基于PHEV復合電源控制策略研究

周洋 郭淑英 肖伸平 謝丹

【關鍵詞】插電式混合動力車 參數匹配 功率控制策略 復合儲能系統

插電式混合動力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）接入專用電源、家用電源為動力電池充電，而動力電池中儲存的能量可以對純電動車續駛里程，結合混合動力與純電動驅動系統，可以在污染物排放、燃油經濟性上可以得到很大程度上的改善。隨著不可再生能源枯竭，大氣污染日益嚴重，在汽車行業中，新能源汽車已成為必然發展趨勢，受到國內外廣泛的關注。

本文研究的重點是將插電式混合動力汽車 （Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）的復合電源控制進行了改進，在傳統的基礎上，去掉雙向的DC/DC，直接將超級電容連接至動力單元與電機控制器，使得新型復合儲能系統在結構上變得簡單，控制效果好，提高了整車的性能，在實踐中搭建插電式混合動力汽車傳統的與新型復合儲能系統及整車模型，實驗結果數據對比表明：本文提出的新型復合儲能系統有效性與可行性，在工程實踐中具有一定實用價值。

1 傳統復合電源系統結構

復合電源系統結構較多，加入功率變換器后，可分為被動式復合電源及主動式復合電源兩種。

圖1中超級電容組串聯DC/DC變換器與蓄電池組并聯，采用這種結構可以有效控制超級電容輸入輸出功率，復合電源總體能量轉換率也不會受到太大影響。超級電容與DC/DC串聯結構更加符合插電式混合動力汽車的設計要求。車輛動力總成結構，即傳統復合儲能系統如圖2所示。

對于圖2所示的傳統復合儲能系統運用雙向DC/DC，優點在于它是電池直連、電壓可以解耦；但其在DC/DC控制超級電容充放電流過程中，DC/DC的功率大，響應慢，效率低。

2 新型復合電源參數匹配及策略

2.1 新型復合電源參數匹配

為了使得復合電源整體的能量和功率容量滿足設計車輛的功率以及能量需求，需要根據整車參數和動力性能需求進行參數匹配，選擇合適的電池電容，提高插電式混合動力車電源效率及工況的適應性。而超級電容器作為一種新型儲能裝置，具有功率密度高、壽命長等優點。

以中國城市公交工況為例，由式（1）可以得到整車的功率。

在（1）式中，ηr為傳動效率，f為阻力系數，A為迎風的面積，CD為空氣阻力系數，通過式（1）計算可得P_AVE為20kW，P_PEAK為90kW。

在復合電源中，選擇超級電容的容量為145F，選擇單節的額定電壓為48V，則有超級電容的節數n=380/48=8。根據要求，設計超級電容器組需要能夠提供10秒峰值功率，并且與電機額定電壓相當。

其中是總的能量，是峰值的能量， 是超級電容的容量， 為超級超級額定電壓；為最小值電壓，額定電壓的一半，C為串聯后的電容，U為端電壓，k為超級電容的安全數據，本文中取k=1.2，由式（4）計算可知，當n=8時，滿足設計的條件。由式（5）計算可得電容的存儲電量是1336320W，超級電容的總質量16okg，則輸出功率Ps_acp需為338Kw，與峰值功率P_PEAK相比，滿足設計的要求。蓄電池組需要滿足電機平均功率需求，且充放電電流不超過安全范圍。如表1所示。

3 新型復合電源功率分配策略

在保證車輛正常行駛以及不影響駕駛體驗的前提下，改造后的復合電源應盡可能實現由蓄電池組平穩輸出，超級電容調節功率需求的控制效果。系統根據電機功率需求，電池荷電狀態，超級電容荷電狀態，離合器狀態確定超級電容和電池的功率分配因數。 車輛行駛過程中，電機分為驅動和制動兩種工作模式，據此控制策略通過需求功率的輸入P_REQ、SOC_BAT（動力電池荷電狀態）、SOC_UC（超級電容荷電狀態）等變量進行計算。

