純電動汽車復合電源系統仿真研究

摘要：對純電動汽車的復合電源系統結構和工作原理進行了介紹。基于MATLAB/SIMULINK平臺建立了復合電源系統仿真模型，并以簡單易行、最大限度保護蓄電池、提高能量回收效率為前提，為復合電源系統設計了功率分配控制策略，以此策略為基礎完成了對復合電源系統的整車仿真。仿真結果表明所設計的功率分配控制策略能充分發揮復合電源的特點，在延長蓄電池使用壽命的同時提高了整車動力性。

關鍵詞：純電動汽車；超級電容；復合電源系統；功率分配策略

中圖分類號：U469.72 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）05-0037-05

Investigation and Simulation of the Compound Power

System for Pure Electric Vehicle

LU Jian-kang，YANG Zheng-lin，HE Xiao-min，TAN Jie，YUE Chong-hui

（College of Energy Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Abstract:The structure and operating principle of the compound power system in pure electric vehicle were introduced. The compound power simulation was modeled on the platform of MATLAB/SIMULINK. The power distribution strategy was designed for the compound power system predicated on its simple and easy，protecting battery and improving the efficiency of recovering energy.A vehicle simulation for the compound power system was implemented. Simulating result demonstrated that the strategy made the characteristics of the compound power fully developed.This system not only protected and expanded the working life of the battery，but also improved the dynamic performance of the vehicle.

Key words: pure electric vehicle；ultracapacitor; compound power system；power distribution strategy

作為純電動汽車的電源系統，蓄電池/超級電容器復合電源利用蓄電池和超級電容的各自優點，在具備高比能量的同時有著高的比功率。與蓄電池、超級電容、飛輪電池或燃料電池等單一電源相比，復合電源可以更好地適應車輛多種運行工況。

目前國內外關于蓄電池/超級電容復合電源系統的研究較少，關于電源系統的功率分配策略仍不完善。文獻［1］、［2］、［3］中的功率分配策略是根據車速來確定超級電容的參考SOC，并由此來進行功率分配，此策略中對超級電容的容量要求較高。文獻［4］、［5］、［6］中采用了模糊控制策略，此策略在仿真中簡單易行，功率分配結果也較為理想，但硬件實現較為繁瑣。文獻［7］、［8］中采用了邏輯門限功率分配策略，但在再生制動回收能量時蓄電池和超級電容同時回收能量，這樣降低了再生能量的回收效率。

本文介紹了復合電源系統的結構和工作原理，并以簡單易行、最大限度保護蓄電池、提高能量回收效率為前提，為復合電源系統設計了包含“恒溫器”控制策略的邏輯門限功率分配策略，建立了復合電源系統的仿真模型，并在MATLAB SIMULINK中對復合電源系統進行了仿真研究。

1 復合電源系統結構與工作原理

1.1 系統結構

復合電源系統結構如圖1所示，系統由蓄電池、超級電容和DC/DC變換器組成。蓄電池比能量高，高的比能量可以保證電動汽車的續駛里程；但是比功率低，只能小電流充放電，大電流充放電將損壞電池，嚴重影響電池的使用壽命。車輛在行駛中需要頻繁加速、剎車，要求短時間大電流充放電，因而蓄電池無法滿足整車動力性要求，因此蓄電池在復合電源中起到保證車輛續駛里程的作用。超級電容比能量低，大電流放電時電壓會在短時間內下降到理論限制電壓值，無法長時間進行放電；但它比功率高，高的比功率可以保證電動汽車短時間內大功率需求，因此帶有超級電容器的復合電源中能夠改善車輛的動力性。DC/DC是復合電源系統中實現功率分配的關鍵單元。通過對DC/DC的控制可以利用超級電容的特點緩解蓄電池充放電電流，對蓄電池負荷起到削峰填谷的作用。

圖1 復合電源系統結構圖

1.2 系統工作原理

負載需求功率較低時，蓄電池單獨向動力母線放電滿足負載的功率要求，或者在超級電容SOC較低時滿足負載功率要求的同時通過DC/DC變換器給電容充電；負載需求功率高時，蓄電池和超級電容同時向動力母線供電，以滿足負載要求；在制動或下坡時，即再生制動，由超級電容單獨吸收再生功率，或在超級電容SOC過高時為保護超級電容同時保證制動性能不受影響由蓄電池吸收再生功率。

2 功率分配策略設計

2.1 行駛工況功率分配策略

超級電容所存儲的能量與超級電容的電壓和容量有關，即E=U2C，當超級電容的端電壓等于額定電壓的1/2時，即超級電容的電荷狀態UC_SOC=0.5時，超級電容存儲的能量等于額定存儲能量的1/4，因此在設計功率分配策略時，設定超級電容能量耗盡點的電荷狀態為UC_SOC=0.5。依據超級電容的UC_SOC和車輛行駛需求功率Preq與平均功率Pav間的關系，將車輛大功率行駛工況下復合電源的放電策略分為以下三種情況：

