串聯(lián)式復(fù)合電源的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)研究

陳 燎，黃 崗，盤(pán)朝奉,b

(江蘇大學(xué) a.汽車(chē)與交通工程學(xué)院; b.汽車(chē)與交通工程研究院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

本文的研究對(duì)象是由蓄電池和超級(jí)電容組成的復(fù)合電源，針對(duì)其串聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車(chē)的再生制動(dòng)系統(tǒng)，研究了復(fù)合電源的驅(qū)動(dòng)特性。

目前電動(dòng)汽車(chē)上常見(jiàn)的動(dòng)力電池有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池[1-6]，其中，鋰離子電池比能量及比功率大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、 安全性大、允許的工作溫度范圍寬，已成為未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電源的主要選擇[7]。超級(jí)電容作為一種新型的儲(chǔ)能裝置，具備內(nèi)阻小、功率密度高、工作溫度范圍廣以及使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)勢(shì)，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[8]。

Gregory Wight等[9]在不同工況下進(jìn)行蓄電池與超級(jí)電容復(fù)合電源的實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)：加入超級(jí)電容之后，能夠減少蓄電池的功率消耗，使得車(chē)輛的動(dòng)力性更好，同時(shí)因?yàn)槌?jí)電容自身充放電速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高制動(dòng)過(guò)程中的能量回收率。

SANTUCCI A 等[10]以復(fù)合電源的功率實(shí)時(shí)分配為目標(biāo)，提出了基于模型預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)規(guī)劃的控制方法，提高了系統(tǒng)效率，減小了電池負(fù)載波動(dòng)。Wang K等[11]分析了復(fù)合電源工作特性，采用低通濾波法對(duì)復(fù)合電源系統(tǒng)中鎳氫電池和超級(jí)電容的充放電電流進(jìn)行控制，以此來(lái)控制復(fù)合電源各部分功率，得到了很好的效果。

重慶大學(xué)李逢兵等[12]提出基于鋰電池充放電狀態(tài)的超級(jí)電容狀態(tài)調(diào)整方法，在明確鋰電池充放電狀態(tài)的情況下，通過(guò)超級(jí)電容參考補(bǔ)償功率方向與其荷電狀態(tài)大小調(diào)整低通濾波常數(shù)大小，重新分配功率。華南理工大學(xué)羅玉濤等[13]設(shè)計(jì)了一種新的復(fù)合電源結(jié)構(gòu)，根據(jù)整車(chē)參數(shù)對(duì)蓄電池和超級(jí)電容進(jìn)行選型，針對(duì)不同車(chē)速采用邏輯門(mén)限策略進(jìn)行控制，基于Matlab/Simulink 進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：在 NEDC 循環(huán)工況下，電池的使用壽命提高了50%。

本文利用超級(jí)電容的大電流(高功率)、高效率和長(zhǎng)壽命特點(diǎn)改善蓄電池的工作狀況，即減小工作電流、降低充電次數(shù)、提高其使用壽命和可靠性，以提高車(chē)輛再生制動(dòng)能量回收水平[14]。

1 串聯(lián)式復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

圖1為無(wú)源串聯(lián)復(fù)合電源系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)大致分為3個(gè)部分：回收電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量的再生制動(dòng)系統(tǒng)；將回收的電能再次用于汽車(chē)驅(qū)動(dòng)的復(fù)合電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；串聯(lián)式復(fù)合電源系統(tǒng)的控制和保護(hù)系統(tǒng)。

在汽車(chē)驅(qū)動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)系統(tǒng)停止工作，由蓄電池和超級(jí)電容組成的復(fù)合電源通過(guò)電機(jī)控制器為無(wú)刷直流電機(jī)供電，將回收的電能用于汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)。本文研究了由蓄電池、超級(jí)電容、直流接觸器、電機(jī)控制器、電機(jī)組成的復(fù)合電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 串聯(lián)式復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 驅(qū)動(dòng)模式及驅(qū)動(dòng)電流流向

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電源可以將驅(qū)動(dòng)模式分為兩種：復(fù)合電源驅(qū)動(dòng)和蓄電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

