一種新型電動汽車復合電源結構及其功率分配策略*

王 斌，徐 俊，曹秉剛，李其玉

(西安交通大學電動汽車與系統控制研究所，西安 710049)

?

2015181

一種新型電動汽車復合電源結構及其功率分配策略*

王 斌，徐 俊，曹秉剛，李其玉

(西安交通大學電動汽車與系統控制研究所，西安 710049)

為提高電動汽車復合電源工作效率和保證電池組安全，提出了一種新型復合電源結構，通過對切換開關和DC-DC的控制，實現UC/Batteries和Batteries/UC兩種復合電源結構的功能。在此基礎上，設計了新型復合電源的7種工作方案，并根據SD-EV試驗樣車的鋰電池組與電機的工作電壓和電機功率需求特性完成系統的參數匹配。考慮DC-DC效率、鋰電池組SOC和超級電容SOC等因素，基于功率平衡控制規則提出了不同工作方案的功率分配策略。在Matlab/Simulink中的仿真結果顯示，新型復合電源能多方案工作，并有效提高復合電源工作效率和保證鋰電池組的充放電安全；而搭建試驗臺進行驗證測試的結果表明，與UC/Batteries和Batteries/UC復合電源相比，新型復合電源的綜合效率分別提高了9%和4%。

電動汽車；復合電源；DC-DC；功率分配策略

前言

作為綠色環保的新能源汽車愈來愈受到人們的重視，而零排放的電動汽車則是新能源汽車發展的必然趨勢[1-3]。電動汽車用電池組具有能量密度高，但功率密度卻相對較低的特點，僅有電池組時達不到電動汽車在起動、爬坡和加速等條件下的大功率需求[4-5]。過大的功率輸出或制動功率直接回饋會損害電池組，為滿足電動汽車大功率需求、提高電池組的使用壽命和盡可能多地回收制動能量，超級電容(ultra-capacitors, UC)-電池組復合電源應運而生[6-9]。

如何利用好超級電容是復合電源設計成敗的關鍵[3-4,6,8]。如充分利用超級電容的高功率特性，在驅動時提供峰值功率，在制動時高效率回收制動能量[8,10-11]。不僅如此，為實現復合電源高效率工作，在電池組和超級電容間進行功率分配時，須考慮功率分配策略對系統整體工作效率的影響，盡量減少能量在直流變換器(DC-DC)上的損失[9]。

西安交通大學電動汽車與系統控制研究所團隊在電動汽車復合電源領域進行了深入研究，并成功將超級電容-電池組復合電源應用于XJTU EV[4,12]。在前期研究工作基礎上，本文中提出了一種新型復合電源結構，根據新一代速達純電動汽車SD-EV的鋰電池組電壓、PMSM電機工作電壓和功率需求完成參數匹配，并基于功率平衡控制規則設計了相應的功率分配策略。仿真和試驗結果證明了所設計的復合電源及其功率分配策略能保證鋰電池組充放電安全，并有效提高復合電源系統的工作效率。

1 復合電源設計

1.1 復合電源結構設計

SD-EV及其新型復合電源結構如圖1所示，復合電源主要包括鋰電池組、超級電容和DC-DC等。與XJTU EV復合電源相比，僅增加功率二極管和SW2切換開關。由于自放電和過載等原因，啟動時超級電容電壓可能會低于鋰電池組電壓，在超級電容低壓直接充電時電流很大，應關閉SW1并通過預充電路向超級電容充電，超級電容電壓高于50%后，復合電源開始正常工作。在制動能量回饋時，功率二極管反向偏置，保證超級電容優先回收制動能量，同時避免制動電流直接向鋰電池組充電。

通過對SW2開關的導通與截止和DC-DC的升降壓控制，SD-EV復合電源實現了兩種復合電源結構的功能，如圖2所示。其中，SW2截止實現了XJTU EV的UC/Batteries結構[4,12]功能，SW2導通實現了Batteries/UC結構[8,13-15]功能；在UC/Batteries結構中DC-DC對超級電容降壓[8,14]，在Batteries/UC結構中DC-DC對鋰電池組升壓[13-15]。新型復合電源通過對UC/Batteries和Batteries/UC結構的功能結合，不僅能發揮超級電容“削峰填谷”功能，而且鋰電池組和超級電容均能不經過DC-DC向電機逆變器提供能量，減少了能量在DC-DC上的損失。此外，由于功率二極管的存在，超級電容優先回收制動能量，僅當制動能量很大時，通過DC-DC降壓向鋰電池組充電，保證鋰電池組的充電安全和延長鋰電池組的使用壽命。

