基于效率優(yōu)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(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇大學(xué)汽車工程研究院，鎮(zhèn)江 212013)

2016068

基于效率優(yōu)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(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇大學(xué)汽車工程研究院，鎮(zhèn)江 212013)

為了提高雙電源電動汽車動力系統(tǒng)效率，對電池、超級電容和電機(jī)等子模塊進(jìn)行了建模和工作過程的效率分析，以揭示在蓄電池單驅(qū)、蓄電池和超級電容雙驅(qū)和預(yù)充電3種驅(qū)動模式下電動汽車動力系統(tǒng)效率隨車速和加速度而變化的規(guī)律。基于效率最優(yōu)的原則，在Matlab/simulink環(huán)境下研究了電動汽車動力系統(tǒng)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(tǒng)工作在效率最優(yōu)的區(qū)域，延長電動汽車的續(xù)駛里程。

雙電源；控制策略；效率最優(yōu)；超級電容

前言

純電動汽車的污染小，噪聲小，結(jié)構(gòu)、控制和維護(hù)簡單，逐漸成為新能源汽車中重點發(fā)展的車型[1]，使以電池、電機(jī)和整車控制技術(shù)為核心的動力驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生重大技術(shù)變革，動力驅(qū)動和整車控制成為重要的技術(shù)競爭領(lǐng)域。

近幾年，諸多文獻(xiàn)對純電動車的控制策略進(jìn)行了研究[2-3]。文獻(xiàn)[2]中搭建了純電動汽車動力總成系統(tǒng)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(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[3]中對蓄電池-超級電容的復(fù)合儲能系統(tǒng)在4種能量管理策略下進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，發(fā)現(xiàn)基于規(guī)則的控制策略具有較低的運(yùn)行成本。可見，提高純電動車的效率是制定驅(qū)動策略的重要依據(jù)，基于規(guī)則的能量管理策略是實現(xiàn)效率優(yōu)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(jīng)濟(jì)性受到極大限制。將超級電容引入電動汽車的儲能系統(tǒng)中，利用其高功率密度的特點彌補(bǔ)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(zhuǎn)矩和功率的需求，保證電池的輸出電流平穩(wěn)，提高電池和動力系統(tǒng)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(tǒng)的效率模型，分析在蓄電池單驅(qū)、蓄電池與超級電容雙驅(qū)和蓄電池給超級電容預(yù)充電3種驅(qū)動模式[5]下電動汽車動力系統(tǒng)效率的變化規(guī)律，以效率優(yōu)化為目標(biāo)，研究基于規(guī)則的能量管理控制策略，并分析其控制效果。

1 動力系統(tǒng)控制策略的設(shè)計

1.1 復(fù)合電源電動車動力系統(tǒng)

超級電容-蓄電池復(fù)合電源電動車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。能量管理控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)分配超級電容、蓄電池的輸出功率并發(fā)出指令。電機(jī)控制器的功能是控制電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化，車輛驅(qū)動時，控制電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為動能；車輛制動時，控制電機(jī)將動能轉(zhuǎn)化為電能[5]。

圖1 復(fù)合電源電動車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 電動汽車動力系統(tǒng)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(shù)見表1。

表1 蓄電池基本參數(shù)

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(shù)高，參數(shù)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(nèi)阻特性進(jìn)行測試與分析，可知?dú)W姆電阻與極化內(nèi)阻在放電時呈現(xiàn)的內(nèi)阻特性為：荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)∈(0.2,0.9)時，電池內(nèi)阻平穩(wěn)；SOC∈[0,0.2]/[0.9,1]時，電池內(nèi)阻較高[7]。在高電量低電量狀態(tài)下電池的內(nèi)阻較高，相同的放電電流導(dǎo)致較高的損耗；中間電量狀態(tài)時，內(nèi)阻較低且較為穩(wěn)定，損耗較少。綜上所述，本文中將電池分為兩種工作狀態(tài)：SOC∈[0,0.2]/[0.9,1]的低效率區(qū)和SOC∈(0.2,0.9)的高效率區(qū)。對蓄電池進(jìn)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(nèi)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(jù)SOC確定電池內(nèi)部阻抗，理論計算出電池的損耗，其數(shù)學(xué)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(jù)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(guān)的DCDC逆變器在大輸出功率下的效率高達(dá)95%[6,9-10],根據(jù)選用的軟開關(guān)逆變器型號HWZ20的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，設(shè)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(jù)式(2)計算從額定電壓開始放電至不同的底線電壓所對應(yīng)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(yīng)表

