摘要：在电动汽车已成为未来汽车行业发展方向的前提下，提高电动汽车的动力性能、延长动力电池寿命使之可以逐渐代替传统汽车成为了研发人员的重点研究方向。本文以国内某型纯电动汽车的实验数据为基础，设计了复合电源系统替代原车的单电池供电系统，并对复合电源能量控制策略进行了研究。通过对复合电源电动汽车性能进行仿真分析，获得了仿真实验数据结果。
关键词：电动汽车；超级电容；复合电源系统
复合电源系统在启动、加速、爬坡等工况下由动力电池主要提供电动汽车需求的平均功率，由超级电容提供车辆的峰值功率；当蓄电池电量不足时，由超级电容提供全部的电机需求功率；在车辆减速制动的工况下，最大化利用超级电容吸收回馈能量，达到最优能量利用效率，充分发挥超级电容“削峰填谷”的作用。
1.复合电源系统结构
在复合电源系统中，两种能源蓄电池和超级电容分别发挥着不同的作用。蓄电池拥有较高的比能量，作为主能源主要承担着持久的、平稳的放电保证车辆续航的责任；超级电容具有很高的比功率，在需要大功率放电的工况时如启动、加速、爬坡等为车辆提供峰值功率，同时还要吸收再生制动能量以减小大电流充放对蓄电池寿命的影响。目前国内外的研究成果表明，常用的复合电源结构配置方式主要有以下三种，均为蓄电池和超级电容的并联结构，如图1所示。
图1 复合电源结构图
图1(a)中复合电源布置方式为蓄电池与超级电容直接并联在功率总线上，这种布置方式结构简单，要求超级电容与蓄电池的电压相同。但是由于超级电容的单体电压较低，配置相同电压的超级电容组会导致成本过高，电源系统的质量和体积过大且超级电容的电压变化范围较大，很难保证与蓄电池电压保持一致。
图1(b)中复合电源的布置方式为超级电容串联了 DC/DC 转换器，超级电容的输出电压随蓄电池端电压变化。由于蓄电池的电压变化较为平缓且直接与功率总线相连，故这种结构的能量效率较高，电压控制的实现较为容易。
图1(c)中复合电源的布置方式在蓄电池端和超级电容端均串联了DC/DC转换器，这种结构的电压控制较其他三种方式更为灵活。但对 DC/DC转换器的效率和系统控制精度要求较高，控制策略也更复杂。
综合考虑能量效率和系统成本，最终选用复合电源结构为图1(b)的布置方式。
图2 超级电容充放电特性曲线
2.超级电容的特性与参数匹配
2.1超级电容主要特性
①充放电特性
超级电容的充放电特性曲线如图2所示，在充电阶段初期，超级电容的电压随时间变化比较缓慢，后期逐渐变快；在放电阶段初期，超级电容快速放电，电压下降速度较快，后期逐渐缓慢下来。在复合电源系统中，超级电容主要起辅助电源的作用，为了减缓大电流对蓄电池的冲击，应尽量避免超级电容过放电导致电压过低，保证超级电容在正常的充放电区间循环工作。
②充放电效率特性
图3所示是超级电容的简化电路模型。其中RSC ,leak为超级电容内阻，RSC ,leak和RSC ,bus分别为超级电容组之间的电阻和超级电容组与总线间的电阻。当超级电容以恒流充放电工作时，经过时间t，超级电容的电量变化为从Q1到Q2，电压从U1到U2，此时超级电容的能量变化E为：
（1）
超级电容的内阻RSC ,leak消耗的能量为：
（2）
因此，由上述两个公式可以得出超级电容器的充放电效率ηC和ηD的关系式分别为：
（3）
（4）
式中τ 是时间常数，τ = RC；t 为充放电时间；β 为放电深度。
图3 超级电容简化电路模型
③荷电状态(SOC)特性
与蓄电池复杂的荷电状态(SOC)估算方式不同，超级电容的荷电状态(SOC)与电压呈简单函数关系。超级电容的 SOC 估算可由式 5 得出：
（5）
式中：USC为超级电容的实时电压，USC _ max为对应超级电容SOC=100%时的电压。超级电容的电压-SOC 关系如图 4 所示：
图4 超级电容SOC特性曲线
3.基于逻辑门限的复合电源能量控制策略
逻辑门限控制策略是比较基础也是应用比较广泛的控制策略之一。复合电源能量控制主要在于蓄电池和超级电容间的功率分配。在复合电源控制中应用逻辑门限策略，关键要确定控制参数的阈值范围。由于超级电容相对蓄电池的容量较小(超级电容组容量为 2.4Ah，蓄电池组容量为 66Ah)，其端电压随 SOC 呈近似线性关系，故将超级电容的 SOC 和电动机的总功率PMotor选为控制参数。根据工作模式的不同，可分为PMotor> 0和PMotor< 0两种状态。门限逻辑的控制流程图如图 5 所示。
