基于邏輯門限的混合動力客車復合電源分析*（續1）

錢超 馮國勝 張小榮

（石家莊鐵道大學）

在霧霾日益嚴重和石油資源緊缺的今天，汽車的節能減排已經成為一個被越來越重視的問題。由于電池技術還沒有歷史性突破，混合動力汽車成為汽車節能減排的最佳方案之一，其通過電機輔助發動機工作，使發動機處于高效工作區，不僅減小了油耗，而且能夠有效地改善排放[1]。作為輔助能源的蓄電池，其功率密度低且循環壽命較短等問題影響著混合動力汽車的發展。超級電容的興起，給混合動力汽車電源系統的改進指明了新的道路。超級電容具有比功率大、迅速充放電及循環壽命長等優點。將蓄電池-超級電容復合電源作為混合動力汽車的輔助能源，既能提高汽車的性能，又能有效地保護蓄電池[2]。文章基于邏輯門限能量分配策略，結合超級電容高比功率和蓄電池高比能量的特點，建立新型超級電容-蓄電池復合電源模型，達到提高電源系統性能的目的。

1 復合電源結構分析

復合電源系統中蓄電池和超級電容的連接形式為并聯結構。蓄電池為主電源，超級電容作為輔助電源。利用超級電容比功率和循環壽命長等優點，在混合動力汽車起步、爬坡、加速及制動等大電流工況下工作，起到“削峰填谷”的作用，進而保護蓄電池[3-5]。

由于蓄電池和超級電容的工作特性不同，所以它們之間需要連接雙向DC-DC轉換器來控制其間的能量分配[6]。文章中鉛酸蓄電池為主要能源，其電壓變化范圍較小，電壓下降較慢，所以不用DC-DC轉換器進行調節。而超級電容的輸出特性變化比較快，比能量低，輸出電壓下降很快，輸出特性需要DC-DC轉換器進行調節。因此采用蓄電池和超級電容并聯，超級電容與DC-DC轉換器采用串聯布置形式，這種結構中蓄電池直接對電機輸出功率，輸出效率高。超級電容通過DC-DC轉換器檢測蓄電池電壓，并調節自身端電壓與蓄電池進行匹配，這種結構比雙DC-DC布置形式結構相對簡單，而且蓄電池電壓變化比較平緩容易控制，又能起到保護蓄電池的作用。

2 復合電源需求功率分析

復合電源功率需求為：蓄電池提供平均需求功率，超級電容提供峰值功率。根據GB/T19754—2005《重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》中的中國典型城市公交循環數據，建立CHINAURBAN循環工況，如圖1所示[7]。其循環時間為1 307 s，最高車速為60 km/h，汽車行駛距離為5.9 km。根據建立的循環工況，利用ADVISOR計算出復合電源需求功率，如圖2所示。

圖1 中國重型混合動力汽車城市循環工況圖

圖2 中國重型混合動力汽車城市循環工況復合電源需求功率

圖3示出復合電源需求能量計算程序。根據該工況的需求功率，先判斷功率的正負，之后對其進行積分，即可得到該循環工況下的總需求能量，并計算出該工況下的平均需求功率，結果如表1所示。從表1可以看出，復合電源的平均需求正功率取10 kW，平均需求負功率取-10 kW。

圖3 重型混合動力汽車復合電源需求能量計算程序

表1 CHINAURBAN工況對復合電源的需求功率

3 復合電源建模

3.1 超級電容建模

由于ADVISOR中的超級電容模型的默認參數為ess_name，其變量命名和蓄電池的變量是相同的，因此為了避免復合電源中的變量沖突，需要將超級電容的變量全部用ess2_name來替換。超級電容模型，如圖4所示。

圖4 重型混合動力汽車超級電容仿真模型圖

3.2 DC-DC轉換器建模

ADVISOR軟件中沒有DC-DC轉化器模塊，需要基于MATLAB/Simulink建立其仿真模型。根據仿真要求，只需要建立DC-DC傳遞功率的數學模型。按照功率守恒原則來搭建其數學模型，即輸出功率等于輸入功率與DC-DC傳遞效率的乘積。圖5示出DC-DC轉換器轉換效率曲線[8]。由圖5可知，其效率值為蓄電池和超級電容端電壓比值和輸入功率的二次函數，所以利用Simulink中的二次插值函數建立DC-DC轉換器模型。表2示出DC-DC傳遞效率二次插值查詢表。