結(jié)合表2中的值，設(shè)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(dá)51.4%，可利用能量達(dá)143kJ。

目前超級電容的等效電路模型主要有經(jīng)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(fù)雜。在進(jìn)行慢速和突加負(fù)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(lián)電阻，Rep為并聯(lián)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(yōu)先采用雙驅(qū)驅(qū)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(yōu)先采用預(yù)充電模式，若SOC(0,0.2]，電量低，則不考慮預(yù)充電模式；U在UH與UL之間時為效率區(qū)間，根據(jù)動力系統(tǒng)效率來區(qū)分單驅(qū)模式和雙驅(qū)模式。本研究中設(shè)定UH=45V，UL=30V，如圖4所示。超級電容分為3個工作狀態(tài)：(1)端電壓U(45,48.6]的優(yōu)先雙驅(qū)區(qū)；(2)端電壓U(30,45]的效率區(qū)；(3)端電壓U[25,30]的優(yōu)先預(yù)充區(qū)。

圖4 超級電容工作狀態(tài)劃分

由于超級電容多工作在大電流狀態(tài)，此時其內(nèi)阻波動很小[13]，故在對超級電容建模時，只考慮定值串聯(lián)電阻Res的損耗，而并聯(lián)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(shù)學(xué)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(shù)參數(shù)中獲得。

1.2.3 電機(jī)效率特性分析

電機(jī)損耗的經(jīng)驗公式可參見文獻(xiàn)[14]，但諸多損耗系數(shù)難以獲得，直接用理論計算損耗有很大難度和誤差。在生產(chǎn)廠商提供的電機(jī)效率MAP圖譜的基礎(chǔ)上，將關(guān)鍵點的電機(jī)效率運(yùn)用表格的形式代入電機(jī)的效率模型，根據(jù)需求轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，運(yùn)用分段線性插值的方法，直接得出電機(jī)瞬時效率ηe。

1.2.4 電動汽車動力系統(tǒng)效率模型構(gòu)建和效率優(yōu)化方法

采用逆向建模方法，即數(shù)據(jù)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(fù)雜度，模型如圖5所示。

根據(jù)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(qū)進(jìn)行仿真；取SOC=1代表低效率區(qū)仿真。超級電容端電壓U[25,48.6]V，在模型中設(shè)定超級電容初始端電壓U0=42V代表(35,48.6]的高工作電壓區(qū)間，設(shè)定U0=30V代表[25,35]的低電壓工作區(qū)間。以速度v和加速度a作為自變量計算系統(tǒng)效率。

圖5 效率優(yōu)化算法模型

使系統(tǒng)效率最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)為

(4)

1.2.5 電動汽車的工作模式的區(qū)分

通過動力系統(tǒng)效率模型可計算各工況下蓄電池單驅(qū)模式和蓄電池-超級電容雙驅(qū)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(qū)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(qū)模式，粗實線及以下部分為單驅(qū)模式。

圖6 工作模式區(qū)分1

(1) 電池處于高效率區(qū)間，超級電容處于高電壓區(qū)間時，單雙驅(qū)模式區(qū)分方法如圖6所示。電池SOC(0.2,0.9)的高效率區(qū)，超級電容端電壓U(35,48.6]的高工作電壓區(qū)間,通過對數(shù)據(jù)的3次多項式擬合得到雙驅(qū)模式的蓄電池優(yōu)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(qū)間，超級電容處于低電壓區(qū)間時，單雙驅(qū)模式區(qū)分方式如圖7所示。電池SOC(0.2,0.9)的高效率區(qū)，超級電容外電壓U(25,35]的低工作電壓區(qū)間,通過對數(shù)據(jù)的3次多項式擬合得到，雙驅(qū)模式的蓄電池優(yōu)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(qū)分2

(3) 電池處于低效率區(qū)間，超級電容處于高電壓區(qū)間時，單雙驅(qū)模式區(qū)分方式如圖8所示。電池SOC(0,0.2]或[0.9,1]的低效率區(qū)，超級電容外電壓U(35,48.6]的高電壓區(qū)間,通過對數(shù)據(jù)的3次多項式擬合得到雙驅(qū)模式的電池優(yōu)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(qū)分3