图5门限逻辑控制策略流程图
超级电容的 SOC 可分为较高、中等、较低三种状态，为了防止超级电容过充电和过放电，较高和较低状态的SOC阈值分别取0.9和0.2；中等状态的SOC值取0.5。
当SOCSC= 0.2时，根据式 6 可得USC= 0.2USC _max，此时超级电容的剩余能量为：
（6）
当SOCSC= 0.5时，超级电容储存的能量为:
（7）
当SOCSC= 0.9时，超级电容储存的能量为:
（8）
超级电容的 SOC 由 0.2 升至 0.9 可吸收的能量为:
（9）
①当PMotor> 0时，复合电源处于放电状态
(1)当超级电容 SOC 大于上限阈值 0.5，将超级电容的输出功率设定为较大的输出值PSC _ high，由超级电容提供峰值功率，其余部分功率由蓄电池提供。
（10）
（11）
式中，PSC _ high= 0.8PMotor
(2)当超级电容 SOC 在 0.2 到 0.5 之间时，将超级电容的输出功率设定为较小的输出值PSC_low。此时超级电容储存的电量较少，电压处于较低水平，由蓄电池提供较多的能量输出。
（12）
（13）
式中，PSC _ low= 0.2PMotor
(3)当超级电容SOC不足0.2时，将超级电容的输出功率降0。此时超级电容的电压与总线电压相差较多，DC/DC 转换器的功率损失较大，故应用蓄电池承担全部的电动机需求功率。
（14）
（15）
②当PMotor< 0时，复合电源处于充电状态，回收制动能量。
电动机功率PMotor< 0，车辆处于制动状态，复合电源系统开始吸收再生制动能量。由于超级电容的充放电速度远大于蓄电池，为了减少充放电循环对蓄电池寿命的影响，优先利用超级电容吸收回馈能量。
(1)当超级电容 SOC 不足 0.9 时，可以用超级电容吸收所有的制动回馈能量。此时，超级电容和蓄电池功率的关系式为：
（16）
(2)当超级电容SOC大于0.9时，表明超级电容储存的能量较多，这种状态下应由蓄电池回收全部的制动能量。
（17）
4.复合电源性能分析
在计算任务中运行仿真可得图6和图7的计算结果。图6所示为复合电源电动汽车在一个工况内的行驶距离、车速和加速度的特性曲线，该工况条件下的最大续驶里程为179km；图7所示为复合电源电动汽车的电量消耗随行驶距离的变化曲线，综合耗电量为1.387kW/h。经计算可得该工况下的每百公里耗电量为181kW/h。较单电池系统电动汽车节约了12.03%。
图6 复合电源电动汽车的行驶特性
图7 市区道路工况下的耗电量
最大爬坡度的计算结果如表1所示，结果显示最大爬坡度为23.69%,对应车速为 20km/h。与单电池系统的电动汽车相比，复合电源电动汽车对车辆爬坡性能提升较小，其原因是影响爬坡性能的主要因素是电动机的最大扭矩和功率，提升电源系统的功率对爬坡性能影响较小。
表1复合电源电动汽车爬坡度计算结果
图8复合电源电动汽车最高车速计算
综合上述仿真实验结果，复合电源电动汽车模型可以达到电动汽车原车动力性能要求,且在每百公里耗电量和最高车速仿真结果上均有一定提升。
结语：
针对复合电源常见的结构进行了概述。综合考虑能量效率和系统成本因素，选择超级电容和 DC/DC转换器与蓄电池并联的结构对复合电源系统进行设计。
基于理论计算的方法对超级电容相关参数进行了匹配，并在CRUISE中建立起了复合电源电动汽车的模型。
基于逻辑门限策略对复合电源进行功率分配，并对整车动力性能进行了仿真实验，结果表明采用复合电源对电动汽车的动力性能有一定的提升。
参考文献
[1]董昊龙等，纯电动车辆复合能源系统架构及控制策略研究.Proceedings of the 31st Chinese Control Conference. July 25-27, 2012 Hefei, China.
[2]陆建康，杨正林，何小明，等纯电动汽车复合电源系统仿真研究汽车科技。
[3]段敏，电动汽车技术 [M].北京北京理工大学出版社。
论文作者:李民
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/19
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