基于鋰電與超級電容的車用混合儲能系統(tǒng)研究

蘇俊龍

(青島理工大學汽車與交通學院，山東青島 266520)

基于鋰電與超級電容的車用混合儲能系統(tǒng)研究

蘇俊龍

(青島理工大學汽車與交通學院，山東青島 266520)

超級電容的高功率密度使它們可以成為電動汽車或混合動力汽車的負載平衡裝置，此外，其快速充電的特性非常適合應用于功率再生制動。針對純電動汽車和混合動力汽車儲能系統(tǒng)的特點，將超級電容與蓄電池混合使用，制定相應的控制策略。通過仿真驗證混合儲能系統(tǒng)可以有效地實現(xiàn)能量管理，進而提高新能源汽車的續(xù)航里程。

超級電容；混合儲能系統(tǒng)；再生制動；Simulink仿真

0 引言

電動汽車動力性能很大程度上取決于高性能的動力源，但是作為純電動汽車主能源的動力電池存在一系列問題：比功率低、不能大電流充放電、電池成本高。若單單蓄電池作為再生制動的儲能裝置，受到回收電流和使用壽命的限制，電池難以回收足夠的制動能量，影響能量回收的效率。超級電容器是一種介于電池和靜電電容器之間的儲能元件，它具有諸如比功率高、比能量大、一次儲能多等優(yōu)點。主能量源蓄電池的能量密度較高、功率密度較低、充放電電流較小，因此針對主能量源蓄電池的特點，將超級電容作為輔能量源，形成復合儲能系統(tǒng)，可以很好地滿足電動汽車和混合動力汽車對能量儲存和瞬時大電流充放電的需求。文中建立了超級電容與蓄電池并聯(lián)的汽車復合儲能系統(tǒng)，并針對具體的功率需求進行了充放電控制，利用Simulink建立相關模型進行仿真驗證。

1 針對電動汽車的混合能量源

混合電動汽車的能量存儲系統(tǒng)有許多電池與電容混合的拓撲結(jié)構(gòu)，圖1(a)顯示了最基本的能源結(jié)合方式。

圖1 電池與電容混合的幾種拓撲結(jié)構(gòu)

在圖1(a)中，電池與超級電容并聯(lián)后接入負載，能量存儲系統(tǒng)與負載之間有著相同的終端電壓，它們的功率分配僅僅取決于內(nèi)部的電阻。為了優(yōu)化一個電子系統(tǒng)中的超級電容和電池，變頻器需要管理它們之間的功率流和主要的直流總線驅(qū)動轉(zhuǎn)換器。如圖1(b)所示，這種拓撲結(jié)構(gòu)允許超級電容與負載之間不使用轉(zhuǎn)換器直接進行能量交換，有利于車輛的頻繁啟動狀態(tài)。主要的能量流來源于被直流轉(zhuǎn)換器控制的電池，此外這樣的一個系統(tǒng)限制了電容的電壓值，輸出電壓必須大于驅(qū)動電機的反電動勢。這樣反過來驅(qū)使人們使用一個高額定電壓的超級電容存儲。在圖1(c)中，通過雙向直流轉(zhuǎn)換器將超級電容連接到蓄電池上。文中選擇此結(jié)構(gòu)進行研究。

混合能源管理的控制策略要求蓄電池滿足平均功率的需求，同時利用超級電容滿足汽車加速、減速功率波動的功率需求。超級電容在再生制動或者電池低功率需求時充電。表1給出了適用于城市地區(qū)的小型電動汽車的電池參數(shù)，表2給出了超級電容的具體參數(shù)。

表1 適用于小型電動汽車的電池組參數(shù)

表2 適用于小型電動汽車的超級電容參數(shù)

2 基于邏輯門限值的能量存儲控制策略

邏輯門的能量存儲策略思想是：混合儲能系統(tǒng)的功率需求包括平均功率需求、高功率負載需求、再生制動功率需求。蓄電池提供行駛工況中的平均功率需求；當在高功率負載需求下，由超級電容進行功率補充；當在再生制動功率需求下，根據(jù)制動強度，確定蓄電池和超級電容的吸收功率。通過超級電容的使用，達到削峰填谷的作用。

功率分配如圖2所示：在恒速狀態(tài)下，車輛的功率需求僅由蓄電池提供(狀態(tài)1)；在加速狀態(tài)時，由蓄電池和超級電容共同提供(狀態(tài)2)；為了平衡超級電容的SOC，在制動期間，在超級電容的SOC低于一定閾值的情況下，所有制動能量由超級電容吸收(狀態(tài)3)；如果超級電容SOC低于一定閾值，在停車狀態(tài)下蓄電池將對超級電容進行充電(狀態(tài)12)。