1.2 復合電源工作方案設計

復合電源的工作方案主要根據鋰電池組SOC、超級電容SOC和電機的需求功率3個變量來確定。基于圖2的兩種結構，SD-EV的復合電源設計有7種方案，具體如圖3所示。

其中，方案2和方案3較為特殊，為應急使用方案。方案2用于鋰電池組電量消耗殆盡而須跛行至附近充電站的情況。方案3則用于超級電容即將充滿電但仍須回饋制動能量的情況。這兩種方案應盡可能少使用。為減少方案3的使用頻率，制動時應優先選擇方案4，且設定超級電容在SOC高于上限值時單獨提供能量，即方案5。此外，方案1用于小功率輸出情況，方案6用于中等功率或短時間大功率輸出情況，方案7則用于長時間大功率輸出、超級電容SOC較低的情況。

1.3 參數匹配

采用方案2或方案3時DC-DC降壓工作。為保證電池組安全，降壓工作時控制DC-DC以小功率工作。采用方案6或方案7時DC-DC升壓工作。采用方案1、方案4或方案5要求鋰電池組或超級電容單獨工作。總之，應根據SD-EV的功率需求、工作方案、鋰電池組和其它參數匹配相應的DC-DC和超級電容。

通過對SD-EV多次行駛記錄，電機在市區路況下平均功率小于7.5kW，郊區路況下平均功率小于8.5kW，坡路較多時且速度較高時平均功率低于15kW，最大爬坡功率為30kW。SD-EV采用兩個DC-DC并聯，單個DC-DC在5kW工作時效率最高，最大工作功率為10kW。因此，兩個DC-DC同時工作的最大功率為20kW，高于規定的鋰電池組最大工作功率。為滿足SD-EV平均功率和爬坡功率需求，由超級電容提供差額功率。

SD-EV搭載的鋰電池組由75塊3.2V，80A·h環宇鋰電池組成，電壓范圍為210～270V。由于PMSM電機有效工作電壓為200～400V，為最大限度利用超級電容，設計其最高電壓應為鋰電池組的2倍左右，采用5個80V，96F模塊串聯，最大電量為0.43kW·h，可用有效電量為0.32kW·h，考慮到自身效率，其在爬坡時以20kW提供峰值功率可維持1min左右，滿足SD-EV爬坡要求。復合電源參數見表1。

表1 復合電源參數匹配

2 功率分配策略

SD-EV復合電源控制系統通過采集電機、超級電容和鋰電池組的電壓與電流，計算電機的功率需求以及超級電容和鋰電池組的SOC，然后控制SW1和SW2的開關及DC-DC的升降壓工作，進一步確定工作方案和各部件的工作功率，控制系統如圖4所示。其中，輸入信號處理和控制變量計算均由DSP控制器完成。

2.1 仿真模型

模型主要包括電機功率需求、鋰電池組SOC和超級電容SOC。電機的功率需求Pm,d由驅動功率、傳動系統效率和自身工作效率決定，而驅動功率Pd與滾動阻力、風阻系數和坡度等相關[9]：

Pm,d=Pd/ηmηd

(1)

式中：ηm和ηd分別為電機效率和驅動系統效率。

仿真時，鋰電池組SOC估算模型采用后向建模方式，為避免線性模型帶來的不足，結合Thevenin模型[14]估算鋰電池組SOC，等效電路如圖5(a)所示。

根據Thevenin模型等效電路，有

Ubat=Ebat-IbatR1-UC

(2)

(3)

(4)

Pbat=UbatIbat

(5)式中：Ubat為電池輸出電壓；Ebat為電池開路電壓；Ibat為電池組電流；R1和R2為等效內阻；C為等效電容容量；UC為電容電壓；UC(t)為t時刻電容電壓；UC(0)為初始時刻電容電壓；Pbat為電池工作功率。

由式(2)～式(5)可計算出Ibat(t)，則鋰電池組SOC為

(6)