復合電源功率分配如式（6）所示：

（6）

其中，P_BAT 為動力電池分配功率、P_REQ是整車的需求功率、P_UC為超級電容分配功率。圖3為新型復合電源具體的控制方式，在工況制動減速的下，P_REQ小于零，在工況非制動減速的下，P_REQ大于等于零，若P_REQ大于等于零，就有離合器1斷開，SOC_BAT>0.4，電機需求功率P_REQ小于平均需求功率 P_AVE ，即P_REQ

4 新型儲能系統的結構

如上圖4新型儲能系統的結構，與傳統的儲能系統比較，將雙向的DC/DC直接被導線取代，超級電容直接并聯，充放電效率高，系統簡單可靠，解決了傳統的儲能系統響應慢，效率低等缺陷。表2為傳統的儲能系統與新型儲能系統在成本、壽命、效率、能量密度、功率密度、可靠性、復雜程度、總分方面在表2里面做了對比，從表2里面可以看出，本文提出的新型儲能系統的結構在壽命、效率、可靠性等方面都要好，是混合動力車輛較好的選擇。

將表2用平面圖來表示傳統的儲能系統與新型儲能系統的在各個性能方面的比較如圖5所示。

從圖5中可以看出，新型儲能系統除了能量密度不占優勢之外，其余性能都要比傳統的儲能系統好。

5 總結

傳統復合儲能系統雖然具有電池直連，電壓解耦等優點，但是存在DC/DC控制超級電容充放電流過程，DC/DC的功率大，響應慢，效率低等缺點，而本文提出的新型復合儲能系統解決了響應慢、效率低等缺點，適應的范圍更廣，如適應于PHEV，BEV，REEV 等純電驅動車輛的應用場合，通過對匹配電容和電池的容量優化，提高了電池的使用壽命，利于SOC估計和提高制動能量回饋效率，在城市公交行業中，具有廣泛的應用前景與實用價值。

參考文獻

[1]張愛國.插電式混合動力轎車動力總車參數匹配及控制策略研究[D].華南理工大學.2011.

[2]崔勝民，韓家軍.新能源汽車概論[M].北京：北京大學出版社，2012：2-17.

[2]Shaik Amjad，Neelakrishnan R， Rudramoorthy R.Review of design considerations and technological challenges for successful development and deployment of plug-in hybrid electric vehicles[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010， 14（3）：1104-1110.

[3]Mokrani Z，Rekioua D，Rekioua T.Modeling，control and power management of hybrid photovoltaic fuel cells with battery bank supplying electric vehicle [J].International Journal of Hydrogen Energy，2011，39（6）：15178-15187.

[4]Marongiu A，Roscher M，Sauer D U. Influence of the.vehicle-to-grid strategy on the aging behavior of lithium battery electric vehicles [J].Applied Energy，2015，137（1）：899-912.

[5]Jinming Liu，Huei Peng.Modeling and control of a power-split hybrid vehicle[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology，2008，16（6）：1242-1251.

[6]高建平，葛堅，趙金寶等.混合動力汽車快速控制原型系統仿真平臺開發[J].圖學學報，2014，35（6）：905-911.

[7]Sampathnarayanana B，Onori S， Yurkovich S.An optimal regulation strategy with disturbance rejection for energy management of hybrid electric vehicles[J].Automatica， 2014，50（1）：128-140.

[8]周遠.基于混合動力汽車復合電源及能量回饋研究[D].鎮江：江蘇大學，2010.

[9]張宇.插電式混合動力汽車參數設計與優化研究[D].合肥工業大學，2015.

[10]劉璽斌.插電式混合動力城市公交大客車關鍵技術研究[D].西安：長安大學，2013.

[11]周美.插電式混合動力轎車能量管理策略研究與仿真分析[D].長沙，湖南大學，2014.