純電動汽車800 V高電壓復合電源能量分配策略研究

田麗媛，王志豪，劉孝飛

(長春工業大學機電工程學院，吉林長春 130012)

0 引言

純電動汽車(blade electric vehicles,BEV)在國家的大力支持及相對環保的情況下，近些年越來越受國內外汽車行業的關注，并且純電動汽車還有結構簡單、容易控制、噪聲小、能源容易獲得等優點。雖然純電動汽車在發展過程中取得了豐碩的成果，也出現了許多質量較好的品牌，但電池技術仍然制約著純電動汽車的發展。由于電池的比功率小，當電動汽車起動、加速、低速、上坡、快速制動等大功率工作時，會使電池的充放電電流過大，造成電池的使用壽命降低。超級電容正好能夠彌補這個缺點，超級電容具有比功率大和充放電快的優點，適合短時間的功率輸出和制動能量回收。可采取動力電池-超級電容復合電源共同為汽車供電的方法，使用超級電容承擔大電流，減少對動力電池的沖擊。

動力電池與超級電容組合成復合電源后互相取長補短，既有動力電池的高比能量又有超級電容的高比功率，提高了純電動汽車電源系統的整體性能，因此復合電源的結構和能量控制策略成為研究熱點。常見的復合電源結構主要有動力電池與超級電容直接并聯，動力電池和DC/DC變換器串聯后再與超級電容并聯，超級電容和DC/DC變換器串聯后再與動力電池并聯，動力電池與超級電容分別串聯DC/DC變換器后再并聯等。復合電源能量控制策略多以邏輯門限控制策略、模糊控制策略和模型預測控制策略為主，在其基礎上進行改動或添加控制元素來改善復合電源工作情況。

文中以相同功率條件下電壓越大電流越小的想法出發，提高超級電容的電壓值以減小能量損耗，并以動力電池電壓、需求功率、超級電容和動力電池的限制值為門限值建立邏輯門限值控制策略，以ADVISOR2002軟件的單一電源純電動汽車模型為基礎進行修改，建立新型復合電源純電動汽車整車模型，驗證控制策略的有效性。

1 復合電源結構分析

為了提高能量分配策略的控制效果，需要找到合適的復合電源結構，充分發揮超級電容器高比功率，從而提升車輛的動力性和經濟性。文中設計的復合電源在汽車起步時動力電池與超級電容共同放電，在減速行駛時為超級電容迅速充電，電壓最大可達800 V，再次加速行駛時超級電容單獨工作直至電壓降至電池電壓。由于此工作模式的特殊性，文中的復合電源結構上采用動力電池和帶有理想開關的DC/DC變換器串聯，后再與超級電容并聯。其中，動力電池是主要供能裝置；超級電容是輔助供能裝置；采用單向降壓DC/DC變換器，在整個模型中的作用是將制動回收的電壓降低后給動力電池充電并保護動力電池；理想開關控制動力電池是否參與驅動。復合電源結構如圖1所示。

圖1 復合電源結構

2 能量分配控制策略

復合電源能量分配策略的作用是讓復合電源在不同工況下都能為電機提供充足的能量，使能源利用率達到最大化，并且對各個部件有保護效果。汽車在行駛過程中有4種工作模式：①動力電池與超級電容共同供電模式；②超級電容單獨供電模式；③超級電容單獨回收能量模式；④動力電池單獨回收能量模式。

面對純電動汽車在行駛過程中復雜變化的工況及動力電池與超級電容的快速電壓對比要求，文中采用了反應速度快且容易控制的邏輯門限控制策略對上述能量分配方法進行驗證。該策略可以在不同工況下順暢地切換，并對純電動汽車的動力性能及經濟性能起到優化作用，也很好地發揮了復合電源純電動汽車在城市中行駛的優勢，邏輯門限控制策略如圖2所示。

圖2 邏輯門限控制策略

圖2中為電機需求功率；為超級電容輸出功率;為動力電池輸出功率;為超級電容端電壓;為動力電池端電壓;為動力電池荷電狀態值;為動力電池最大荷電狀態值;為超級電容荷電狀態值;為超級電容最小荷電狀態值;為超級電容最大荷電狀態值。