式中：SOCbat為電池SOC；SOCbat,i和Ct分別為電池組初始SOC和容量；η為充放電效率。

超級電容SOC估算模型采用開路電壓-內阻模型，如圖5(b)所示。通過實驗測試發現其內阻與溫度TUC和充放電電流IUC相關，RUC=f(TUC,IUC)。根據圖5(b)等效電路，超級電容的電壓、電流、容量和SOC分別為

UUC=EUC-IUCRUC

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：UUC，IUC和PUC分別為超級電容輸出電壓、電流和功率；EUC為超級電容開路電壓；RUC為等效內阻；UUC(k+1)，UUC(k)分別為k+1和k時刻超級電容電壓；Δt為時間間隔；Ecap和CUC為超級電容剩余能量和容量；UUCmax為超級電容最大電壓；SOCUC為超級電容SOC。

2.2 功率平衡控制

電機功率需求由鋰電池組和超級電容共同提供，因此功率分配本質上是功率平衡控制問題。考慮到DC-DC效率，功率平衡關系為

Pm,d=PbatηbatηDD,i+PUCηUCηDD,k

(12)

式中：Pbat為電池工作功率；ηDD,i為DC-DC對鋰電池組的充放電效率；ηDD,k為DC-DC對超級電容降壓工作的效率；ηbat和ηUC分別為鋰電池組和超級電容的自身效率，與充放電內阻、溫度相關。

根據式(12)功率平衡關系和不同工作方案設計相應的功率分配策略，其主要思路是：結合SW1和SW2開關，DC-DC主動控制一個能量源輸出功率，剩余功率則由另一能量源被動提供。如：采用方案6時控制DC-DC以最高效率工作，確定鋰電池組的輸出功率，剩余功率由超級電容提供；采用方案1或方案5時則控制DC-DC不工作，通過SW1和SW2導通和截止控制鋰電池組或超級電容單獨提供功率。為保證鋰電池組充放電安全，限定其最大充放電功率為15kW和-10kW。根據SD-EV駕駛經驗，當超級電容SOC低于0.5時，鋰電池需要大功率輸出，設計鋰電池組最大輸出功率為15kW，超級電容提供其余功率。具體方案的實施條件、SW1和SW2與DC-DC的工作狀態以及功率分配如下。

方案1：電池SOC大于0.1，超級電容SOC在區間[0.85,0.95]內且功率需求小于10kW，此時SW1導通，SW2截止，DC-DC不工作，功率分配為

Pbat=Pm,d；PUC=0

(13)

方案2：電池SOC小于0.1且功率需求為正，此時SW1導通，SW2截止，DC-DC降壓工作，降壓工作時，DC-DC工作效率取平均值85%。限制電池組輸出功率，功率分配為

Pbat≤Pbat,l；PUC=(Pm,d-Pbat)/ηDD,k

(14)

式中Pbat,l為限制條件下的電池組輸出功率。

方案3：超級電容SOC大于0.95且功率需求小于0，此時SW1和SW2截止，DC-DC降壓工作，超級電容最大限度回收能量，電池組回收其余能量。

PUC≤PUC,l；Pbat=(Pm,d-PUC)/ηDD,i

(15)

式中PUC,l為限制條件下超級電容回收的功率。

方案4：超級電容SOC小于0.95且功率需求小于0，此時SW1和SW2截止，DC-DC不工作，超級電容回收所有能量。

方案5：電池SOC大于0.1，超級電容SOC大于0.95且功率需求大于0，此時SW1截止，SW2導通，DC-DC不工作，超級電容提供所有功率。對于方案4和方案5：

PUC=Pm,d；Pbat=0

(16)

方案6：電池SOC大于0.1，超級電容SOC在區間[0.5,0.85]內且功率需求大于0，或者超級電容在區間[0.85,0.95]內且功率需求大于10kW，此時SW1和SW2導通，DC-DC最高效率升壓工作，功率分配為

PUC=Pm,d-10kW；Pbat=10kW/ηDD,t

(17)

式中ηDD,t為DC-DC升壓時的最高效率，約94%。

方案7：電池SOC大于0.1，超級電容SOC在區間[0.25,0.5)內且功率需求大于0，此時SW1和SW2導通，電池組最大功率15kW輸出。DC-DC升壓工作，工作效率為92%，超級電容提供其余功率。

