一種雙電源電動汽車的能量管理策略

葉秋藝，劉延揚，翁美梅，伍開蓮，宋紹劍

（廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004）

一種雙電源電動汽車的能量管理策略

葉秋藝，劉延揚，翁美梅，伍開蓮，宋紹劍

（廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004）

純電動汽車采用鋰電池+超級電容的雙電源，供電方案是解決其動力性、經濟性不足的有效方法。但雙電源純電動車的能量分配策略關系到整車電池安全性等各方面，為此以磷酸鐵鋰電池組+超級電容器組混合雙電源電動汽車測試平臺為研究對象，提出一種基于邏輯門限的能量分配策略，并完成了不同工況下系統能量分配策略的測試。實驗結果表明：所提出的能量分配策略在雙電源電動汽車的制動、加速、巡航等階段能合理地分配各部分能量，提高能量回收效率和整車動力性能。

雙能量源；純電動汽車；能量管理；邏輯門限

傳統汽車曾作為人類社會文明的標志，為人們的生活帶來了極大的便利，但同時也帶來了嚴重的環境問題，例如：能源枯竭、資源短缺等，發展新能源汽車無疑是解決這一問題的根本途徑，其中純電動車作為幾大新能源汽車中的一員，因其“無污染、高能量轉化效率”等特點成為國內外研究的熱點。2015年10月，國務院頒布了《關于加快電動汽車充電基礎設施建設的指導意見》，其中明確提出，到2020年，基本建成適度超前、車樁相隨、智能高效的充電基礎設施體系，滿足超過500萬輛電動汽車的充電需求，為我國電動汽車的發展奠定了堅實的基礎。

現有的動力電池普遍存在著功率密度低、低溫性能差、循環壽命短等缺陷，這成為制約電動汽車發展的關鍵性因素。超級電容作為一種具有瞬時功率大、效率高和壽命長等優點的電源，它與電池的有效組合形成的雙電源純電動汽車（下文稱為B+C雙電源純電動汽車）彌補了單一鋰電池供電的電動汽車存在的動力性、經濟性不足等問題。而兩個不同電源之間的能量分配關系到整車的加速性、制動性、經濟性、電池安全性及能量回收效率等多方面性能。因此，研究雙電源純電動車的能量分配策略具有重要意義。

當前有關雙電源純電動車的研究大多是采用ADVISOR、PSAT等虛擬汽車仿真軟件，忽略了真實車輛系統的機械特性、動力電池組的充電特性以及雙向DC/DC變換器的轉換效率等問題，難以真實反映實車系統的特定情況[1-5]。為此，本文給出了一種以磷酸鐵鋰電池組為主電源，超級電容為輔助電源的純電動車動力測試平臺，并提出一種基于邏輯門限的能量分配策略，并測試系統在不同工況下的能量分配情況。測試結果表明：所提出的能量分配策略能在雙電源電動汽車加速、制動、巡航的階段切實合理的分配能量，并提高了系統能量回收利用率。

1 B+C雙電源純電動汽車測試平臺組成

本文研究的B+C雙電源純電動車測試平臺系統結構如圖1所示。雙向DC/DC變換器先與容量為165F2、額定電壓為48 V的超級電容串聯，再與由22節單體容量為100 Ah、額定電壓為3.2 V組成的鋰電池組并聯，共同驅動一臺額定功率是12 kW、額定電壓是72 V、最大扭矩是40 N.m、最大制動扭矩是30 N·m、最大轉速是2 800 rpm的永磁同步直流電機。同時該平臺以ABB變頻器控制三相異步電機的轉速來模擬電動汽車行駛的路況變化，測試平臺整車基本參數如表1所示。

圖1 磷酸鐵鋰電池純電動汽車研究實驗平臺系統結構圖

表1 純電動汽車整車基本參數

2 基于邏輯門的能量管理策略

為了充分發揮超級電容具有瞬時大功率充放電的優勢，提升整車的加速性能、避免車子加速時需要瞬間大電流放電對磷酸鐵鋰電池組的沖擊，延長電池組的使用壽命，同時，為了能使車子處于制動狀態時，更加高效地回收能量，本文提出了一種基于邏輯門限的控制策略，示意圖如圖2所示，圖中PCAP代表超級電容需求功率、PLI代表鋰電池需求功率。

圖2 邏輯門限示意圖

具體的制動、勻速、加速過程能量流向圖如圖3、圖4和圖5所示，在制動階段電機由于反轉產生的能量完全由鋰電池組和超級電容回收；在勻速巡航階段，鋰電池為電機提供能量的同時也為超級電容進行預充電，為下一時刻電動汽車的加速儲存能量；在加速階段，鋰電池組和超級電容同時為電機提供能量以滿足電動汽車的加速需求。

圖3 整車制動能量回饋流向圖

圖4 整車勻速巡航能量流向圖

圖5 整車加速爬坡能量流向圖

3 各種工況下測試結果及分析

在雙能量源提供動力的情況下，分別測試在ECE（Economic Commission of Europe）工況、UDDS（Urban Dynamometer Driving Schedule）工況下車輛磷酸鐵鋰電池、超級電容的性能變化。其中ECE工況和UDDS工況的車速與時間的關系如圖6、圖7所示。

