純電動汽車復合儲能系統及其控制策略

周美蘭 趙靖紋 趙立萍

摘 要：針對目前電動汽車由于蓄電池壽命和續航里程短導致其不能普及的現狀，加入超級電容和DC/DC變換器構成復合儲能系統，分析了汽車的運行狀態，提出了一種改進的邏輯門限控制方法對復合儲能系統進行能量控制。利用AVL CRUISE軟件建立了整車模型，對能量控制策略進行了城市工況下的仿真驗證。以48V 5kW的直流無刷電機及其控制器HPC300為載體，搭建了復合儲能單元和其控制系統，仿真和實驗結果表明該復合儲能系統及其控制策略能夠避免蓄電池的大電流輸出和沖擊，提高蓄電池的使用壽命和汽車的續航里程。

關鍵詞：電動汽車；復合儲能；控制策略；超級電容

DOI：10.15938/j.jhust.2018.03.014

中圖分類號： TM91

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）03-0079-07

Compound Energy Storage System and Energy Management Strategy for Electric Vehicles

ZHOU Mei-lan， ZHAO Jing-wen， ZHAO Li-ping

（School of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080， China）

Abstract：At present， the electric vehicles cannot be universal because of their short batteries life and driving range. An ultra-capacitor and a DC/DC converter were added to the pure electric vehicles constituting the compound energy storage system. Analyzing the operating state of vehicles， an improved logic threshold control method is proposed for controlling compound energy storage system. The whole vehicle model is established by using AVL CRUISE software， and the energy management strategy is simulated under urban condition.With the Brushless Direct Current Motor in 48V and 5kW and its controller HPC300 as the carrier， the compound energy storage system and its energy management system were built.The simulation and experimental results show that the compound energy storage system and its energy management strategy can avoid the input and output of high current of batteries， improve the life of batteries and the driving range of electric vehicles.

Keywords：electric vehicle； compound energy storage； control strategy； ultra-capacitor

0 引 言

在工業化飛速發展的今天，汽車作為人們必不可少的交通工具，電動汽車已經成為其主要的發展趨勢。當前，造成電動汽車無法廣泛普及的重要原因就是電動汽車續航里程短和動力電池壽命短[1-2]。蓄電池具有高能量密度，但是由于不能承受瞬時大電流充放電，單一的蓄電池無法滿足汽車性能的需求，因此提出了蓄電池、超級電容和雙向 DC/DC變換器相結合的復合儲能系統。超級電容具有高功率密度和長循環壽命，和蓄電池進行互補，能夠延長續航里程，提高蓄電池的使用壽命[3-4]。國內外的學者對復合儲能做了大量的研究，Toufik Azib等對燃料電池車采用了蓄電池和超級電容作為輔助儲能裝置，仿真證明復合儲能裝置效率很高[5]；A. Khaligh等針對混合動力汽車和插入式混合動力汽車提出了一種先進的能量存儲拓撲結構[6]；J. P. Trovo等提出了一種綜合能量管理系統，并與純電池電動汽車進行比較，仿真證明多級能量管理的有效性且其可以降低功率容量[7]。胡建軍等提出了基于電流和速度約束的模糊控制策略，并對復合儲能裝置參數進行了優化，仿真證明能有效減少蓄電池的輸出電流[8]；王琪等針對混合動力汽車復合儲能系統提出一種自適應濾波功率分配控制策略并進行了參數優化，實驗證明有效降低了蓄電池電流的幅值及波動范圍[9-10]；吉林大學也對電動汽車復合儲能做了大量的研究并進行了參數優化[13]。

基于以上對于車載復合儲能系統的研究，為了進一步提高電動汽車的動態性能，延長蓄電池的使用壽命，采用復合儲能系統作為電動汽車的儲能裝置，分析電動汽車的運行狀態，并提出了一種改進的邏輯門限值控制策略，對復合儲能系統能進行能量分配，利用仿真和實驗進一步驗證其合理性及有效性。

