電動汽車用復合能源系統實驗平臺研發

馮能蓮， 董昊龍， 賓 洋， 占子奇

(北京工業大學 環境與能源工程學院, 北京 100124)

電動汽車用復合能源系統實驗平臺研發

馮能蓮， 董昊龍， 賓 洋， 占子奇

(北京工業大學 環境與能源工程學院, 北京 100124)

針對動力電池和超級電容作為能量源的電動汽車用復合能源管理系統，開發了一套具有再生制動功能的復合能源系統實驗平臺。根據電動汽車驅動系統特點，在完成平臺結構總體設計及各子系統部件設計的基礎上，完成實驗平臺搭建。實驗平臺通過電機及驅動器、制動器和轉動慣量可以模擬電動汽車行駛的不同工況，以便對動力電池及超級電容的混合驅動控制及再生制動控制效果進行測試與優化。

電動汽車； 復合能源； 實驗平臺； 再生制動

當今，電動汽車的研發與應用已成為改善城市環境污染和降低能源依賴度的有效途徑之一[1-2]。但傳統的以動力電池為能量源的電動汽車，受動力電池比功率小、充放電壽命短等因素制約，很難滿足廣大的市場需要。超級電容是近年來出現的一種新型儲能元件，具有長壽命、比功率大、質量輕、工作溫度范圍寬及環保等特點[3]。如果能夠將兩者組合形成復合能源，在為電動汽車提供電能時通過合理的拓撲結構以及相應的能量管理策略，可充分發揮兩種不同儲能裝置的優勢，是提高車載能源系統壽命、降低成本、提高整體性能的一種有效解決辦法，將會更好地滿足實際需求[4-5]。

復合能源系統克服了超級電容比能量低、動力電池比功率小的缺點。利用超級電容所具有的快速充放電特性，能夠有效地將電動汽車下坡、減速、制動等工況所浪費的能量轉變成電能并回收利用，從而減少能源浪費，提高整車能源使用效率[6-7]。然而，由于系統的構成復雜，各組成部分之間又存在相互作用和影響，因此，對于控制器的設計、系統各組成部分之間的參數匹配要求較高。如何對其加以有效控制，是需要解決和不斷完善的課題。

針對上述問題，本文提出并開發了具有再生制動功能的復合能源系統實驗平臺，通過合理布局，能夠靈活地對復合能源系統結構進行優化。由于該實驗平臺蘊含了電動汽車的系統構成和工作原理，同時，自主開發的控制系統具有豐富的接口資源，因此，實驗平臺能夠較好地詮釋電動汽車中的“三電”(電源、電機、電控)等核心技術，為教學實驗和工程實踐提供了一個組成豐富、構成靈活、功能多樣的開放式平臺。

1 復合能源系統實驗平臺設計

本實驗平臺目的在于提供一個具有電動汽車再生制動、動力電池與超級電容混合驅動、系統控制的綜合實驗裝置。實驗平臺可以研究如何對動力電池與超級電容混合驅動系統進行有效控制，保護動力電池工作在健康工作區間內且達到更高的能源利用率，也可以用于模擬電動汽車減速制動時動能轉化為電能過程，研究如何最大效率地回收電動汽車再生制動能量。通過合理的布局，又可以靈活地對實驗平臺系統結構進行調整，達到對電動汽車用復合能源及電機系統各部件的性能測試及系統總成的綜合實驗研究。

1.1 實驗平臺結構

復合能源系統實驗平臺由機械、電氣、控制等3部分構成，如圖1所示。在功能上則分為功率輸出系統、能源驅動系統、集成控制系統等3部分。

功率輸出系統主要包括電機及驅動器、轉速/轉矩傳感器、轉動慣量、磁粉制動器(簡稱制動器)。轉動慣量作為負載，可通過改變慣量配重模擬不同電動汽車車重。制動器用于模擬電動汽車機械制動器功能。電機及驅動器采用直流無刷電機及其驅動系統。電機、轉速/轉矩傳感器、轉動慣量、制動器依次通過聯軸器同軸機械連接。

