純電動汽車復合電源系統優化管理路徑探析

張楚成

摘 要：純電動汽車是新能源汽車中一個重要的發展發向，增大續航里程一直是發展純電動汽車需要解決的重大問題。本文就目前新能源汽車的發展現狀進行分析，總結大力發展純電動汽車的必要性。針對純電動汽車續航里程存在的問題，提出在復合電源系統優化過程中的可行性方案。

關鍵詞：純電動汽車；電源系統；優化管理

1 新能源汽車發展現狀

目前，由純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車、氫發動機汽車、其他新能源等構成的新能源汽車得到了飛速的發展，電動汽車產業發生了巨大的變化。傳統汽車主要是使用汽油柴油等燃料，而新能源汽車是指采使用非傳統的車用燃料作為動力來源或著是使用傳統的車用燃料、但是采用的是新型車載動力裝置，新能源汽車能夠綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進、具有新技術、新結構的汽車。

以車載電源為動力的純電動汽車，主要工作原理是用電機驅動車輪行駛，純電動汽車符合道路交通、安全法規各項要求。我們常說的純電動汽車，它是完全由可充電電池提供動力源的汽車。現在市場上主要的新能源汽車類型是純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車。

1.1 新能源補貼逐年退坡，引導技術提升

2017年，中國財政部、科技部、工業和信息化部、國家發展和改革委員會公布了《關于調整新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，該通知強調了國家從2017年1月1日起，將調整完善新能源汽車補貼標準。此次調整，最主要的目的就是明確中央和地方對于新能源汽車的補貼上限，要求汽車企業要增加核心技術提升的能力，降低生產成本，不斷提高產業化水平。

2017年新的補貼標準中，中央補貼較之前下滑20%，且地方補貼不得高于中央補貼的50%。同時對動力電池比能量密度提出補貼要求，對高于120Wh/kg的車型給予1.1倍補貼，以促使關鍵技術的提升，引導新能源市場更好的發展，見圖1。

1.2 雙倍積分管理辦法落實，加大新能源汽車的推廣力度

2017年6月，工信部公布《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分進行管理辦法（征求意見稿）》建立推動新能源汽車發展的長效機制，促進新能源汽車研發和推廣。

隨著2018年積分方案的實施，將對新能源汽車行業出現兩個比較大的影響：（1）促進現有傳統汽車車企加大新能源汽車的推廣力度，新產品數量將明顯加快。（2）對于前期新能源汽車布局較早的車企將獲得積分受益，減少補貼退坡的影響，見圖2。

1.3 新能源汽車快速發展，乘用車占據主要市場

新能源市場發展迅速，2011年到2016年年復合增長率達137%；2016年其銷量實現60.7萬輛，乘用車占比達到68%，占據主流。BEV占據新能源市場的主要份額，且市場份額逐年提升。隨著新能源市場的發展，以及消費者對SUV的青睞，純電動SUV 市場份額逐步擴大；PHEV車型中，SUV車型占據主要市場份額。在汽車市場中，知豆D2和榮威eRX5分別獲得BEV和PHEV車型TOP1。BEV車型中，2017年上半年中知豆D2銷量最高，達到18693臺，其次為北汽EC系列和比亞迪e5，其他車型累計銷量均低于1萬臺。PHEV車型中，榮威eRX5銷量最高，達到9205臺；TOP5車型均來自上汽乘用車和比亞迪兩家企業，見圖3。

1.4 新能源市場即將迎來爆發期

隨著居民收入水平的提升，以及城鎮化率的逐步推進，中國乘用車市場仍有增長的潛力；預計在2021年中國乘用車市場將達到3000萬輛。隨著雙積分政策的確立實施，新能源市場將取得爆發；預計在2018年，新能源市場將突破100萬輛，2020年將突破200萬輛，見圖4。