邏輯門限控制規則以需求功率值來確定電動汽車處于驅動狀態還是制動狀態，如果>0則為驅動狀態，反之則為制動狀態。在驅動狀態下，當超級電容電壓等于動力電池電壓時，由動力電池單獨提供所需功率;當超級電容電壓大于動力電池電壓時，由超級電容單獨供電;待到超級電容供電過程中電壓下降到和動力電池電壓相同時，再由動力電池與超級電容共同供電，但超級電容直接與動力電池并聯電壓保持一致，因此功率輸出由動力電池單獨提供。在制動狀態下，當超級電容荷電狀態值小于最大值時，由超級電容單獨回收能量;當超級電容荷電狀態值不小于最大值且動力電池荷電狀態值小于最大值時，由動力電池單獨回收;若動力電池與超級電容都達到飽和狀態，則剩余的回收能量在電路中消耗掉。

3 仿真分析

3.1 仿真車輛參數

復合電源性能參數見表1。與大多數復合電源不同的是，為了充分地發揮新型復合電源結構的節能優點，采用了71 F的小容量超級電容，減少了在超級電容上的成本。整車基本參數見表2，整車性能參數見表3。

表1 復合電源性能參數

表2 整車基本參數

表3 整車性能參數

3.2 基于ADVISOR的整車仿真模型

在ADVISOR中將原有的EV頂層模型進行二次開發，添加超級電容模塊，并建立邏輯門限控制策略將動力電池與超級電容連接，搭建出復合電源純電動汽車整車仿真模型，如圖3所示。復合電源控制策略模型如圖4所示。

圖3 整車仿真模型

圖4 控制策略模型

3.3 仿真結果分析

通過典型城市循環工況數據，對ADVISOR二次開發所建立的新構型復合電源純電動汽車整車模型，及以相同數據建立的兩個對比模型(超級電容與雙向DC/DC變換器串聯、與動力電池并聯的傳統復合電源模型；單一電源模型)進行仿真分析和數據對比，驗證了新型復合電源的有效性。新構型復合電源純電動汽車整車模型在典型城市循環工況速度跟隨曲線如圖5所示。

圖5 典型城市循環工況速度跟隨曲線

新型復合電源電池、傳統復合電源電池、單一電源電池對比曲線如圖6所示。由圖可以看出，曲線下降速度明顯慢于與，在單個UDDS循環工況下，下降到0943 7，下降到0935 5，下降到0933 6。比少下降0008 2，比少下降0010 1。由此可證明文中采用71 F小容量超級電容的新型復合電源結構對電池續航能力有很大的提高。

圖6 動力電池SOC對比曲線

圖7為傳統與新型復合電源超級電容電壓對比曲線。由圖可以看出，傳統復合電源超級電容電壓在400 V以下，新型復合電源超級電容電壓在400～800 V。由式=與=可知,在輸出相同功率時，大電壓超級電容能夠有效地減小電流，從而減小能量損耗。

圖7 傳統與新型復合電源超級電容電壓對比曲線

圖8為傳統與新型復合電源超級電容電流對比曲線。由圖可以看出，新型復合電源的超級電容電流幾乎是傳統的1/2，進一步驗證了大電壓超級電容和文中的控制策略在復合電源中的節能作用是巨大的。

圖8 傳統與新型復合電源超級電容電流對比曲線

新型復合電源電池、傳統復合電源電池及單一電源電池電流對比曲線如圖9所示。新型復合電源電池電流相對于傳統復合電源電池及單一電源電池電流都略低一些，并且在電量回收階段和汽車起步階段新型復合電源由超級電容單獨工作，此時電池電流為零，這些都說明新型復合電源結構有效地減小了電池的電流，對電池起到了一定的保護作用，能夠有效地減小電池的損耗和提高電池的使用壽命。

圖9 3種不同結構的電源電池電流對比曲線

4 結論

文中采用邏輯門限控制策略對所提出的拓撲結構及能量分配方法進行建模，并結合ADVISOR軟件進行二次開發搭建復合電源純電動汽車整車仿真模型，然后在典型城市工況下進行仿真分析，并與傳統的復合電源和單一電源進行數據對比。結果表明，文中的新型拓撲結構及供電模式在邏輯門限控制策略下，不僅充分發揮了傳統復合電源對電池的削峰填谷作用和快速充放電的優點，還應用低成本的小容量超級電容大幅提高了電池的續航能力，并且通過超級電容大電壓放電的工作模式減少了能量損耗。