基于效率優化的純電動汽車雙電源工作模式切換策略的研究*

陳 龍，周文競，盤朝奉，陳 燎

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江 212013； 2.江蘇大學汽車工程研究院，鎮江 212013)

2016068

基于效率優化的純電動汽車雙電源工作模式切換策略的研究*

陳 龍1,2，周文競1，盤朝奉1,2，陳 燎1

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江 212013； 2.江蘇大學汽車工程研究院，鎮江 212013)

為了提高雙電源電動汽車動力系統效率，對電池、超級電容和電機等子模塊進行了建模和工作過程的效率分析，以揭示在蓄電池單驅、蓄電池和超級電容雙驅和預充電3種驅動模式下電動汽車動力系統效率隨車速和加速度而變化的規律。基于效率最優的原則，在Matlab/simulink環境下研究了電動汽車動力系統的控制策略，使電動汽車能夠合理切換工作模式，使動力系統工作在效率最優的區域，延長電動汽車的續駛里程。

雙電源；控制策略；效率最優；超級電容

前言

純電動汽車的污染小，噪聲小，結構、控制和維護簡單，逐漸成為新能源汽車中重點發展的車型[1]，使以電池、電機和整車控制技術為核心的動力驅動系統產生重大技術變革，動力驅動和整車控制成為重要的技術競爭領域。

近幾年，諸多文獻對純電動車的控制策略進行了研究[2-3]。文獻[2]中搭建了純電動汽車動力總成系統仿真模型，利用建立的模型對純電動汽車的起步加速過程進行優化。文獻[3]中對蓄電池-超級電容的復合儲能系統在4種能量管理策略下進行了經濟性分析，發現基于規則的控制策略具有較低的運行成本。可見，提高純電動車的效率是制定驅動策略的重要依據，基于規則的能量管理策略是實現效率優化的重要手段。

蓄電池的功率密度低，以蓄電池為單一電源的純電動汽車，動力性和經濟性受到極大限制。將超級電容引入電動汽車的儲能系統中，利用其高功率密度的特點彌補蓄電池的不足[4-5]。超級電容功率密度大，能夠配合電池的輸出電流滿足車輛大功率工況下轉矩和功率的需求，保證電池的輸出電流平穩，提高電池和動力系統的能量效率，延長電池的壽命[5]。

本文中通過建立電動汽車動力系統的效率模型，分析在蓄電池單驅、蓄電池與超級電容雙驅和蓄電池給超級電容預充電3種驅動模式[5]下電動汽車動力系統效率的變化規律，以效率優化為目標，研究基于規則的能量管理控制策略，并分析其控制效果。

1 動力系統控制策略的設計

1.1 復合電源電動車動力系統

超級電容-蓄電池復合電源電動車動力系統結構如圖1所示。能量管理控制器負責協調分配超級電容、蓄電池的輸出功率并發出指令。電機控制器的功能是控制電機的能量轉化，車輛驅動時，控制電機將電能轉化為動能；車輛制動時，控制電機將動能轉化為電能[5]。

圖1 復合電源電動車動力系統結構

1.2 電動汽車動力系統建模與效率分析

1.2.1 蓄電池模型及其效率特性分析

本文中采用的蓄電池基本參數見表1。

表1 蓄電池基本參數

常用的電池電路模型主要有線性模型、Thevenin模型和PNGV等效電路模型[4,6]。線性模型過于簡單，誤差較大；PNGV模型階數高，參數難以確定。故本研究采用Thevenin模型[7-8]，如圖2所示。圖中E為開路電壓，R1為極化電阻，C1為極化電容，R0為歐姆電阻，Ub為輸出電壓。

圖2 蓄電池的等效電路模型

對錳酸鋰電池的內阻特性進行測試與分析，可知歐姆電阻與極化內阻在放電時呈現的內阻特性為：荷電狀態(state of charge, SOC)∈(0.2,0.9)時，電池內阻平穩；SOC∈[0,0.2]/[0.9,1]時，電池內阻較高[7]。在高電量低電量狀態下電池的內阻較高，相同的放電電流導致較高的損耗；中間電量狀態時，內阻較低且較為穩定，損耗較少。綜上所述，本文中將電池分為兩種工作狀態：SOC∈[0,0.2]/[0.9,1]的低效率區和SOC∈(0.2,0.9)的高效率區。對蓄電池進行靜置特性測試，獲取該蓄電池在不同電池SOC下的歐姆電阻R0、極化內阻R1和極化電容C1[8]。將電池阻抗以表格形式輸入電池的效率模型，根據SOC確定電池內部阻抗，理論計算出電池的損耗，其數學模型為