圖6 ECE工況下車速、時間關系圖

圖7 UDDS工況下車速、時間關系圖

一次ECE工況下雙能量源純電動汽車的車速，磷酸鐵鋰電池電流、功率的變化如圖8所示。雙能量源純電動汽車在一次ECE工況下超級電容的電流、功率變化如圖9所示。一次UDDS工況下雙能量源純電動汽車的車速，磷酸鐵鋰電池電流、功率的變化如圖10所示。雙能量源純電動汽車在一次UDDS工況下超級電容的電流、功率變化如圖11所示；運行12次ECE工況時，雙能量源純電動汽車的具體性能參數如表2所示。

圖8 雙能量源ECE工況下的車速，鋰電池電流、功率曲線

圖9 雙能量源ECE工況下的超級電容電流、功率曲線

圖10 雙能量源UDDS工況下的車速、鋰電池電流、功率曲線

圖11 雙能量源在UDDS工況下的超級電容電流、車速、功率曲線

表212 次ECE工況、一次UDDS工況時雙能量源純電動汽車的性能參數

由表格2可知：

（1）在行駛路程一樣的前提下，不管整車是工作在ECE工況狀態、勻速工況狀態還是UDDS工況狀態，兩個電源的純電動汽車回收能量中的制動總能量均比較高；兩個電源的純電動汽車的超級電容組回收的制動能量分別占各個工況總回收能量的76.4%、98.8%和97.4%，表明本文中所提出的能量管理策略能把整車在剎車過程、減速過程等制動過程中產生的制動能量絕大部分由超級電容組吸收，超級電容組在充放電方面能以較大的電流迅速充電放電的優點得到了很好利用。

（2）兩個電源的純電動車消耗的總能量由雙向DC/DC變換器消耗的能量加上鋰電池組以及超級電容組所消耗的能量，其在ECE行駛工況狀態下消耗的總能量為1 667 410 J，其最主要的原因之一就是超級電容組從磷酸鐵鋰電池組吸收了一些能量，從而為整個平臺瞬時加速提供能量。

（3）雙向DC/DC變換器在ECE工況狀態下消耗的能量高達441 337 J.造成這個的最主要因素為系統中磷酸鐵鋰電池組的額定電壓（72 V）與超級電容組的額定電壓（48 V）不匹配，其中的能量轉換需通過雙向DC/DC變換器來完成，如果雙向DC/DC變換器的效率越高，其消耗的內部能量就越少；若效率越低，其消耗的內部能量就越多。本文中的雙向DC/DC變換器其效率設計為90%左右，但實際效率平均只有74%左右，消耗的內部能量較多，導致單個電源的純電動汽車系統比兩個電源的純電動車系統消耗更少一些的能量，由此表明雙向DC/DC變換器的效率將直接影響到兩個電源的純電動車消耗內部能量。

（4）兩個電源的純電動汽車從啟動到加速到8.3 m/s需要的時間的為15 s左右，其加速性能相對較好，從而說明所提出的能量管理策略能在其加速階段合理的分配能量，提高了整車的動力性能。

（5）在ECE工況狀態和UDDS工況狀態中，雙電源純電動車的鋰電池組在放電方面最大放電電流都比較小，且只在其中一個時刻放電電流達到最大值63.6 A，從而表明本文所提出的能量管理策略能充分利用超級電容能瞬時充放大電流的優點，不但使鋰電池組的輸出電流變得平滑，延長了其使用壽命，而且也滿足了純電動汽車關于加速、制動的動力需求。

4 結束語

本文給出了一種以磷酸鐵鋰電池組為主能量源、超級電容為輔助能量源的純電動汽車測試系統，并完成了ECE和UDDS工況下的能耗、制動能量回收、加速時間和磷酸鐵鋰電池充放電電流等測試和分析，測試結果表明：所提出的基于邏輯門限的能量管理策略，能在系統制動、勻速、加速等各個階段合理地分配能量，提高了汽車的加速性能、電池安全性等性能。

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An Energy Management Strategy of the Pure Electric Vehicles Under Dual-Energy Source

YE Qiu-yi，LIU Yan-yang，WENG Mei-mei，WU Kai-lian，SONG Shao-jian
（School of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

The power supply scheme of the pure electric vehicle with lithium battery and super capacitor which is an effective method to solve the problem of its power and economic performances，but the energy distribution strategy of the dual energy electric vehicle is related to the safety of the battery.For this purpose，a hybrid electric vehicle test platform with a LiFePO4 battery pack mixed ultracapacitors is chosen as research object and an energy allocation strategy based on logic threshold is proposed in this paper.The system testing of the energy distribution strategy under different working conditions is finished.The Results show that the energy allocation strategy based on the logic threshold can reasonably allocate the energy and improve the performance of the whole vehicle in the process of braking，accelerating and cruising.

dual-energy source；pure electric vehicles；energy management；logic threshold

U461.2

：A

：1672-545X（2017）01-0119-04

2016-10-06

大學生創新創業訓練計劃資助（編號：201610593142）

葉秋藝（1996-），女，廣西北流人，工學學士，研究方向為：電動汽車儲能。