電動汽車復合儲能系統的能量控制策略與仿真

周美蘭+趙立萍

摘要：為了改善蓄電池作為單一能源的電動汽車很難滿足瞬時大電流充放電的問題，在純電動汽車中加入超級電容和雙向DC/DC變換器構成電動汽車復合儲能系統，通過對復合儲能系統工作模式進行分析，建立了復合儲能系統能量管理策略，利用CRUISE軟件對基于復合儲能系統的電動汽車進行建模，建立中國城市道路典型循環工況，在中國城市道路典型循環工況下對整車進行仿真，仿真結果表明電動汽車復合儲能系統中，超級電容能瞬時大電流充放電，且可以保持蓄電池小電流平穩輸出，從而減小了對蓄電池的損害，延長蓄電池的使用壽命。

0引言

目前，由于我國石油資源短缺，環境污染問題愈加嚴重，發展電動汽車成為緩解這一問題的突破口之一，然而純電動汽車的續駛里程的長短取決于車載蓄電池的性能，蓄電池的功率密度偏低很難滿足電動汽車在城市道路中頻繁起步、加速、減速和停車的要求，從而限制了純電動汽車的續駛里程。

為了解決這一問題，在電動汽車中加裝超級電容，由于超級電容具有高功率密度，能瞬時大電流充放電的特性，能較好地滿足電動汽車在起動、加速、爬坡時對功率的需求，且將超級電容和蓄電池相結合共同驅動電機已然成為電動汽車行業的研究熱點，隨著超級電容的技術不斷提高，超級電容和蓄電池構成的復合儲能系統受到世界各國的廣泛關注，日本豐田汽車公司與大崎電力公司合作開發的馬自達某款車型上安裝了鉛酸蓄電池和松下超級電容組成復合儲能系統進行一系列性能測試，結果表明，復合儲能系統中超級電容可以有效減輕蓄電池工作負載，菲亞特汽車公司使用9 kW鉛酸電池和250 wh超級電容器組成復合儲能系統，測試結果顯示，基于此系統的電動汽車在市區工況可節能40%，在我國，基于復合儲能系統的電動汽車研發還處于起步階段，朱寧通過對電動汽車用超級儲能電容進行容量、循環工況、溫度特性、循環壽命、恒功率放電、大電流恒流放電等一系列試驗方法研究，并建立了一套適用于電動汽車用超級儲能電容的試驗規范，金小飛等根據純電動汽車的不同工作狀態，設計了雙向DC/DC變換器模糊控制策略，在電動運行狀態下以“穩壓”為目標，實現超級電容和電池組的輸出電壓相匹配，在制動運行狀態下以“穩流”為目標，實現對超級電容和電池組的恒流充電，張昌利等為提高蓄電池一超級電容雙能量源純電動汽車的再生制動能量回收率，通過分析再生制動系統的工作原理，提出了雙能量源純電動汽車的制動力分配方案，以上均對基于超級電容和蓄電池的復合儲能系統進行了深入研究，并提出了相應的試驗規范和控制策略，但是并沒有研究復合儲能電動汽車在道路循環工況下超級電容對蓄電池的影響，針對這個問題，結合本文中復合儲能系統結構，提出了有效的能量管理控制策略，并將超級電容和蓄電池放在整車中，在城市道路工況下研究超級電容對減小蓄電池電流沖擊的影響。

本文主要對電動汽車復合儲能系統的工作模式進行了分析，并建立了復合儲能系統的能量管理控制策略，應用汽車仿真軟件CRUISE搭建基于復合儲能系統的電動汽車模型，基于所設計的能量管理控制策略，在中國城市道路工況下對所設計的復合能量源電動汽車進行仿真驗證。

1復合儲能系統結構與工作模式

1.1復合儲能系統結構

復合儲能系統采用蓄電池直接連接電機控制器，超級電容和雙向DC/DC變換器串聯后連接電機控制器的結構，如圖1所示，當汽車加速時負載電流突然加大超過某一值，由超級電容經雙向變器提供瞬時功率，以便將蓄電池輸出電流限制在一定的范圍之內，進而保護蓄電池免受大電流沖擊；正常行駛時，主要由蓄電池向電機提供能量；汽車減速或制動時，電機主要向超級電容回饋制動能量，超級電容充滿電后多余的能量回饋給蓄電池。