(1)

式中：U1為極化電壓，即R1和C1兩端電壓；Pbw為功率損耗；I為輸出電流。

1.2.2 超級電容模型及其效率特性分析

式(2)描述了超級電容的輸出特性和能量特性，根據該式可確定超級電容的底線電壓和最大放電電流為

(2)

式中：C為超級電容的電容值；Ut為額定電壓；Ub為底線電壓；η為逆變器的效率；Imax-sc為超級電容最大輸出電流；Imax為超級電容輸入到總線上的最大電流；Umax為總線上最大電壓；Umin為超級電容最小輸出電壓；ΔE為超級電容可用的能量。采用軟開關的DCDC逆變器在大輸出功率下的效率高達95%[6,9-10],根據選用的軟開關逆變器型號HWZ20的相關技術參數，設定其效率值η為0.95。選用電動車專用超級電容模組BMOD0165 P048。根據式(2)計算從額定電壓開始放電至不同的底線電壓所對應的超級電容可用能量、最大電流放電時間和最大允許電流，如表2所示。

表2 超級電容底線電壓對應表

結合表2中的值，設定Ub=25V。在該底線電壓下，最大電流放電時間最長，放電深度達51.4%，可利用能量達143kJ。

目前超級電容的等效電路模型主要有經典拜德極化模型和Newman傳輸線模型[10-11]。上述兩種模型雖精確度較高，但模型較復雜。在進行慢速和突加負載放電時，兩種等效電路的放電電流和電容兩端電壓基本吻合[10,12]。本文中采用超級電容拜德極化模型的等效模型，如圖3所示。圖中C為超級電容的電容，Res為串聯電阻，Rep為并聯電阻。

圖3 超級電容等效電路模型

為合理利用超級電容的能量，本文中在額定電壓Ut與底線電壓Ub之間擬定兩條電壓線，UH和UL。超級電容端電壓U在UH與Ut之間時，說明儲存電量即將接近極限，優先采用雙驅驅動；U在UL與Ub之間時，若SOC(0.2,1],電量充足，在無需超級電容供電的低需求功率下，優先采用預充電模式，若SOC(0,0.2]，電量低，則不考慮預充電模式；U在UH與UL之間時為效率區間，根據動力系統效率來區分單驅模式和雙驅模式。本研究中設定UH=45V，UL=30V，如圖4所示。超級電容分為3個工作狀態：(1)端電壓U(45,48.6]的優先雙驅區；(2)端電壓U(30,45]的效率區；(3)端電壓U[25,30]的優先預充區。

圖4 超級電容工作狀態劃分

由于超級電容多工作在大電流狀態，此時其內阻波動很小[13]，故在對超級電容建模時，只考慮定值串聯電阻Res的損耗，而并聯電阻上的漏電電流極小，可以忽略不計[13]，故超級電容損耗的數學模型為

(3)

式中：Pws為超級電容的功率損耗；Res為定值，可在超級電容的技術參數中獲得。

1.2.3 電機效率特性分析

電機損耗的經驗公式可參見文獻[14]，但諸多損耗系數難以獲得，直接用理論計算損耗有很大難度和誤差。在生產廠商提供的電機效率MAP圖譜的基礎上，將關鍵點的電機效率運用表格的形式代入電機的效率模型，根據需求轉速和轉矩，運用分段線性插值的方法，直接得出電機瞬時效率ηe。

1.2.4 電動汽車動力系統效率模型構建和效率優化方法

采用逆向建模方法，即數據流方向和實際的能量流方向相反，以忽略駕駛員的影響，降低了模型復雜度，模型如圖5所示。

根據蓄電池的效率分析，在模型中取SOC=0.6代表電池的高效率區進行仿真；取SOC=1代表低效率區仿真。超級電容端電壓U[25,48.6]V，在模型中設定超級電容初始端電壓U0=42V代表(35,48.6]的高工作電壓區間，設定U0=30V代表[25,35]的低電壓工作區間。以速度v和加速度a作為自變量計算系統效率。