復(fù)合電源驅(qū)動(dòng)模式：駕駛員踩下油門(mén)，系統(tǒng)中產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)超級(jí)電容中存在電能時(shí)，系統(tǒng)將由復(fù)合電源作為動(dòng)力源，電流流向如圖2虛線所示，電流從蓄電池正流出經(jīng)電機(jī)控制器后回到超級(jí)電容負(fù)極，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

蓄電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式：由蓄電池作為唯一動(dòng)力源通過(guò)電機(jī)控制器對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行供能驅(qū)動(dòng)。蓄電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)存在2種情況，如圖2中所示的線路1和線路2。在復(fù)合電源驅(qū)動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容中的電能會(huì)不斷消耗直至耗完，此時(shí)電池會(huì)對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行少量的反充，電容中負(fù)極到正極產(chǎn)生壓降，從而導(dǎo)通二極管D短接超級(jí)電容，防止了超級(jí)電容的過(guò)度反充，達(dá)到保護(hù)超級(jí)電容的目的，此時(shí)電路中的電流流向如線路1所示。在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中電路中的電流可以達(dá)到幾百安培，二極管長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流會(huì)浪費(fèi)較大的電能。此時(shí)控制直流接觸器K接通線路2，從而短接二極管D和超級(jí)電容，電流由蓄電池正極經(jīng)過(guò)電機(jī)控制器、直流接觸器回到蓄電池負(fù)極。

2 復(fù)合電源驅(qū)動(dòng)控制

在驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)中采集4路信號(hào)：霍爾信號(hào)、超級(jí)電容端電壓、蓄電池端電壓和驅(qū)動(dòng)電流?？刂破骺梢愿鶕?jù)霍爾信號(hào)計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)速。超級(jí)電容電壓用于驅(qū)動(dòng)模式切換參數(shù)，當(dāng)超級(jí)電容端電壓較小時(shí)，由復(fù)合電源串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式切換為單電池驅(qū)模式。蓄電池的電壓和驅(qū)動(dòng)電流是計(jì)算功率能耗的重要參數(shù)。

圖2 驅(qū)動(dòng)電流流向示意圖

在實(shí)驗(yàn)中需要控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如圖3所示，控制器只輸出1路PWM信號(hào)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)模式不同，由繼電器分路。在制動(dòng)模式下，控制器輸出頻率為28.5 Hz的PWM1信號(hào)控制打開(kāi)半控整流橋晶閘管來(lái)進(jìn)行制動(dòng)能量回收。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，切換繼電器導(dǎo)通線路，控制器輸出頻率約為7 300 Hz的PWM2信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后輸入電機(jī)控制器。對(duì)PWM占空比進(jìn)行控制可以改變輸入電壓的大小，從而控制加速度和車(chē)速大小。

圖3 加速信號(hào)傳輸示意圖

系統(tǒng)有驅(qū)動(dòng)信號(hào)、無(wú)制動(dòng)信號(hào)時(shí)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)超級(jí)電容中有無(wú)電壓來(lái)調(diào)節(jié)直流觸發(fā)器K的開(kāi)關(guān)位置選擇不同的驅(qū)動(dòng)模式，改變PWM信號(hào)占空比來(lái)改變車(chē)速獲得需要的車(chē)速曲線，當(dāng)超級(jí)電容電壓大于 1 V 可以進(jìn)行串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，否則由蓄電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)過(guò)程以檢測(cè)不到驅(qū)動(dòng)信號(hào)結(jié)束。

復(fù)合電源系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制流程見(jiàn)圖4。

3 驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)

在再生制動(dòng)技術(shù)中，由再生制動(dòng)所回收的能量?jī)?chǔ)存于超級(jí)電容之中，這部分能量將被用于汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)。本節(jié)介紹了串聯(lián)式復(fù)合電源驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)，研究了該系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)能量利用率和電池能耗情況等的影響。

圖4 復(fù)合電源系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制流程

3.1 試驗(yàn)臺(tái)架

圖5為慣性試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)，模擬前軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)，慣性飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 7.37 kg·m2，模擬的電動(dòng)汽車(chē)質(zhì)量為1 000 kg，主減速器減速比為6.515，車(chē)輪半徑為0.247 m，對(duì)滾輪的半徑為0.34 m。72 V電源由6個(gè)12 V磷酸鐵鋰電池組成，選用額定電壓16 V、容量500 F的超級(jí)電容。