復合儲能系統拓撲結構如圖2所示，依據超級電容工作狀態需求，雙向DC/DC工作在升降壓兩種模式下，當電動汽車處于快速啟動狀態或者爬坡狀態時，需要超級電容進行輔助的能量輸出，由于超級電容的電壓小于母線電壓，故超級電容給電機供電時，需要進行升壓，此時雙向DC/DC變換器工作于Boost電路模式，此時Q1為斬波開關，Q2始終處于斷開狀態，此時電流將通過其反向二極管D2進行續流，實現同步整流，當電動汽車在制動過程中回收制動能量，對超級電容進行充電，由于驅動系統的母線電壓比超級電容的電壓高，故當超級電容處于充電狀態時，雙向DC/DC變換器工作于Buck電路模式，Q2作為主要功率元件進行PWM斬波，Q1可以是恒關的，此時電流將通過其反向二極管D1進行續流，實現同步整流。

1.2復合儲能系統能量控制模式分析

依據上述雙向DC/DC變換器工作狀態分析，蓄電池和超級電容有以下4種工作模式：

1）超級電容單獨工作驅動電機，當汽車起步、爬坡或加速行駛，并且超級電容的電壓高于設定的超級電容電壓下限時，由超級電容單獨工作提供驅動功率，此時蓄電池不工作。

2）蓄電池和超級電容同時工作驅動電機，當汽車起步、爬坡或加速行駛，而超級電容電壓低于設定的超級電容電壓下限時，由蓄電池和超級電容共同工作提供驅動功率。

3）蓄電池單獨工作驅動電機，當汽車巡航模式行駛時，所需功率只靠蓄電池提供就可滿足，此時蓄電池單獨工作提供驅動功率，超級電容不工作。

4）再生制動，在汽車減速或停車制動過程中，制動能量優先回饋給超級電容，超級電容快速充電，超級電容電壓達到設定的電壓上限值后，剩余能量回饋給蓄電池充電。

2基于復合儲能的電動汽車建模與仿真

2.1基于復合儲能的電動汽車整車建模

CRUISE是AVL公司開發的研究汽車動力性，燃油經濟性，排放性能及制動性能的前向仿真軟件，相對后向仿真軟件而言計算更精準，利用CRUISE軟件搭建的基于復合儲能的電動汽車模型如圖3所示，該模型是在純電動汽車模型的基礎上加入超級電容和雙向DC/DC模塊，超級電容和DC/DC變換器串聯后和蓄電池并聯連接直流母線，該整車模型中的各個模塊需進行參數設置，整車基本參數如表1所示，之后進行電氣信號連接和機械信號連接，建立能量管理控制策略與仿真任務進行整車仿真。

2.2基于中國城市道路工況下復合儲能電動汽車仿真

在CRUISE軟件循環工況任務中建立中國城市道路典型循環工況，中國城市道路典型循環工況如圖4所示，基于中國城市道路工況下對復合儲能電動汽車進行仿真，分析加裝超級電容的電動汽車電池輸出電流和汽車續駛里程變化。

中國城市道路循環工況下汽車的加速情況如圖5所示，圖中看到汽車頻繁加速、減速，受行駛工況的限制，只由蓄電池供電的傳統電動汽車需要頻繁地短時大電流充放電，由于蓄電池自身特性并不能滿足電動汽車在城市道路工況的行駛需求，故加入超級電容器彌補蓄電池的不足，超級電容具有工作溫度范圍寬，功率密度高和不受瞬時大電流的影響等性能，在復合儲能系統中具有不可替代的優勢，

結合蓄電池和超級電容的工作特性，根據上述的復合儲能系統工作模式建立了相應的能量控制策略，控制策略流程如圖6所示，其中：Modjoad signal大于0代表汽車加速或正常行駛；小于0代表汽車減速或制動；Preq為電機需求功率；Pbat為蓄電池功率；PC為超級電容功率；Vcap表示超級電容電壓。