圖5 效率優化算法模型

使系統效率最優的目標函數為

(4)

1.2.5 電動汽車的工作模式的區分

通過動力系統效率模型可計算各工況下蓄電池單驅模式和蓄電池-超級電容雙驅模式的效率值，得出效率空間曲面圖，并投影至v-a平面獲得單雙驅模式效率曲面的空間交線，如圖6～圖9所示，粗實線以上部分為雙驅模式，粗實線及以下部分為單驅模式。

圖6 工作模式區分1

(1) 電池處于高效率區間，超級電容處于高電壓區間時，單雙驅模式區分方法如圖6所示。電池SOC(0.2,0.9)的高效率區，超級電容端電壓U(35,48.6]的高工作電壓區間,通過對數據的3次多項式擬合得到雙驅模式的蓄電池優化輸出功率為

PB1=[-0.3504,0.05726,2.936,-0.0002986,0.1945,-6.958,7.609e-6,-0.002048,0.07655,4.644]×[1,v,a,v2,va,a2,v3,v2a,va2,a3]T

式中：v為車速；a為加速度；PB1為輸出功率，kW。

(2) 電池處于高效率區間，超級電容處于低電壓區間時，單雙驅模式區分方式如圖7所示。電池SOC(0.2,0.9)的高效率區，超級電容外電壓U(25,35]的低工作電壓區間,通過對數據的3次多項式擬合得到，雙驅模式的蓄電池優化輸出功率為

PB2=[-0.4825,0.09645,1.26,-0.002179,-0.0983,1.373,3.008e-5,0.001303,0.1321,-4.031]×[1,v,a,v2,va,a2,v3,v2a,va2,a3]T

式中PB2為輸出功率，kW。

圖7 工作模式區分2

(3) 電池處于低效率區間，超級電容處于高電壓區間時，單雙驅模式區分方式如圖8所示。電池SOC(0,0.2]或[0.9,1]的低效率區，超級電容外電壓U(35,48.6]的高電壓區間,通過對數據的3次多項式擬合得到雙驅模式的電池優化輸出功率為

PB3=[-0.4587,0.1045,3.469,-0.002708,-0.1549,-3.421,2.504e-5,0.002379,0.1235,0.9143]×[1,v,a,v2,va,a2,v3,v2a,va2,a3]T

式中PB3為輸出功率，kW。

圖8 工作模式區分3

(4) 電池處于低效率區間，超級電容處于低電壓區間時，單雙驅模式區分方法如圖9所示。電池SOC(0,0.2]或[0.9,1]的低效率區，超級電容外電壓U(25,35]的低工作電壓區間,通過對數據的3次多項式擬合得到雙驅模式的電池優化輸出功率為

PB4=[0.2212,-0.01323,1.174,0.001982,-0.02571,-1.5,-2.5e-5,0.003214,0.2,0.4167]×[1,v,a,v2,va,a2,v3,v2a,va2,a3]T

式中PB4為輸出功率，kW。

圖9 工作模式區分4

1.3 整車驅動控制策略

整車驅動控制策略流程如圖10所示。

圖10 驅動控制策略流程圖

根據前面的分析可總結出基于效率最優的復合電源電動車的驅動控制策略：車輛在驅動過程中，傳感器實時采集電動車的車速v、加速度a、蓄電池SOC和超級電容端電壓U，首先根據SOC和U判斷電池和超級電容所屬的工作狀態，再根據得到的工作狀態、實時的車速和加速度判斷系統進入單驅模式、雙驅模式或是預充電模式，若進入單驅模式則停止超級電容的輸出，使電池單獨供電；若進入雙驅模式則根據該工作狀態對應的電池最佳輸出功率調節蓄電池的輸出功率；若進入預充電模式則選用對超級電容脈沖充電，最大限度地提高超級電容的能量接收率和能量效率[11]。

2 驅動控制策略的建模和仿真

2.1 驅動控制系統仿真模型的構建

為分析控制策略的控制效果，本文中建立了驅動控制系統的仿真模型，它包括蓄電池模型、超級電容模型、車輛行駛需求功率生成模型和邏輯分配模型(包括工作狀態判斷模塊、電池輸出功率限制模塊和模式選擇模塊)4大部分。通過該模型可對控制策略的控制效果，電池和超級電容的工作狀態進行仿真,仿真模型如圖11所示。