3.2 濾波電路

試驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)信號(hào)由控制器提供(控制器見(jiàn)圖6)，ATmega16產(chǎn)生的高頻PWM信號(hào)通過(guò)功率放大后經(jīng)過(guò)RC積分電路產(chǎn)生穩(wěn)定的直流驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)。電容兩端電壓為[15]：

(1)

其中：U1為電容端瞬時(shí)電壓(V)；t為時(shí)間(s)；RC為電路的時(shí)間常數(shù)(s)；U為脈沖幅值(V)。當(dāng)時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于脈沖持續(xù)時(shí)間t時(shí)，其輸入電壓U0和輸出電壓U1的波形如圖7(b)所示。

1，7：前后制動(dòng)器；2，9：加載軸承座；3：慣性輪；4，8，10：杠桿加載裝置；5，6:前后輪；11，17：加載砝碼；12，13：軸承座及軸；14，16：前后對(duì)滾輪；15：機(jī)架

圖5 試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

圖6 控制器

圖7 RC濾波電路示意圖

由式(1)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入PWM頻率較大，時(shí)間常數(shù)RC足夠大，輸出端將得到近似直流輸出。試驗(yàn)中PWM 頻率為7 300 Hz，濾波電容為0.1 μF，濾波電阻為10 kΩ，理論上輸出的直流電壓如式(2)所示。

U1=D·U

(2)

其中D為占空比?？梢酝ㄟ^(guò)改變占空比獲得不同的直流電壓，從而獲得所需的車(chē)速。

3.3 臺(tái)架滑行試驗(yàn)

電動(dòng)汽車(chē)荷載行駛過(guò)程中會(huì)有行駛阻力的存在，臺(tái)架滑行試驗(yàn)就是通過(guò)計(jì)算出的臺(tái)架滾動(dòng)阻力來(lái)模擬汽車(chē)行駛時(shí)的行駛阻力。

在滑行試驗(yàn)中，將臺(tái)架加速到一定的速度后，不采用任何人為的外力進(jìn)行制動(dòng)，使其僅受臺(tái)架自身的滾動(dòng)阻力減速，并記錄下試驗(yàn)數(shù)據(jù)。如圖8所示，將車(chē)速分別加速到30、35 和 40 km/h后使其滑行減速，得到3條速度隨時(shí)間變化的曲線，從圖上可以看出3條曲線的變化趨勢(shì)保持一致。

圖8 滑行車(chē)速隨時(shí)間變化曲線

臺(tái)架試驗(yàn)中，滑行過(guò)程中的減速度由滾動(dòng)摩擦阻力提供，根據(jù)曲線對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可以獲得減速度與時(shí)間之間的關(guān)系，從而獲得減速度與車(chē)速的關(guān)系，再根據(jù)負(fù)載質(zhì)量可以獲得滾動(dòng)阻力系數(shù)與車(chē)速之間的關(guān)系，其關(guān)系式為

f=-5.100×10-7v2+6.590×10-5v+0.001

(3)

其中：v為車(chē)速(km/h)；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)。滾動(dòng)阻力系數(shù)與車(chē)速的關(guān)系如圖9所示，車(chē)速越大，滾動(dòng)阻力系數(shù)越大，表示車(chē)輛所受阻力越大。

圖9 臺(tái)架滾動(dòng)阻力系數(shù)隨車(chē)速變化曲線

3.4 驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)

根據(jù)ECE 城市工況0～32 km/h段進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中分別使用單電池和復(fù)合電源作為動(dòng)力源完成 ECE 工況，對(duì)比二者電池能量的消耗情況。

串入9 V電容組成復(fù)合電源進(jìn)行試驗(yàn)，將試驗(yàn)12 s從0加速到32 km/h后保持車(chē)速32 km/h勻速轉(zhuǎn)動(dòng)24 s，記錄下整個(gè)過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，期間車(chē)速、超級(jí)電容電壓、蓄電池兩端電壓和主電路中的驅(qū)動(dòng)電流隨時(shí)間變化情況如圖10所示。