電動汽車產業發展出現了新的變化，全球各國和各大企業已經將重心轉移到以電動汽車為核心的新型技術路線。

2 純電動汽車復合電源系統的優勢

我國的新能源汽車產業發展進入了成長期，新能源汽車的產量得到了大幅的增長，在汽車性能，成本，安全等方面取得了一定的進步。我國在以鋰離子動力電池為代表的核心技術上取得了重大的突破，從2015年全球排名前十名中占據四位到2016年六個企業進入前十強；在純電驅動的動力系統集成技術上取得了快速發展；插電式混合動力技術逐步成熟；燃料電池開始起步發展。目前，以純電動汽車復合電源系統的發展趨勢最為明顯，主要體現在：

2.1 氫燃料電池技術不成熟

氫燃料電池汽車加氫時間3-5分鐘，續駛里程達到800公里，零下30℃可以順利啟動，適合在寒冷地區使用，各方面性能都超過了傳統內燃機汽車。目前，我國在燃料電池轎車和燃料電池城市客車動力系統方面已經基本建立了具有自主知識產權的技術平臺，據中國汽車技術研究中心北京工作部新能源汽車技術服務中心主任朱成介紹，與國外的技術相比，我國在燃料電池的關鍵基礎材料，包括零部件、整個高端的集成、電池的壽命、成本、批量制備能力等方面，還存在比較大的差距。燃料電池汽車的推廣應用，從終端客戶角度來說，第一是購買成本太高，第二是使用成本太高，第三是維護方面的難題。受限于技術發展階段，我國燃料電池汽車整車制造及使用成本仍然較高，遠不如純電動汽車的優勢大。

2.2 純電動汽車單電源的不足

純電動汽車是由可充電電池提供動力源的汽車，常用的可充電電池就是像鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池之類。雖然純電動汽車的發展已有一百多年的歷史，但一直發展規模有限，市場占有較小。歸其原因主要是：（1）蓄電池價格高、壽命短（2）電池電源外形尺寸和重量大（3）充電時間長。電源系統的問題阻礙了純電動汽車的發展。純電動汽車是新能源汽車中一個重要的發展發向，增大續航里程一直是發展純電動汽車需要解決的重大問題。

2.3 純電動汽車復合電源系統的優勢

目前國外對蓄電池加超級電容組成的復合電源已有了初步研究，但是國內對于蓄電池加超級電容方面研究成果較少。由于超級電容和蓄電池組合成復合電源是目前廣受青睞的車載電源，對其研究也逐漸得到重視。

超級電容的比功率高，充放電壽命長，在短時間內非常適合作為功率輸出源，能夠實現在電動車起動、加速、爬坡等工況下的大功率放電，同時在車輛下坡制工況下迅速吸收制動能量。不僅能夠實現不同工況下充放電，也極大地保護了蓄電池不受大電流的沖擊而損壞。

通過對動力蓄電池和超級電容的復合使用，能夠同時具備大比能量和高比功率，這樣的復合電源系統的使用解決了電源系統的功率問題，不僅降低了對蓄電池的使用數量的要求，也降低使電源系統的體積和重量，通過合理的結構組合，解決了單一儲能裝置的純電動汽車性能上的缺陷，也可以延長蓄電池的使用壽命，降低純電動汽車的生產成本，極大的提升了純電動車輛電源系統的性能。

3 復合電源系統優化過程中存在的問題

目前，復合電源的控制策略主要可以分為四類：（1）邏輯門限控制（2）實時優化控制（3）全局優化控制（4）模糊控制。

邏輯門限值控制法的優點：操作簡單，技術成熟，缺點：控制參數困難，需要累積和調試大量的實驗數據，該方法因為門限值的存在，由于車輛在行駛過程中工況復雜，變化較多，該方法對于微小變化的控制能力不足，因此在整個過程中控制性不穩定。

