復(fù)合電源式混合動力公交車功率分配策略研究*

王慶年，曲曉冬，于遠(yuǎn)彬，閔海濤

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130025)

前言

并聯(lián)式混合動力公交車工作過程中起動、制動頻繁，車載儲能裝置總是處于反復(fù)大功率的充電放電的過程中。單一電池的壽命難以保證。超級電容可以高效率地回收制動能量輔助公交車起動和協(xié)助發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輛［1］，而且具有較長的循環(huán)壽命。但是超級電容能量密度低，難以支持轉(zhuǎn)向助力、空調(diào)等大功率電動附件長時(shí)間工作，不能實(shí)現(xiàn)停車關(guān)閉發(fā)動機(jī)，取消發(fā)動機(jī)怠速的功能［2－7］。

本文中提出了以超級電容為主要儲能器，小容量鋰電池通過直流變壓器DC-DC作為輔助能量源的電容式復(fù)合電源構(gòu)型，如圖1所示。

由超級電容滿足行車中的大功率充放電工況，鋰電池在保證長時(shí)間放電后電容虧電的情況下，電源系統(tǒng)仍能實(shí)現(xiàn)純電動起動等功能。復(fù)合電源系統(tǒng)既具有超級電容功率大、效率高、可靠性好、壽命長的優(yōu)點(diǎn)，又可以取消停車時(shí)的發(fā)動機(jī)怠速，更節(jié)能，同時(shí)大大延長鋰電池的壽命，降低其更換成本［3，8］。

1 整車建模

為了對復(fù)合電源式混合動力公交車控制策略進(jìn)行深入研究，根據(jù)某廠混合動力公交車的實(shí)車數(shù)據(jù)，在AVL/Cruise環(huán)境下建立整車模型，見圖2。

該模型可與MATLAB/Simulink建立的整車控制策略進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗(yàn)證控制策略的效果。復(fù)合電源中的電池和超級電容性能參數(shù)如表1所示。

表1 鋰電池和超級電容性能

2 控制策略設(shè)計(jì)

目前并聯(lián)式混合動力汽車中應(yīng)用最廣泛最成熟的整車功率分配策略是邏輯門限策略。其原理是依據(jù)發(fā)動機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下較為高效的工作范圍，設(shè)定發(fā)電門限和助力門限兩個(gè)門限值。當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩低于發(fā)動機(jī)高效區(qū)時(shí)，讓發(fā)動機(jī)在其高效區(qū)的下限工作，電機(jī)利用發(fā)動機(jī)剩余轉(zhuǎn)矩發(fā)電;而當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩高于發(fā)動機(jī)高效區(qū)時(shí)，讓發(fā)動機(jī)在其高效區(qū)上限工作，利用電機(jī)助力［9］。控制策略如圖3所示。

2.1 復(fù)合電源性能特性

受超級電容的能量密度所限，復(fù)合電源的持續(xù)充放電能力不如傳統(tǒng)混合動力汽車所用的動力電池。

圖4為復(fù)合電源可用能量范圍內(nèi)的5s可持續(xù)充放電功率對比。對于復(fù)合電源，超級電容在250～420V的工作電壓范圍內(nèi)具有294W·h的可用能量;而電池在SOC為40%～60%的工作范圍內(nèi)具有1 000W·h的能量。超級電容中的能量過多時(shí)，復(fù)合電源的可充電功率達(dá)不到電機(jī)最大功率;超級電容中的能量過少時(shí)，復(fù)合電源的可放電功率達(dá)不到電機(jī)的最大功率。說明超級電容只有當(dāng)其能量適中時(shí)才能完全滿足電機(jī)最大充放電功率需求;而原動力電池在3 000W·h的可用能量范圍內(nèi)都可以滿足電機(jī)最大充放電功率需求。

復(fù)合電源和單一電池性能的差異決定了動力系統(tǒng)不應(yīng)過多地使用電助力/發(fā)電功能，而且應(yīng)具有更強(qiáng)的電量平衡能力。同時(shí)，在全力加速，長時(shí)間爬坡、長時(shí)間再生制動，電容SOC高或低時(shí)，復(fù)合電源系統(tǒng)的放電或充電功率達(dá)不到電機(jī)最大功率，須對電機(jī)功率進(jìn)行限制，以避免電容電壓超出電機(jī)可以正常工作的范圍。

2.2 發(fā)動機(jī)-電機(jī)功率分配策略

為了減輕復(fù)合電源的負(fù)載，結(jié)合發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下不同負(fù)荷的效率，設(shè)計(jì)電助力策略如下:當(dāng)沒有電量平衡需求時(shí)，只有在需求轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動機(jī)當(dāng)前最大轉(zhuǎn)矩時(shí)才進(jìn)行電助力，發(fā)動機(jī)負(fù)荷小于10%時(shí)，才通過電機(jī)發(fā)電提高發(fā)動機(jī)效率，如圖5所示。

復(fù)合電源式混合動力汽車需要協(xié)調(diào)控制發(fā)動機(jī)、電容和電池，涉及到轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流和電壓等控制量，為從一個(gè)統(tǒng)一的角度進(jìn)行三能量源控制，根據(jù)需求功率和當(dāng)前發(fā)動機(jī)、電池與電容可輸出的最大功率，設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)電機(jī)功率分配策略，如圖6所示。

2.3 電量平衡策略設(shè)計(jì)

