rep为电机需求功率；cap为超级电容输出功率；bat为动力电池输出功率；cap为超级电容端电压；bat为动力电池端电压；bat为动力电池SOC值；bat_max、bat_min分别为动力电池SOC上限阈值和下限阈值；cap为超级电容SOC值；cap_max、cap_min分别为超级电容SOC上限阈值和下限阈值。

图8 逻辑门限值控制流程

1）当需求功率rep>0时，此时电机为电驱动模式。超级电容电压大于动力电池电压时，超级电容侧智能控制开关闭合，单独为驱动电机电源，满足车辆所需的大功率。此时动力电池几乎不参与工作。超级电容电压小于动力电池电压时，控制开关不参与工作，超级电容SOC处于较高值，即cap>cap_min时，超级电容经DC-DC变换器升压后，作为辅助电源与动力电池共同为电机提供能量，避免动力电池大功率放电，损坏电池；当超级电容的SOC处于cap

2）当需求功率rep<0时，此时电机处于制动能量回收模式。根据超级电容和动力电池的SOC值来确定车辆制动回收能量方式。当超级电容SOC值小于设定的上限阈值，超级电容先回收制动能量；当超级电容SOC值大于设定的上限阈值，且动力电池SOC值小于其设定的上限阈值时，由电池回收超级电容不能完全吸收的制动能量。否则动力电池不吸收剩余的能量，再生制动能量以热能消耗。

3.2 仿真分析

以AVL Cruise软件自带仿真模型数据为基础，对车辆在新欧洲驾驶周期（New European Driving Cycle, NEDC）工况下进行仿真，验证设计的新型复合电源拓扑结构的可行性，仿真模型如图9所示。

车辆在NEDC工况下车速跟随曲线如图10所示。由图可知整车需求车速和实际车速拟合效果很好，说明设计的车辆满足循环工况要求。

新型复合电源结构和传统的超级电容主动式复合电源结构在NEDC工况下动力电池SOC变化曲线如图11所示。从动力电池SOC变化曲线图可知，新型复合电源拓扑结构比传统超级电容主控式的动力电池SOC下降慢，因而新型复合电源结构延长了整车续驶里程。

图9 复合电源仿真模型

图11 动力电池荷电状态变化曲线

在NEDC工况下动力电池电流变化曲线图12所示，从动力电池电流变化曲线图可知，新结构相较于传统复合电源结构动力电池在运行过程中电流减小了，进一步发挥了超级电容的优势和利用率，避免了动力电池大电流充放电的现象，延长了动力电池寿命，提高了整车经济性。

4 结论

以传统超级电容主控式的复合电源为基础，设计了一种新型复合储能系统拓扑结构。超级电容可通过DC-DC变换器串联后与动力电池共同参与功率输出，也可以直接给驱动电机供电或直接吸收制动能量，设计结构灵活，充分发挥了超级电容的优势并提高了利用率。

通过仿真验证，新型结构相比于传统复合电源结构的电动汽车，动力电池充放电电流进一步减小，流经功率器件的电流也减小了，使其系统热损耗减少。由动力电池SOC值变化可知，新型结构进一步提高了整车的续驶里程。新型复合电源结构可以进一步发挥超级电容的优势，避免动力电池大电流充放电现象，并提高整车经济性。

[1] 帝玛.电池热管理系统的实验研究:翅片与间隔对电池组散热的影响[D].天津:天津大学,2019.

[2] 冯继峰.复合电源纯电动客车能量控制系统研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2019.

[3] 张雷,胡晓松,王震坡.超级电容管理技术及在电动汽车中的应用综述[J].机械工程学报,2017,53(16):32- 43,69.

[4] 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,2019,56(3):82-90.

[5] 孙宝文,张波.复合电源系统双向DC/DC变换器拓扑研究[J].电子测量技术,2018,41(15):5-10.

[6] 邱浩,董铸荣,贺萍.一种新型电动汽车复合电源电路设计[J].电源技术,2015,39(8):1726-1728,1779.

[7] 王贞雅.纯电动汽车复合电源建模及控制策略研究[D].西安:西安电子科技大学,2020.

Structural Design of Hybrid Power Supply System for Pure Electric Vehicle

SHI Lang, SHEN Rongwei*, GUAN Ruiyuan

( School of Automotive and Transportation, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China )

Taking the composite power supply system of pure electric vehicles as the research object, this paper analyzes and studies the advantages and limitations of four traditional composite power supply topologies. Based on the composite power supply controlled by supercapacitors, a new type of composite energy storage system topology is designed, with supercapacitors participating in the entire process and significantly improving utilization efficiency. To verify the rationality of the new topology structure, simulations are conducted under AVL Cruise. The simulation results showed that compared to traditional composite power structure electric vehicles, this new structure further reduces the charging and discharging current of the power battery, and further improves the driving range of the entire vehicle.

Composite power supply; Structural design; AVL Cruise

U469.72

A

1671-7988(2023)22-28-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.022.006

石浪（1999－），男，硕士研究生，研究方向为新能源汽车技术，E-mail:749919307@qq.com。

申荣卫（1971－），男，博士，教授，研究方向为新能源汽车技术，E-mail:13672013098@163.com。