圖2 正常狀態(tài)下的能量流動

如圖3所示：在驅(qū)動模式下，當超級電容電壓低于一定閾值的時候，超級電容停止放電(狀態(tài)4)；在制動模式下，當超級電容的電壓高于一定閾值時，超級電容不參與制動能量回收(狀態(tài)5)。

圖3 單一能源狀態(tài)下的能量流動

如圖4所示：當超級電容SOC低于儲備能量的最低電壓時，在恒速驅(qū)動下，電池為負載提供功率，并為超級電容充電(狀態(tài)6)；在加速驅(qū)動下，蓄電池提供主要功率，超級電容小功率輸出(狀態(tài)7)；在再生制動下，由超級電容吸收制動能量(狀態(tài)8)。

圖4 超級電容低SOC狀態(tài)能量流動

如圖5所示：當超級電容電壓大于存儲容量電壓時(狀態(tài)9)，在恒速狀態(tài)下，兩者共同提供功率；在加速階段，超級電容提供主要功率(狀態(tài)10)；在制動狀態(tài)下，兩者共同吸收制動能量(狀態(tài)11)。

圖5 超級電容高SOC狀態(tài)能量流動

3 仿真模型

以下部分為能量存儲和車輛動力系統(tǒng)模型，開發(fā)模型是用來模擬功率流和評估功率損耗，估計汽車的總體效率。

3.1 蓄電池模型

電池組的動態(tài)特性模型如圖6所示,UOCV對應的開路電壓電池的放電狀態(tài)的函數(shù)(SOD)。一個串聯(lián)的電阻RS、RP平行分支模型下降電阻和極化效應。放電容量產(chǎn)生變化的放電電流和溫度，建模使用基于模型參數(shù)電池制造商的數(shù)據(jù)。圖7顯示了某單體電池的放電曲線。

圖6 蓄電池的等效電路

圖7 某單體電池的放電曲線

根據(jù)電池等效電路，利用Simulink建立的電池模型如圖8所示。

圖8 電池模型

3.2 超級電容模型

簡化的電容模型如圖9所示。這個模型是由一個電阻R和電容C組成,電阻R負責電氣損失，電容C對應于超級電容的電容。模型沒有考慮瞬態(tài)電壓動態(tài)變化狀態(tài),但足以評估功率損失。

圖9 超級電容的等效電路

根據(jù)超級電容的等效電路，建立動力電池與超級電容混連的混合儲能模型，如圖10所示。

圖10 混合儲能模型

3.3 直流轉(zhuǎn)換器損耗

連續(xù)模型轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)在這個階段的模擬。一個晶體管與二極管的功率損耗計算基于方程(1-8)。

每個晶體管的功率損耗:

(1)

Esw=Eon+Eoff

(2)

Psw_tr=fsw·Esw·(Itr/Irated)·(Vtr/Vrated)

(3)

Ptr=Pcond_tr+Psw_tr

(4)

每個二極管的功率損耗：

(5)

Psw_d=fsw·Err·(Id/Irated)·(Vd/Vrated)

(6)

Pd=Pcond_d+Psw_d

(7)

總損耗：

Ptot=Ptr+Pd

(8)

其中：D為占空比；Itr為晶體管電流；Id為二極管電流；Irated為額定電流；Vtr為晶體管電壓；Vrated為額定電壓；Vd為二極管電壓；fsw為開關頻率；VT為閾值電壓；Eon為打開期間能量損耗；Eoff為關閉期間能量損耗。

3.4 車輛動力學模型

圖11顯示了一個基于功率消耗的車輛動力學模型，輪功率計算考慮到驅(qū)動器的效率和功率流的方向。驅(qū)動電機產(chǎn)生的牽引力通過傳動裝置最后傳遞給車輪，通過速度控制器，使汽車始終在循環(huán)工況下運行。

圖11 車輛動力學模型

滾動阻力：

FR=m·g·f0

空氣阻力：

坡度阻力：

F1=m·g·sinα

加速阻力：

FJ=FT-FA-FR-FI

其中：m為汽車總質(zhì)量(kg)；g為重力加速度(N/s2)；f0為摩擦阻力系數(shù)；ρA為空氣密度；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積(m2)；μ為當前車速(km/h)；α為坡度角(rad)。

4 仿真分析

ECE15是一個標準化的歐洲城市駕駛循環(huán)工況，如圖12所示。在汽車的行駛中，以恒定的加速度行駛是罕見的，圖13中的行駛工況更能代表實際情況，與ECE15循環(huán)工況相比，這個工況需要頻繁改變速度和在低速下需要更大的加速度。