實時優化控制方法能夠解決復雜工況；該方法結合回路控制與過程運行，采用兩層結構：（1）上層通過計劃調度優化經濟性能指標，產生底層控制回路的設定值；（2）底層通過控制器使被控變量跟蹤設定值，從而盡可能使過程運行在經濟優化狀態。優化和控制的好壞依賴基礎層控制品質的。如果實時優化單回路都控制不穩定，實時優化也無從談起。一切的根本都指向了底層的基礎控制。而在汽車車況行駛過程中，不穩定性也就決定了實時優化控制存在很大的難度。

全局優化控制方法能夠在汽車行駛過程中實現全局最優，但是由于實際車輛在行駛過程中工況復雜，很難能夠在全過程中實現很好的控制。

模糊控制方法主要原理是利用模糊數學的基本思想。模糊控制是屬于智能控制的范疇，實際上它的實質是一種非線性控制。模糊控制既有系統化的理論，又有實際應用背景。在解決復合電源系統能量分配過程中不需要建立數學模型，操作過程簡單。

4 復合電源系統優化管理路徑

復合電源系統由蓄電池、超級電容和電機構成。根據能量流動方向，將復合電源的主要工作模式歸納為以下種：蓄電池單獨驅動模式；電池-超級電容混合驅動模式；超級電容單獨提供驅動功率模式；再生制動模式。

（1）大部分時間，車輛屬于在勻速行駛過程中，此時電源電機的需求功率不高，在電機平均功率范圍內。蓄電池因能量密度較高，同時具有可以承擔電機需求功率的能力，能夠在均速行駛過程中單獨提供驅動功率。

（2）在加速時，如果由蓄電池單獨驅動電機，往往會損傷蓄電池，而此時復合電源系統需要為電機提供高功率。因此，在加速時超級電容和蓄電池配需要共同驅動電機，使得蓄電池組工作在正常功率的范圍內，超級電容承擔剩余的功率。

（3）在負載較輕時啟動或短暫加速過程中，一旦超級電容的荷電狀態較高，就可以通過超級電容放電，并且能夠在之后制動過程中由超級電容來吸收能量。在此工況下，超級電容為車輛提供功率，蓄電池組不工作。

（4）當汽車減速行駛或下坡行駛時，汽車電源電機處在發電狀態，電機向復合電源系統充電。在此工況下，電源系統對制動能量進行回收。

城市道路交通狀況復雜，電動車在道路上行駛過程中，不斷相互轉換起步、勻速行駛、加速、減速制動等工況，復雜的工況切換過程要求復合電源能夠根據不同的工況在上述四種模式做出快速準確的切換，從而能夠不斷優化，提高復合電源效果。

5 結語

隨著石油和天然氣等不可再生資源的枯竭，純電動汽車比能夠將其節能環保的優勢不斷發揮出來，作為新能源汽車中的一部分，純電動汽車以其獨有的優勢不斷增加市場份額，國內的純電動汽車技術會越來越成熟，續航里程也會不斷增大，通過超級電容和鋰電池相互作用的復合電源系統的優化也會得到進一步的提升。

基金項目：本文系作者個人的2016 年上海市優秀青年教師資助項目（項目編號：220001-16-44（AAYQ1645））《純電動汽車復合電源系統有關管理研究》的部分研究成果。

參考文獻：

[1]周美蘭，劉占華，胡玲玲.純電動汽車復合電源再生制動控制策略研究[J].黑龍江大學自然科學學報，2017，34（03）：359-365.

[2]王儒，魏偉，李訓明，曲金玉.基于模糊控制的復合電源能量管理系統仿真研究[J].農業裝備與車輛工程，2013，51（11）：48-52.

[3]周美蘭，胡玲玲，張宇.純電動汽車復合電源控制策略研究[J].黑龍江大學自然科學學報，2016，33（05）：682-687.

[4] 陸建康，楊正林，何小明，等.純電動汽車復合電源系統仿真研究[J].汽車科技.2011（5）： 37-41.

[5]霍春寶，門光文，王京，馬濤.純電動汽車復合電源系統控制的仿真研究[J].汽車技術，2018（01）：51-55.

[6]董昊龍.純電動車復合電源系統及其管理策略研究[D].北京工業大學，2013.