1 復合儲能系統

1.1 復合儲能系統結構

復合儲能系統結構如圖1所示。

將超級電容與雙向DC/DC變換器串聯，再與蓄電池并聯連接電機控制器，可以通過雙向DC/DC變換器實現對超級電容和蓄電池輸入輸出功率的控制。超級電容的工作電壓略低于蓄電池的電壓，二者共同驅動電機時，超級電容連接在雙向DC/DC變換器的低壓側，蓄電池連接雙向DC/DC變換器的高壓側，復合儲能系統的拓撲結構如圖2所示。通過控制蓄電池回路的開關S1和雙向DC/DC變換器的工作模式，來確定蓄電池和超級電容參與供電情況。

2 復合儲能系統控制策略

2.1 電動汽車運行狀態分析

城市道路中，由于交通擁堵，汽車需要頻繁地啟停，因此需要電動機在電動狀態和發電狀態之間不斷轉換，電機工作狀態的不同決定著復合儲能系統中蓄電池和超級電容參與供電情況的不同。

2.1.1 電動汽車電機電動狀態

當電動汽車在啟動、加速或勻速行駛時，電動機為電動工作狀態，將儲能系統提供的電能轉化為汽車所需的動能，使汽車具有良好的動態性能。

1）電動汽車在啟動及加速時，對于功率的需求比較大，采用超級電容提供瞬時大功率。超級電容給電機供電時，需要進行升壓處理，此時雙向DC/DC變換器工作在升壓模式，同時斷開S1，避免超級電容放電時給蓄電池充電。此過程復合儲能系統供電原理如圖3（a）所示。

2）電動汽車勻速行駛時，對功率需求不高，所需能量較穩定且易滿足，由蓄電池單獨供電。此階段超級電容不參與供電，只由蓄電池為電機提供所需能量，此時雙向DC/DC變換器不工作，且保持開關S1閉合。此過程復合儲能系統供電原理如圖3（b）所示。

2.1.2 電動汽車電機發電狀態

當汽車減速或停車時，電動機工作在發電狀態，將機械能轉化為電能，回饋到儲能系統中，實現能量的充分利用。由于超級電容在復合儲能系統中至關重要的作用，且其充電速度快，所以汽車產生的再生制動能量首先回饋給超級電容，如果仍有剩余回饋給蓄電池。

1）將再生制動能量回饋給超級電容時，對超級電容進行充電，充電電流受電機回饋電流限制，雙向DC/DC變換器工作在降壓模式，開關S1斷開。此過程能量回饋情況如圖4所示。

2）將再生制動能量回饋給蓄電池時，對蓄電池進行充電，保持開關S1閉合，保證雙向DC/DC變換器不工作，將超級電容從能量回饋系統中斷開，此時有利于提高電動汽車的行駛里程。

2.2 復合儲能系統控制策略的設計

目前，車載復合儲能系統能量控制策略最為普遍的是邏輯門限值控制策略，由于超級電容的荷電狀態SOC（state of charge）與電壓構成簡單的函數關系，因此邏輯門限值本質上是設定超級電容的電壓的上下閾值。超級電容SOC門限值的選取，要考慮到超級電容帶動電機時的工作電壓及其容量，超級電容的SOC值呈簡單函數關系，超級電容存儲的能量E與端電壓U和容量C的關系滿足如下關系式（1）：

E=12CU2（1）

當超級電容端電壓為額定電壓的60%時，其存儲的能量僅為額定容量的36%，此時超級電容能量較低，因此設定超級電容SOC最低限值為0.6，為了給超級電容存儲空間留有裕量，其SOC上限值設為0.95。

所用的復合儲能系統能量控制策略為改進的邏輯門限控制方法，從汽車加速、勻速和制動三種運行狀態分析能量管理策略：

1）汽車深度加速（acceleration>0.45）運行，當加速信號達到acceleration>0.45時，根據超級電容能量狀態，能量管理方法分為以下兩種：

①超級電容的端電壓大于額定電壓60%時，此時超級電容能量在設定的下限值以上，能夠滿足汽車的行駛需求，由超級電容單獨為電機提供所需功率P1，避免蓄電池大電流輸出，同時可避免復合儲能系統在超級電容和蓄電池同時供電時，出現一方能量下降而另一方能量上升的情況。此時，P1=Psc，Psc為超級電容輸出功率。