圖5 重型混合動力汽車DC-DC轉換器轉換效率曲線

表2 DC-DC傳遞效率二次插值查詢表

根據圖5和表2建立的DC-DC轉換器模型，如圖6所示。

圖6 重型混合動力汽車DC-DC轉換器仿真模型圖

3.3 制定復合電源控制策略

3.3.1 復合電源工作模式分析

復合電源由超級電容和蓄電池組成，利用超級電容大功率密度和蓄電池大能量密度的特點，以其壽命最優為控制目標，制定不同的工作模式，具體的工作模式如下。

1）蓄電池單獨工作模式。此模式下，汽車行駛在功率要求比較小的勻速或加速工況，這種工況對功率需求較小，能量需求較大，可發揮蓄電池大能量密度的特性，因此蓄電池單獨驅動。

2）蓄電池和超級電容共同工作模式。汽車處于急加速、爬大坡及重載工況下，蓄電池的最大功率不能滿足功率要求，超級電容不能滿足驅動能量要求，需要以蓄電池和超級電容的電池荷電狀態（SOC）為控制目標來共同驅動汽車運行。另一種情況是：當超級電容單獨驅動汽車并且其能量不足以滿足能量需求時，也需要蓄電池介入共同驅動。

3）超級電容單獨工作模式。汽車處于輕載、短時間加速及爬緩坡等對電源系統功率要求比較高的工況下，該工況電源系統短時間功率要求大，能量要求小，為了避免大電流對蓄電池的傷害，充分發揮超級電容大功率密度的特點，采用超級電容單獨工作模式。

4）制動再生工作模式。在汽車處于減速或下坡工況時，處于再生制動工況，電機給電源系統充電，根據SOC來分配超級電容和蓄電池的電量，并優先給超級電容充電，來避免充電大電流對蓄電池的傷害。

3.3.2 邏輯門限控制策略

根據對復合電源系統工作狀態的分析，文章選擇總需求功率（Pr）和超級電容荷電狀態（SOCu）作為門限值來制定控制策略。利用平均正需求功率（Pav+）和平均負需求功率（Pav-）作為Pr的門限閾值。分別利用0.9和0.2作為SOCu上下門限閾值。

1）放電工況下能量分配策略。

復合電源處于放電狀態時，Pr＞0，其控制策略分為3個方面。

①0＜Pr≤Pav+時，汽車處于低負荷工況，需求功率較小，不需要超級電容提供功率，因此得到蓄電池的功率（Pb）：Pb=Pr，超級電容功率（Pu）：Pu=0。

②Pr＞Pav+，且當 SOCu＞min{SOCu}=0.2 時，汽車處于較高負荷工況，由蓄電池和超級電容共同提供功率。為了避免瞬時大電流對電池的傷害，保證蓄電池放電穩定性，一般采用低通濾波法來限制蓄電池電流，低通濾波法的公式為：

式中：τ——時間常數，取τ=10。

因此，Pb=Prf（s），Pu=Pr-Pb。

③Pr＞0 且 Pr＞Pav+，當 SOCu≤min{SOCu}=0.2 時，超級電容不足以提供功率，蓄電池單獨工作，即：Pb=Pr，Pu=0。

2）充電工況下能量分配策略。

復合電源處于放電狀態時，Pr≤0，其控制策略分為3個方面。

①Pr≤Pav-時，汽車處于較大的能量回收情況，超級電容單獨負責大功率能量回收，即：Pb=0，Pu=Pr。

②Pav-＜Pr≤0，SOCu＜max{SOCu}=0.9 時，超級電容和蓄電池共同充電，回收能量，即：Pb=Prf（s），Pu=Pr-Pb。

③Pav-＜Pr≤0，SOCu≥max{SOCu}=0.9 時，超級電容電量處于飽和狀態，停止工作，蓄電池單獨回收能量，即：Pb=Pr，Pu=0。

根據充放電的規則，制定的控制策略流程，如圖7所示。根據流程圖建立控制策略模型，如圖8所示。

圖7 邏輯門限控制策略流程圖

圖8 邏輯門限控制策略模型圖

（待續）