圖1 復合能源系統實驗平臺結構示意圖

能源驅動系統主要包括動力電池組(簡稱動力電池)、超級電容組(簡稱超級電容)、DC/DC變換器等。根據實驗要求可有4種不同的拓撲結構形式[8-9]。第1種，動力電池與超級電容直接并聯連接，再與電機驅動器連接；第2種，超級電容與DC/DC變換器串聯連接，再與動力電池并聯連接，然后與電機驅動器連接(見圖1)；第3種，動力電池與DC/DC變換器串聯連接，再與超級電容并聯后連接電機驅動器；第4種，超級電容和動力電池分別與一個DC/DC變換器串聯連接，然后二者并聯連接到電機驅動器。

集成控制系統主要包括電流電壓傳感器、轉速轉矩頻率測量控制儀、信號采集板卡及計算機等。計算機通過數據采集卡獲取系統各部件重要狀態參數，通過設計相應的控制策略[10-12]，對各部件進行實時控制。

1.2 實驗平臺控制

采用Matlab/Simulink和LabVIEW聯合控制方式設計實驗平臺的集成控制系統，原理如圖2所示。

圖2 復合能源系統實驗平臺控制原理

Matlab/Simulink具有強大的計算能力，用其設計系統的控制策略；而與LabVIEW相比Mmatlab/Simulink對各種數據板卡有更好的兼容性，其仿真接口工具包simulation Interface Tookit為LabVIEW與Mmatlab/Simulink提供了方便的連接方案。利用LabVIEW豐富的界面作為Simulink計算程序的輸入、輸出通道，數據采集與輸出驅動選擇數據IO卡，實現動態綜合分析的集成環境。

2 實驗平臺構建

實驗平臺構成如圖3所示。根據設計要求，對實驗平臺的功率進行等比縮小，選用的驅動電機功率為600 W，由此確定各組成部件的主要性能參數見表1。

圖3 復合能源系統實驗平臺構成

部件名稱參 數參數值個數/個3動力電池單體額定電壓/V12額定容量/Ah60個數/個4超級電容單體額定電壓/V12額定容量/F600輸入電壓范圍/V24～48DC/DC變換器開關頻率/Hz125000功率/W1200工作范圍/V36～62電機及驅動器功率/W600最高轉速/(r·min-1)1500制動器額定扭矩/(Nm)50滑差扭矩/(Nm)4

將動力電池和超級電容的額定電壓設計為不等是為了突出系統的功能和性能，為了優化配置復合能源系統，以取得最優的整體性能，通過一定的拓撲結構和合適的控制方法，同一個系統中的復合能源其各能量源可以采用不同的額定電壓。

3 實驗平臺功能

3.1 單能源驅動系統實驗

(1) 動力電池驅動實驗。斷開超級電容與電機驅動器連接，將動力電池直接與電機驅動器連接，單獨為功率輸出系統提供電能。此結構方案通過總監控系統(即圖2中的“計算機”及控制軟件，下同)對電機驅動器、轉速轉矩頻率測量控制儀、(制動器的)張力控制器進行控制及信號采集，可以對動力電池的工作性能進行實驗及分析，優化動力電池在能源驅動組中充放電工作區間。

(2) 超級電容驅動實驗。斷開動力電池與電機驅動器連接，將超級電容(可組成與電機額定電壓匹配的電壓等級)直接與電機驅動器連接，單獨為電機提供電能。此結構方案通過總監控系統對電機驅動器、轉速轉矩頻率測量控制儀、張力控制器進行控制及信號采集，可以對超級電容的工作性能特性進行實驗及分析，獲取超級電容的端電壓變化及效率MAP圖等。

3.2 電機性能及再生制動實驗

針對所選用電機設計電機性能實驗，通過對電機驅動器及制動器的控制，可以對電機在各種工況下的性能特性進行實驗及分析，研究再生制動過程中，機械制動與電磁制動的制動力分配問題，以及復合能源系統電能存儲的效率問題。作為對復合能源系統控制策略優化設計的基礎。

3.3 總監控系統優化實驗

根據不同的實驗要求，總監控系統(可通過總線)與電機驅動器、轉速轉矩頻率測量控制儀、張力控制器等協調工作，模擬不同的實驗情況，對總監控系統的控制過程進行實驗及優化，以求達到更高的峰值功率、能源利用率和再生制動回收效率。