Pbat=15kW；PUC=Pm,d-Pbat/ηDD,i

(18)

3 仿真及試驗結果

針對設計的新型復合電源和功率分配策略，在Matlab/Simulink中進行仿真。SD-EV總質量為1 250kg，電機額定功率為30kW。選取UDDS和NEDC循環工況，分別模擬市區路況的中低功率需求和郊區路況的大功率需求，結果如圖6所示。

圖6(a)為UDDS工況下仿真結果，超級電容SOC初值設計為0.98。可以看出，初始階段，超級電容單獨輸出，選擇方案5。當超級電容SOC在區間[0.85,0.95]時，功率大于10kW時DC-DC變換器最高效率工作，選擇方案6；制動時超級電容優先回收制動能量，選擇方案4；功率較小時電池組單獨輸出，選擇方案1。圖6(b)為NEDC工況下仿真結果。超級電容SOC小于0.5時，電池組最大功率15kW輸出，選擇方案7，保證爬坡時有足夠的功率輸出。圖6其它工作方案滿足能量平衡控制規則。跛行方案2和共同回收方案3為應急使用方案，在仿真結果中沒有體現。方案1和方案5避免了DC-DC變換器的能量損失，且采用方案6時DC-DC變換器工作效率最高，達到94%，有效提高了復合電源工作效率。采用方案4時超級電容回收所有能量，保證電池組充電安全。采用方案7時鋰電池組功率輸出15kW，DC-DC變換器效率為92%。仿真結果證明新型復合電源能多方案工作，并能有效保證鋰電池組的充放電安全。

最后，通過測試驗證新型結構和功率分配策略。為節省測試費用，搭建小型試驗臺對UC/Batteries和Batteries/UC結構、新型結構進行研究，相關部件參數如表2所示。試驗臺見圖7，采用功率負載模擬電機功率需求，結合DSP等硬件控制，并計算DC-DC的工作效率。圖8為試驗用DC-DC效率。

表2 試驗部件主要參數

進行了250和150W兩組功率需求試驗，以比較DC-DC的工作效率。對綜合效率則通過50，100和300W 3組功率需求試驗，取多組試驗結果的平均值。復合電源的綜合效率按式(19)計算，試驗結果見表3。

(19)

其中ηhp=Eload/(Ebatteries+EUCs)

表3 試驗結果 %

表3中，UC/Batteries結構在SOCUC∈(0.95,1]時或在需求功率為250W且SOCUC∈[0.85,0.95]時，DC-DC降壓工作，效率低于95%；當效率為100%時，意味著DC-DC不工作，其它條件下DC-DC均升壓工作。根據測試結果，當超級電容SOC低于0.85時，DC-DC僅在150W功率需求時以較高效率升壓工作，其余條件下效率低。Batteries/UC結構則在鋰電池組單獨工作方案上有缺陷，SOCUC∈[0.85,0.95]時，DC-DC不能關閉，150W工作時效率為95%，在其它條件下，效率高于UC/Batteries結構。新型結構克服了UC/Batteries和Batteries/UC結構的缺點，并繼承了兩種結構的優點，在各種條件下均能達到很高的效率，與UC/Batteries和Batteries/UC復合電源相比，新型復合電源的綜合效率分別提高了9%和4%，證明了新型復合電源結構及其功率分配策略的合理性和有效性。

4 結論

(1) 設計了一種新型電動汽車復合電源結構，同時具備UC/Batteries和Batteries/UC結構功能，并設計了7種工作方案，根據SD-EV試驗樣車的鋰電池組和電機的工作電壓與功率需求完成復合電源系統參數匹配。

(2) 根據電動汽車實際需求、DC-DC效率設計相應的功率分配策略。基于功率平衡控制規則主動切換工作方案和分配功率。

(3) 通過仿真和試驗驗證新型復合電源結構和功率分配策略的合理性和有效性。結果表明，新型復合電源實現了多種工作方案，可有效保證鋰電池組充放電安全；與UC/Batteries和Batteries/UC復合電源相比，新型復合電源的綜合效率分別提高了9%和4%。

DC-DC輸出在試驗中受到一些非線性干擾，導致輸出功率和效率發生了輕微波動，后續的研究將對DC-DC輸出的穩定性控制進行改進。

[1] 曹秉剛.中國電動汽車技術新進展[J].西安交通大學學報,2007,41(1):114-118.