控制策略的電量平衡功能是通過調(diào)節(jié)電機(jī)助力門限和電機(jī)發(fā)電門限兩個(gè)值來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)復(fù)合電源性能能否完全滿足電機(jī)最大功率需求，將超級電容的SOC分為過低、正常、過高3個(gè)范圍。利用模糊控制的思想，設(shè)計(jì)發(fā)電助力門限調(diào)節(jié)策略和電機(jī)功率限制與電池助力策略，如圖7所示。

當(dāng)電容SOC在正常工作范圍內(nèi)時(shí)，僅通過調(diào)節(jié)兩門限值利用發(fā)動機(jī)對超級電容進(jìn)行電量平衡控制，如圖8所示。

當(dāng)電容SOC超出正常工作范圍時(shí)，發(fā)動機(jī)-超級電容系統(tǒng)電量平衡能力達(dá)到最大值，需要電池輔助提供功率，并且開始限制電機(jī)的最大功率，防止電容過充或過放，電壓超出電機(jī)可以工作的范圍。

電池SOC平衡采用恒溫器式的控制方法，當(dāng)電池SOC低于40%時(shí)，由發(fā)動機(jī)通過ISG電機(jī)和DCDC定功率給電池充電，當(dāng)其高于60%時(shí)，則通過ISG電機(jī)放電參與電助力。全部電量平衡策略如圖9所示。

2.4 電容期望SOC限值設(shè)定

本文中以正比的關(guān)系用電壓來衡量超級電容的SOC，以420V為100%。按照電機(jī)250～425V的工作范圍，在控制中超級電容的SOC上下限值分別取60%和100%。混合動力汽車低速時(shí)需要滿足純電動和加速助力功能，對復(fù)合電源放電的能量需求高;而車速較高時(shí)潛在的再生制動回收能量較高。為了充分利用超級電容的儲能空間，理想的情況是在車速低時(shí)SOC較高以進(jìn)行助力和電動，車速高時(shí)SOC較低以進(jìn)行再生制動。為了對車速與理想的超級電容SOC進(jìn)行研究，對純電動驅(qū)動和再生制動進(jìn)行仿真，得到超級電容SOC，如圖10所示。

基于仿真數(shù)據(jù)，根據(jù)電容能滿足整車純電動起動到15km/h而SOC不會低于65%的需求和在各個(gè)車速下都有足夠的能量空間回收再生制動能量兩個(gè)原則，確定SOC的高低限值，以其均值作為期望SOC，如圖11所示。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 功能測試仿真

設(shè)計(jì)整車功能驗(yàn)證工況，如圖12所示。驗(yàn)證工況包括長時(shí)間低速電動、停車發(fā)動機(jī)關(guān)閉、極限加速和長時(shí)間下坡制動等情況，且加入了4kW的電負(fù)載，以模擬空調(diào)等用電附件，測試系統(tǒng)在極限情況下的功率分配策略，仿真結(jié)果如圖13所示。

在仿真的0～30s，整車由超級電容輸出功率純電動行駛，當(dāng)電容SOC低時(shí)DC-DC工作，電池開始輸出功率驅(qū)動整車行駛。在30s時(shí)，純電動模式不能滿足駕駛員的加速需求，發(fā)動機(jī)起動，同時(shí)給超級電容充電，如圖14所示。

在140～180s的加速工況中，加速開始階段整車由發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，超級電容僅提供4kW的用電附件功率，當(dāng)發(fā)動機(jī)達(dá)到最大功率后開始由電機(jī)助力，超級電容SOC迅速下降后，電池開始工作并提供輔助功率，同時(shí)電機(jī)功率開始受到限制，電容SOC下降到一定程度后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)助力需求的電功率完全由電池提供，如圖15所示。

在220～250s的勻速下坡制動過程中，隨著電容SOC的持續(xù)上升，電池介入再生制動能量回收，限制住了超級電容SOC，如圖16所示。

在300s后的180s停車待機(jī)過程中，由超級電容提供用電附件工作所需的能量，直到電容SOC低，電池開始輸出功率并給電容充電，維持超級電容SOC，如圖17所示。

3.2 燃油經(jīng)濟(jì)性對比仿真

進(jìn)行城市公交車綜合工況仿真，與以80%為SOC控制目標(biāo)的邏輯門限電量平衡控制效果進(jìn)行對比。結(jié)果如圖18所示，為說明仿真過程中電池和超級電容的使用程度，對過程中電池和超級電容輸出功率的絕對值進(jìn)行積分，結(jié)果如表2所示。

表2 工況中電池和超級電容的使用度及油耗

仿真結(jié)果表明，采用基于車速的期望SOC設(shè)計(jì)的模糊控制策略時(shí)，超級電容SOC隨車速在其可用能量范圍內(nèi)的變化區(qū)間更廣，對超級電容的容量利用更加充分，在降低了電池使用度的同時(shí)，減少了發(fā)動機(jī)、電池、電容之間為維持SOC所造成的能量二次轉(zhuǎn)換損失，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

(1)采用大容量超級電容作為主要儲能裝置，小容量電池與DC-DC作為輔助儲能裝置的主動控制式復(fù)合電源可以滿足混合動力公交車各項(xiàng)功能的需求。

(2)根據(jù)主動控制式復(fù)合電源構(gòu)型的性能特性，利用基于模糊控制思想設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)、超級電容和電池3種能量源協(xié)調(diào)控制策略，可以達(dá)到多用電容，少用電池的控制效果，提高了系統(tǒng)效率。

(3)提出了基于車速的超級電容期望SOC，作為平衡超級電容SOC的目標(biāo)，進(jìn)行城市綜合工況仿真，對比定期望SOC的控制方法，減少了對電池的使用，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。

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