將未加超級電容的純電動汽車和所設計的復合儲能電動汽車進行仿真，仿真結果如下，未加超級電容的純電動汽車蓄電池電流變化如圖7所示，從圖中可看到汽車在道路循環工況行駛下蓄電池電流變化范圍很大，蓄電池會頻繁受到大電流的沖擊，蓄電池具有較低的功率密度特性，不適合大電流大功率的充放電，否則對蓄電池危害很大，從而影響蓄電池的使用壽命。

在電動汽車中加裝超級電容構成復合儲能系統后，蓄電池的輸出電流變化如圖8（a）所示，超級電容輸出電流如圖8（b）所示，從圖中可看出超級電容的輸出電流比蓄電池輸出電流大很多，蓄電池電流平均輸出電流為13 A左右，汽車制動時向蓄電池充電電流約為7 A，而同樣條件下，超級電容輸出電流一般為20 A，汽車制動時超級電容的充電電流大約為16 A，利用超級電容高功率密度，能瞬時大電流充放電的特性，使汽車起步或加速需求大電流輸出時，優先超級電容工作提供驅動功率。

從仿真結果來看，采用復合儲能系統后，有效減小了蓄電池大電流輸入和輸出，使蓄電池免受大電流的沖擊，而超級電容在汽車行駛過程中能充分發揮其具有較高功率密度，能瞬時大電流充放電的特性，可使蓄電池維持小電流輸出，免受瞬時大電流沖擊，正是由于它這樣的特性與作用決定了其在復合儲能系統中具有重要地位。

在中國城市道路典型循環工況下，復合儲能系統中蓄電池SOC（state of charge）變化如圖9（a）所示，超級電容SOC變化過程如圖9（b）所示，在這一過程中，蓄電池SOC由95%降到91.8%，超級電容SOC初始值為80%，結束時SOC值為78.2%，從仿真結果圖中可以看到蓄電池和超級電容的SOC都有回升的過程，說明在汽車減速或剎車時確實有能量回饋到復合儲能系統中，由于超級電容具有快速大電流充電的能力，讓制動能量優先回饋給超級電容，而且從圖9（b）中可看到，再生制動過程中超級電容成為主要吸收制動能量的儲能元件，超級電容SOC的回升較蓄電池SOC回升幅度大，證實了所設計的復合儲能系統能量管理控制策略的可行性。

以上仿真結果顯示，單一蓄電池供電的電動汽車在城市道路工況下，受行駛工況的限制汽車需要經常性的啟停、加速和減速運行，同時伴隨著蓄電池遭受大電流的沖擊，對蓄電池的損傷較大，而采用復合儲能系統的電動汽車，超級電容在瞬時大電流充放電方面優勢顯著，可以減緩大電流大功率對蓄電池的沖擊，使蓄電池可以維持在小電流范圍平穩輸出，對蓄電池起到保護作用，并保證汽車行駛中具有較好的動態性能。

3結論

1）研究了蓄電池—超級電容復合儲能電動汽車能量管理問題，首先分析了基于復合儲能的雙向DC/DC的工作原理，以及蓄電池和超級電容的工作模式，并依據工作模式建立了復合儲能電動汽車能量管理控制策略。

2）應用汽車仿真軟件CRUISE搭建了復合儲能電動汽車模型，建立了中國城市道路典型循環工況，基于該工況下對整車進行仿真，研究其能量存儲系統的性能。

3）仿真結果顯示，在復合儲能電動汽車中，蓄電池電流平均變化范圍為-13 A～7 A，超級電容電流平均變化范圍為-20 A～16 A，超級電容能瞬時大電流充放電，保持蓄電池小電流平穩輸出，可減少大電流充放電對電池的傷害，延長電池的使用壽命，并且在該能量控制策略下，蓄電池和超級電容的SOC值較穩定下降較少，并在汽車制動時伴隨著能量回升，證實該控制策略的可行性。

本文提供的電動汽車復合儲能系統能量管理策略可為汽車廠商進行汽車能量管理的開發提供參考。