圖11 控制策略仿真模型

2.2 驅動控制策略仿真分析

制動能量回收過程不在本文中的研究范疇，故在仿真時，設定制動能量回收率ζ=20%，回收率定義為

ζ=Er/En

(5)

En=ΔWn+Efn

(6)

式中：Er為能夠回收到電容中的能量；En為制動區間能量變化；ΔWn為制動區間動能變化；Efn為制動區間阻力做功。駐車的行駛功率需求為零，近似認為系統效率為1。

2.2.1 循環工況下動力源的輸出對比

采用《GB/T 18386—2005電動汽車能量消耗率和續駛里程實驗方法》[15-16]中的基本市區循環工況，在電池SOC=0.8,超級電容端電壓U=45V的初始條件下分析本控制策略下蓄電池的輸出電流，結果如圖12所示。可知，在瞬時大功率需求時，車輛進入雙驅模式，蓄電池的輸出電流相對穩定，且明顯減小，輸出功率按照前面制定的PB1輸出。

圖12 循環工況下電動汽車蓄電池輸出電流仿真結果

圖13 基本市區循環工況下效率比較圖

2.2.2 循環工況下整車經濟性分析

在電池SOC=0.8，超級電容端電壓U=45V的初始條件下，以基本市區循環工況為輸入，仿真得到動力系統效率的變化情況，如圖13所示(制動工況和駐車工況不在本文的考慮范疇，設其系統效率均為1)。在模式切換瞬間，超級電容停止大電流輸出，使得系統電流出現跳動，系統瞬間效率降低，而其他情況下，本驅動策略有明顯的效率優勢。

根據圖11，設定初始條件為超級電容電量充足，假設U=45V，以市區循環工況為輸入，在不同電池SOC下運行仿真模型，可得到效率優化后的整車經濟性。更改仿真模型，將動力源僅保留蓄電池，同樣以市區循環工況為輸入，可得優化前的整車經濟性，優化前后能耗對比如表3所示。ΔE1和ΔE2分別表示優化前后整車能量損耗。

表3 整車能量損耗比較

以重復的基本城市循環工況為輸入，從初始SOC=1開始，運行控制策略仿真模型，直至SOC=0.1，比較優化前后的車輛續駛里程，結果見表4。

表4 車輛續駛里程比較

由以上仿真結果可知，在本文中制定的策略下，單驅、雙驅和預充電模式能夠合理切換，并能夠在車輛行駛需求功率較大的工況下使電動車進入雙驅模式，減少蓄電池的負荷，同時降低系統的損耗，提高整車的能量效率和續駛里程。

3 結論

(1) 根據復合電源電動車的特點劃分了電動車的驅動模式，并基于最優效率建立了系統效率模型和驅動模式識別和轉換控制策略模型。

(2) 制定了純電動車的驅動控制策略，劃分了電池和超級電容的工作狀態，在效率模型的基礎上，結合效率優化算法，合理的區分了各種驅動工況。

(3) 仿真結果表明，所建立的模型和控制策略是可行的，能夠有效提高系統的能量效率，延長續駛里程。

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A Research on the Working Mode Switching Strategy for the DualPower of Electric Vehicle Based on Efficiency Optimization

Chen Long1,2, Zhou Wenjing1, Pan Chaofeng1,2& Chen Liao1

1.InstituteofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013;2.InstituteofResearchandAutomotiveEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013

For enhancing the efficiency of dual power electric vehicles, the models for the sub-modules of battery, super capacitor and electric motor are set up, and the efficiency of system in working process is analyzed. The changing law of power system efficiency with the variations of vehicle speed and acceleration in three drive modes (battery drive alone, dual power drive and pre-charging) is revealed. Based on the principle of optimum efficiency, the control strategy for the power system of electric vehicle is studied under the environment of Matlab/ simulink to enable electric vehicle to reasonably switch its working modes and make power system operates in the region of optimum efficiency and extends the driving range of electric vehicle.

dual electric power; control strategy; optimum efficiency; super capacitor

*國家自然科學基金(51105178)、江蘇省自然科學基金(BK2011489)、國家863計劃項目(2012AA111401)、國家新能源汽車產業技術創新工程和江蘇省“六大人才高峰”項目(2013-XNY-002)資助。

原稿收到日期為2014年11月24日，修改稿收到日期為2015年2月8日。