(4) 電池處于低效率區(qū)間，超級電容處于低電壓區(qū)間時，單雙驅(qū)模式區(qū)分方法如圖9所示。電池SOC(0,0.2]或[0.9,1]的低效率區(qū)，超級電容外電壓U(25,35]的低工作電壓區(qū)間,通過對數(shù)據(jù)的3次多項式擬合得到雙驅(qū)模式的電池優(yōu)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(qū)分4

1.3 整車驅(qū)動控制策略

整車驅(qū)動控制策略流程如圖10所示。

圖10 驅(qū)動控制策略流程圖

根據(jù)前面的分析可總結(jié)出基于效率最優(yōu)的復(fù)合電源電動車的驅(qū)動控制策略：車輛在驅(qū)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(jù)SOC和U判斷電池和超級電容所屬的工作狀態(tài)，再根據(jù)得到的工作狀態(tài)、實時的車速和加速度判斷系統(tǒng)進(jìn)入單驅(qū)模式、雙驅(qū)模式或是預(yù)充電模式，若進(jìn)入單驅(qū)模式則停止超級電容的輸出，使電池單獨(dú)供電；若進(jìn)入雙驅(qū)模式則根據(jù)該工作狀態(tài)對應(yīng)的電池最佳輸出功率調(diào)節(jié)蓄電池的輸出功率；若進(jìn)入預(yù)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(qū)動控制策略的建模和仿真

2.1 驅(qū)動控制系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建

為分析控制策略的控制效果，本文中建立了驅(qū)動控制系統(tǒng)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(tài)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(tài)進(jìn)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(qū)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(shè)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(qū)間能量變化；ΔWn為制動區(qū)間動能變化；Efn為制動區(qū)間阻力做功。駐車的行駛功率需求為零，近似認(rèn)為系統(tǒng)效率為1。

2.2.1 循環(huán)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(xù)駛里程實驗方法》[15-16]中的基本市區(qū)循環(huán)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(jié)果如圖12所示。可知，在瞬時大功率需求時，車輛進(jìn)入雙驅(qū)模式，蓄電池的輸出電流相對穩(wěn)定，且明顯減小，輸出功率按照前面制定的PB1輸出。

圖12 循環(huán)工況下電動汽車蓄電池輸出電流仿真結(jié)果

圖13 基本市區(qū)循環(huán)工況下效率比較圖

2.2.2 循環(huán)工況下整車經(jīng)濟(jì)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(qū)循環(huán)工況為輸入，仿真得到動力系統(tǒng)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(shè)其系統(tǒng)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(tǒng)電流出現(xiàn)跳動，系統(tǒng)瞬間效率降低，而其他情況下，本驅(qū)動策略有明顯的效率優(yōu)勢。

根據(jù)圖11，設(shè)定初始條件為超級電容電量充足，假設(shè)U=45V，以市區(qū)循環(huán)工況為輸入，在不同電池SOC下運(yùn)行仿真模型，可得到效率優(yōu)化后的整車經(jīng)濟(jì)性。更改仿真模型，將動力源僅保留蓄電池，同樣以市區(qū)循環(huán)工況為輸入，可得優(yōu)化前的整車經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化前后能耗對比如表3所示。ΔE1和ΔE2分別表示優(yōu)化前后整車能量損耗。

表3 整車能量損耗比較

以重復(fù)的基本城市循環(huán)工況為輸入，從初始SOC=1開始，運(yùn)行控制策略仿真模型，直至SOC=0.1，比較優(yōu)化前后的車輛續(xù)駛里程，結(jié)果見表4。

表4 車輛續(xù)駛里程比較

由以上仿真結(jié)果可知，在本文中制定的策略下，單驅(qū)、雙驅(qū)和預(yù)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(jìn)入雙驅(qū)模式，減少蓄電池的負(fù)荷，同時降低系統(tǒng)的損耗，提高整車的能量效率和續(xù)駛里程。

3 結(jié)論

(1) 根據(jù)復(fù)合電源電動車的特點劃分了電動車的驅(qū)動模式，并基于最優(yōu)效率建立了系統(tǒng)效率模型和驅(qū)動模式識別和轉(zhuǎn)換控制策略模型。

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

(3) 仿真結(jié)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(tǒng)的能量效率，延長續(xù)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(xué)基金(51105178)、江蘇省自然科學(xué)基金(BK2011489)、國家863計劃項目(2012AA111401)、國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)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。