圖10 加速過(guò)程電流電壓曲線

由圖10可以看出：電池電壓在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中有所下降，這是因?yàn)樾铍姵卮嬖谥欢ǖ膬?nèi)阻。在此過(guò)程中超級(jí)電容電壓從9 V下降到4.8 V，表明電容中的能量能夠很好地被利用到驅(qū)動(dòng)之中。由于加速段所給加速信號(hào)大于勻速段加速信號(hào)，所以加速段電流大于勻速段電流。

將電池的輸出功率和復(fù)合電源總輸出功率隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。在0～12 s時(shí)間段，系統(tǒng)處于加速段，加速度較大，加速阻力功率大，12 s之后進(jìn)入勻速段，加速度為0，只有滾動(dòng)阻力功率，因此復(fù)合電源系統(tǒng)整體輸出功率隨車(chē)速先增加后減小。電池輸出功率始終小于復(fù)合電源總功率，初始階段相差較大，末期其值逐漸靠近，這是因?yàn)榧铀龠^(guò)程中超級(jí)電容輸出功率越來(lái)越小。

使用臺(tái)架的滾動(dòng)阻力來(lái)模擬汽車(chē)的行駛阻力，用式(3)和車(chē)速等參數(shù)可以計(jì)算出滾動(dòng)阻力所做的功，利用臺(tái)架動(dòng)能的變化量表示加速阻力做的功。動(dòng)力來(lái)源是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，由電源電流電壓計(jì)算出動(dòng)力源輸出能量，獲得如圖12所示的曲線，圖12(a)為串入9 V超級(jí)電容的復(fù)合電源驅(qū)動(dòng)時(shí)的行駛阻力消耗能量和動(dòng)力輸出能量，圖12(b)為單電池驅(qū)動(dòng)時(shí)的行駛阻力消耗能量和動(dòng)力輸出能量。其中電池和電源效率計(jì)算方法為：

(4)

式中：ηb和ηbc分別是電池效率和電源效率；Ef和Ep分別是滾動(dòng)阻力和加速阻力消耗的能量(kW)；Eb和Ebc分別是電池輸出能量和復(fù)合電源輸出能量(kW)。

圖11 復(fù)合電源和電池功率曲線

圖12 兩種驅(qū)動(dòng)模式輸出能量及效率

從圖12可以看出，在整個(gè)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能不斷增加，在0～12 s加速度較大，所以動(dòng)能增加的速率較大，滾動(dòng)阻力做功增加，復(fù)合電源所輸出的電能需要滿足動(dòng)能與滾阻做功，因此復(fù)合電源需要不斷輸出電能。效率是系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化率的性能指標(biāo)，加速初始工況不穩(wěn)定，加速度和輸出電流較大，電源效率較小，隨著時(shí)間增加，效率均趨于穩(wěn)定，圖中所示為穩(wěn)定后的電源效率。

表1是單電池與復(fù)合電源試驗(yàn)時(shí)的電源、電池、滾阻能耗與電池效率對(duì)比。

表1 驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)的能量消耗與效率

試驗(yàn)過(guò)程中，保持車(chē)速一致，單電池和串聯(lián) 9 V復(fù)合電源試驗(yàn)中動(dòng)能的增加量方分別為40.8、40.5 kJ，基本保持了一致，滾阻消耗能量增加了34.4、33.6 kJ，而電池的能量消耗分別增加了135和125 kJ。串聯(lián)9 V時(shí)系統(tǒng)的電池輸出能量降低，而相應(yīng)的整體的電池效率得到提升，但從電池角度來(lái)看，電池能量輸出較少且電池效率增加，這是復(fù)合電源驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了串聯(lián)式復(fù)合電源的驅(qū)動(dòng)模式及驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的電流流向，檢測(cè)超級(jí)電容電壓，選擇不同的驅(qū)動(dòng)模式以避免能量的浪費(fèi)。通過(guò)控制PWM信號(hào)的占空比可以很好地控制車(chē)速，獲得所需的車(chē)速變化曲線。

搭建串聯(lián)式復(fù)合電源驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架?；谂_(tái)架進(jìn)行了復(fù)合電源驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：驅(qū)動(dòng)過(guò)程中可以將超級(jí)電容中儲(chǔ)存的電能有效地用于電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)，表明串聯(lián)式復(fù)合電源可以有效地利用超級(jí)電容中儲(chǔ)存的能量，減少電池能量輸出，提高電池效率和車(chē)輛經(jīng)濟(jì)性。