（1）UC_SOC>0.6時，若Preq>Pav，Preq=PBatt+PUC，PBatt=Pav，若Preq

（2）0.5Pav，Preq=PBatt+PUC，PBatt=Pav，若Preq

(3)UC_SOC≤0.5時，若Preq>Pav，Preq=PBatt，若Preq

在（2）、（3）兩種工況中蓄電池給超級電容充電是為了及時補充超級電容的電量，一旦蓄電池開始給超級電容充電，只要滿足Preq

2.2 再生制動功率分配策略

再生制動時儲能裝置吸收從電機回饋來的電能，再生制動過程的功率分配策略主要是協調再生制動功率對蓄電池和超級電容的充電過程。利用超級電容高比功率，可實現大功率和快速充電的特點，由超級電容吸收再生制動功率，從而提高了再生制動效能和功率回收效率，同時避免了蓄電池受到大電流的沖擊。當超級電容存儲的能量接近最大存儲能量時，即UC_SOC=0.95，由蓄電池回收平均再生制動功率P′av，剩余的再生制動功率仍由超級電容回收。當UC_SOC>0.99時，為了保護超級電容避免過充，僅由蓄電池接收再生制動功率，雖然此種工況將會使蓄電池會受到大功率的沖擊，但能保證再生制動的有效性，防止因再生制動無效而影響整體制動效能。再生制動功率分配策略如下：

（1）UC_SOC≤0.95時，PUC=Preq，Preq<0；

（2）0.95

（3）0.99

3 復合電源系統仿真

本論文的仿真是基于MATLAB SIMULINK平臺，應用ADVISOR提供的微型純電動汽車整車模型，因此本文所建的模型均為后向仿真模型。

3.1 復合電源系統建模

復合電源系統的仿真模型主要由蓄電池模型、超級電容模型和雙向DC/DC模型構成，本論文旨在研究復合電源系統相比傳統單一蓄電池電源系統的優點，及其功率分配策略的可行性，因此忽略雙向DC/DC的效率因素，將功率分配策略代替雙向DC/DC模型實現功率的分配，仿真模型的建立如圖2所示，其中蓄電池模型和超級電容模型分別是ADVISOR中的Rint Battery Model和Ultracapacitor System。圖2中的輸入power req'd是動力母線的需求總功率，經過功率控制器中的控制策略分別確定對蓄電池和超級電容的功率需求，并依據此時蓄電池和超級電容的可用輸出功率，最終得到復合電源系統輸出總功率。

圖2 復合電源系統模型

3.2 功率分配策略建模

功率分配策略仿真模型的建立是依據第二章所設計的功率分配策略，其仿真模型如圖3所示。

3.3 系統仿真

在功率分配策略中需要確定功率分配門限值的大小，即平均正功率Pav和平均負功率P′av。Pav和P′av可以通過ADVISOR仿真確定。選取典型紐約城市工況CYC_NYCC，其行駛工況如圖4所示。通過仿真得到紐約城市工況行駛時所需功率如圖5所示。計算得其正平均功率Pav=2.57 kW。負平均功率P′av=-726. 3 W。

將復合電源系統模型與ADVISOR中的模型相連接，形成復合電源整車模型，如圖6所示。

圖5 紐約城市工況功率需求和平均功率圖

4 仿真結果分析

在紐約城市工況CYC_NYCC工況下，分別仿真單一蓄電池的整車模型和復合電源系統的整車模型，得到相應的蓄電池SOC、超級電容SOC曲線、功率曲線和電流曲線。

圖7是單一電源系統中蓄電池SOC與復合電源系統中蓄電池SOC的變化比較，很明顯在復合電源系統中，蓄電池SOC變化較為平緩，這正是因為超級電容的存在，緩解了在加速和制動過程中負載對蓄電池的功率需求。在整個運行過程中，相應超級電容的SOC變化如圖8所示，從圖中可以看出超級電容的SOC變化范圍較大，這正是應對因工況變化而引起需求功率的改變。圖9是復合電源系統中超級電容和蓄電池的輸出功率圖，圖10是總線上輸出的總電流與超級電容和蓄電池輸出電流的關系圖。圖9、圖10很好地證明了在車輛行駛過程中，超級電容很好地起到了削峰填谷的作用，避免了大功率對蓄電池的沖擊。

圖10復合電源系統電流輸出

5 結論

本文闡述了純電動汽車的復合電源系統的結構和原理，設計了功率分配策略，并利用ADVISOR中的整車模型，在MATLAB/SIMULINK平臺上進行了仿真研究。仿真結果證明了功率分配策略的可行性，同時也證明了復合電源系統可以避免純電動汽車的瞬時大功率對蓄電池的沖擊，利用超級電容器比功率高的特點，能有效地應對加速、爬坡和制動時瞬間對電源系統大功率的需求，從而延長蓄電池的使用壽命，充分回收再生制動能量。本文的結果對于純電動汽車的復合電源系統的設計和實現具有一定的參考意義。

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