[2] 曹秉剛,張傳偉,白志峰,等.電動汽車技術進展和發展趨勢[J].西安交通大學學報,2004,38(1):1-5.

[3] Ortúzar M, Moreno J, Dixon J. Ultracapacitor-based Auxiliary Energy System for an Electric Vehicle: Implementation and Evaluation[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2007,54(4):2147-2156.

[4] 曹秉剛,曹建波,李軍偉,等.超級電容在電動車中的應用研究[J].西安交通大學學報,2008,42(11):1317-1322.

[5] Taesik P, Taehyung K. Novel Energy Conversion System Based on a Multimode Single-Leg Power Converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(1):213-220.

[6] Kuperman A, Aharon I, Malki S, et al. Design of a Semiactive Battery-Ultracapacitor Hybrid Energy Source[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(2):806-815.

[7] Gao L, Dougal R A, Liu S. Power Enhancement of an Actively Controlled Battery/Ultracapacitor Hybrid[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2005,20(1):236-243.

[8] Cao J, Emadi A. A New Battery/Ultracapacitor Hybrid Energy Storage System for Electric, Hybrid, and Plug-in Hybrid Electric Vehicles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(1):122-132.

[9] Trovao J P F, Santos V D N, Pereirinha P G, et al. A Simulated Annealing Approach for Optimal Power Source Management in a Small EV[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy,2013,4(4):867-876.

[10] 王慶年,曲曉冬,于遠彬,等.復合電源式混合動力公交車功率分配策略研究[J].汽車工程,2014,36(4):389-393.

[11] 吳志偉, 張建龍, 殷承良. 混合動力汽車用混合能量存儲系統的設計[J]. 汽車工程, 2012,34(3): 190-196.

[12] 白志峰,張傳偉,李舒欣,等.電動汽車驅動與再生制動的H∞魯棒控制[J].西安交通大學學報,2005,39(3):256-260.

[13] Khaligh A, Li Z. Battery, Ultracapacitor, Fuel Cell, and Hybrid Energy Storage Systems for Electric, Hybrid Electric, Fuel Cell, and Plug-in Hybrid Electric Vehicles: State of the Art[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2010,59(6):2806-2814.

[14] Michalczuk M, Grzesiak L M, Ufnalski B. A Lithium Battery and Ultracapacitor Hybrid Energy Source for an Urban Electric Vehicle[J]. Przegl?d Elektrotechniczny (Electrical Review),2012,88(4b):158-162.

[15] Blanes J M, Gutierrez R, Garrigos A, et al. Electric Vehicle Battery Life Extension Using Ultracapacitors and an FPGA Controlled Interleaved Buck-Boost Converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(12):5940-5948.

A Novel Hybrid Power Configuration and Its PowerDistribution Strategy for Electric Vehicles

Wang Bin, Xu Jun, Cao Binggang & Li Qiyu

InstituteforElectricVehicleandSystemControl,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049

To improve the operation efficiency of hybrid power in electric vehicle and ensure the safety of its batteries, a novel hybrid power configuration is proposed, which can achieve the function of ultra-capacitors/batteries (UC/Batteries) and batteries/UC (Batteries/UC) configurations of hybrid power by controlling selector switches and DC-DC converter. On this basis, seven operation schemes of hybrid power is devised, and the parameter matching of hybrid power system is fulfilled according to the effective operation voltages of lithium batteries and motor and the power demand characteristics of motor in SD-EV test vehicle. Then the power distribution strategies for different operation schemes are put forward based on power balance control rule with considerations of the efficiency of DC-DC converter and the SOCs of lithium batteries and UC. The results of simulation with Matlab/Simulink show that the novel hybrid power can operate with many schemes, effectively enhance the efficiency of hybrid power and ensure the charging-discharging safety of lithium batteries, while the results of verification test with tester built indicate that the overall efficiency of novel hybrid power is 9% and 4% higher than that of UC/Batteries hybrid power and Batteries/UC one respectively.

electric vehicle; hybrid power; DC-DC; power distribution strategy

*國家自然科學基金(51405374)資助。

原稿收到日期為2014年9月5日，修改稿收到日期為2014年12月24日。