圖12 ECE15循環(huán)工況

圖13 實際循環(huán)工況

表3顯示了在仿真模型中使用的參數(shù)。假設車輛屬性對應城市小型電動汽車,滾動阻力系數(shù)對應于干瀝青或混凝土路面。

表3 模型參數(shù)

表4 仿真結(jié)果

通過表4的數(shù)據(jù)，可以看出環(huán)境溫度影響著純電動汽車的續(xù)航里程，混合儲能系統(tǒng)相對于單一能源的供能系統(tǒng)，在低溫的環(huán)境下，最高損耗相差5.74%，損耗的減少意味著續(xù)航里程的增加，混合儲能系統(tǒng)，尤其在低溫下，對提高電動汽車的續(xù)航里程來說顯得尤為重要。

混合儲能系統(tǒng)汽車加速、減速階段通過超級電容來分擔功率需求，從而限制通過電池的最大電流，在功率需求變化不大的情況下僅由蓄電池進行供電，功率分配如圖14、15所示。

圖14 ECE15工況下的功率分配

圖15 實際循環(huán)工況下的功率分配

由圖14、15可知，當車輛制動時，產(chǎn)生的大電流被超級電容吸收(狀態(tài)3)，超級電容端電壓迅速升高，減少了大電流對蓄電池的沖擊，提高蓄電池的使用壽命，并對制動能量進行了有效的回收。當汽車遇到爬坡、加速等大功率需求時(狀態(tài)1)，超級電容將提供一定的功率，使蓄電池始終工作在恒定的功率范圍。

5 結(jié)束語

車用混合電源系統(tǒng)最大的特色在于超級電容器的使用，超級電容器可以有效地滿足車輛啟動和制動時對高功率充放電的要求，由于蓄電池此時的主要功工作在理想的功率范圍，不用承受大電流充放電，因此其壽命得到大幅延長。復合電源系統(tǒng)使車輛具有良好的啟動和制動特性，在提高電動汽車或者混合動力汽車動力性的同時，對車輛行駛過程中產(chǎn)生的制動能量也進行了有效的回收。

[1]閆碩.直流微電網(wǎng)建模及其控制策略研究[D].南京:東南大學,2010.

[2]牟巖.輕軌車輛用混合動力牽引傳動系統(tǒng)的設計研究[D].大連:大連理工大學,2013.

[3]黃勇,齊鉑金.電動汽車混合電源系統(tǒng)的自適應控制[J].高技術通訊,2012,22(7):747-751.

HUANG Y,QI B J.Adaptive Control of a Hybrid Power System in Electric Vehicles[J].Chinese High Technology Letters,2012,22(7):747-751.

[4]陳旭宏.超級電容器與蓄電池混合儲能系統(tǒng)在微網(wǎng)中的應用[J].科技展望,2014,34(16):85-89.

[5]丁明,林根德,陳自年,等.一種適用于混合儲能系統(tǒng)的控制策略[J].中國電機工程學報,2012,32(7):1-6.

DING M,LIN G D,CHEN Z N,et al.A Control Strategy for Hybrid Energy Storage Systems[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(7):1-6.

[6]禹華軍,潘俊民.光伏電池輸出特性與最大功率跟蹤的仿真分析[J].計算機仿真,2005,22(6):248-252.

YU H J,PAN J M.Simulation Analysis of Output Features and the Maximum Power Point Tracking of PV Cells[J].Computer Simulation,2005,22(6):248-252.

[7]KIM T,VODYAKHO O,YANG J.Fuel Cell Hybrid Electric Scooter[J].Industry Applications Magazine IEEE,2011,17(2):25-31.

[8]THOUNTHONG P,RAEL S.The Benefits of Hybridization[J].Industrial Electronics Magazine IEEE,2009,3(3):25-37.

ResearchonAutomobileCompositeEnergyStorageSystemBasedonSuperCapacitorandLithiumBattery

SU Junlong

(College of Vehicles and Transportation, Qingdao University of Technology, Qingdao Shandong 266520, China)

The super capacitor with high power density can be used as a load balancing device for an electric vehicle or a hybrid vehicle. In addition, the quick charge character of the super capacitor makes it very suitable for the application of power regenerative braking. According to the characteristics of automobile energy storage system, super capacitor and battery were mixed with the proposed discharge control and the regenerative braking scheme of hybrid energy storage system. Through the simulation, it is verified that the composite energy storage system can be used to achieve effective energy management and improve the new energy vehicle mileage.

Super capacitor； Hybrid energy storage system； Regenerative braking；Simulink simulation

U46

A

1674-1986(2017)11-013-05

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.003

2017-05-15

蘇俊龍(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為汽車電子。E-mail：407730399@qq.com。