3.4 復合能源混合驅動實驗

以上述實驗為基礎，復合能源系統實驗平臺可進行動力電池-超級電容混合驅動實驗。對1.1節所述能源驅動系統4種拓撲結構形式進行對比實驗測試，通過分別對4種結構進行實驗分析，并制定相應的復合能源系統功率分配比控制策略。

4 實驗結果與分析

以某段城市行駛工況的電機功率需求為例，進行復合能源系統實驗平臺硬件實時實驗研究，并通過與單一動力電池能量源的平臺拓撲結構形式的結果相比較，驗證所開發的復合能源系統實驗平臺的工作性能。

實驗結果如圖4和圖5所示，圖4和圖5分別為采用單一動力電池系統和復合能源系統的電壓、電流及驅動電機功率。圖例中，BUS表示電源總線，BAT表示動力電池，SC表示超級電容。分析實驗結果可知：

(1) 通過適當的控制能夠達到動力電池僅提供工作過程中的較平穩功率輸出，而超級電容則彌補峰值電功率與平均電功率的差值的目的，從而維持動力電池處于較好的工作狀態，保證電池的工作性能，延長電池的使用壽命；

(2) 復合能源系統中的超級電容輸出電流響應較快，使其能夠提供與單一動力電池系統一致的輸出總功率，基本滿足驅動電機的動力性要求；

(3) 在電機需求功率較大時，復合能源大部分峰值功率由超級電容提供；即使在電機需求功率最大時，動力電池在超級電容協調工作下，其輸出功率也能夠抑制在110 W左右，與單一動力電池系統中動力電池的峰值功率235 W相比，下降了53.2%，相對單一動力電池系統明顯減小，表現較為平滑；

(4) 由于超級電容分擔了大部分的“毛刺”功率，因此動力電池輸出電流變化平滑，對應的復合能源系統的總線電壓(如圖5(b)，一直穩定在34 V附近)相對于單一動力電池系統(如圖4(b)，一直在33～34.5 V附近變化)顯得更為穩定。這也進一步驗證了復合能源系統的確能夠較為明顯分擔動力電池波動功率的輸出特性。

圖4 單一動力電池系統實驗結果

圖5 復合能源系統實驗結果

5 結論

(1) 復合能源系統實驗平臺可以模擬電動汽車中電機的啟動、加減速、再生制動等運行工況。通過改變系統中各部件的相互連接方式，夠提供能源驅動系統實驗、電機性能實驗、總監控系統優化實驗、復合能源混合驅動實驗等。

(2) 通過實驗調試，系統可有效地對各部件進行信號采集和實時控制，可以作為復合能源系統能量控制算法實驗驗證的基礎。

(3) 實驗平臺既克服了實車教學實驗成本高、用時長、受環境制約、功能固定的不足；也克服了教學模型功能有限，或受結構限制無法改變功能的缺點。

(4) 實驗平臺為基于動力電池和超級電容的電動汽車用復合能源管理系統的研究提供了良好的原理性、功能性的硬件結構和控制軟件的科學研究、技術開發、教學實驗、工程實訓平臺。同時，也為相同或相近的多能源系統、驅動系統的實驗平臺建設和應用提供了積極的參考方法。

References)

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Development of EV hybrid energy storagetechnology experimental platform

Feng Nenglian, Dong Haolong, Bin Yang, Zhan Ziqi

(College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

A set of experimental platform of composite energy system with regenerative braking function is developed based on the research of comprehensive energy management system with power battery and super capacitor as the energy source of the electric vehicle(EV).The experimental platform is completed based on the design of overall structure and each subsystem according to the characteristics of the driving system of EV,and the experimental platform can simulate different driving conditions of the EV with the motor and driving system,braking system and inertia system.That serves the testing and optimization on the control of power battery and super capacitor along with regenerative braking process.

electric vehicle(EV); hybrid energy; experimental platform; regenerative braking

2014- 09- 13 修改日期：2015- 01- 28

北京工業大學教育教學研究項目項目(ER2011-A03);國家自然科學基金項目(51075010、51007003);北京市教委科技項目(KZ200910005007,KM201110005010)

馮能蓮(1962—)，男，安徽宣城，博士，教授，研究方向為新能源汽車、汽車電子、智能車輛.

E-mail：fengnl@bjut.edu.cn

TM912;G484

A

1002-4956(2015)5- 0090- 04