②超級電容的端電壓小于額定電壓的60%時，超級電容的能量不足，為保證汽車行駛的安全可靠性，此時電機需求功率需要由蓄電池完全提供，功率關系式為P1=Pbat，Pbat為蓄電池提供的功率。

2）汽車勻速（acceleration=0）運行以及汽車輕度加速（acceleration<0.45）時，相對深加速行駛狀態，此時電機所需驅動電流變化較小，不會給蓄電池帶來較大的沖擊。為保證汽車深加速或爬坡時超級電容的能量，由蓄電池單獨為電機提供能量，功率關系式為P1=Pbat。

3）汽車減速或剎車（acceleration<0）時，電機工作在發電狀態，對復合儲能系統進行充電，由于制動能量較少，為保證超級電容在下次啟動、加速或爬坡時能夠良好地驅動電機，優先由超級電容對制動能量進行吸收，超級電容容量達到設定的上限值0.95后，如果制動能量還有剩余則繼續給蓄電池充電。

綜上，文中所用復合儲能系統能量管理改進的邏輯門限策略規則如圖5所示。

3 基于CRUISE的復合儲能系統能量管理策略仿真與分析

在AVL CRUISE軟件上搭建復合能源電動汽車模型，將超級電容和DC/DC變換器串聯后和蓄電池并聯接入直流母線。整車基本參數如表1所示，輸入參數后，進行電氣信號連接和機械信號連接，建立能量控制策略進行整車仿真。

純電動汽車一般主要在城市道路中使用，選用新歐洲循環工況NEDC（the new european driving cycle）對車輛進行測評，該工況綜合性能評測比較均勻，NEDC循環工況如圖6所示，NEDC循環工況下汽車加速情況如圖7所示。圖中看到汽車頻繁加速、減速，單純使用蓄電池供電，由于其自身特性并不能滿足這行駛需求，故加入超級電容器十分必要。

采用蓄電池作為單一動力源的傳統電動汽車在NEDC循環工況下行駛時，蓄電池的電流變化情況如圖8所示。從圖中可以看到蓄電池的電流變化特別頻繁，當電流為負時，為放電電流，即輸出電流；當電流為正時，為回饋電流，即輸入電流。輸出電流變化范圍為0～100A，輸入電流變化范圍為0～75A，并經常伴隨有突變的情況發生，蓄電池這種工作性能并不理想，通常會縮減電池的使用壽命。

根據上節確立的復合能源工作模式建立了相應的能量管理控制策略，控制策略流程圖如圖9所示，其中acceleration>0.45代表汽車深度加速，acceleration<0.45代表汽車輕度加速，acceleration=0代表汽車勻速行駛，acceleration<0代表減速或制動，P1為電機需求功率，Pbat為蓄電池功率，Psc為超級電容功率，Vc表示超級電容電壓。

在NEDC循環工況下，電動汽車復合儲能系統中蓄電池和超級電容的電流變化如圖10（a）和（b）所示，蓄電池和超級電容的SOC變化如圖11（a）和（b）所示。

從圖10中可看出蓄電池電流和超級電容電流相差很大，蓄電池輸出電流變化范圍

為0～40A，輸入電流范圍為0～10A，超級電容輸出電流變化范圍為0～100A，輸入電變化范圍為0～90A左右。相比單一蓄電池作為純電動汽車的動力源，蓄電池的輸出電流減少了60%，輸入電流減少了86.7%。數據表明采用復合存儲系統后，有效避免了蓄電池大電流輸出，使其免受大電流的沖擊，在汽車具有大功率需求時，超級電容優先提供大電流進行驅動。

從圖11中可以看到，一個循環工況后，蓄電池SOC由95%降到89%，超級電容SOC由80%變為74.7%。蓄電池和超級電容的SOC都有回升的趨勢，可知在再生制動過程中確有能量回饋到復合儲能系統中，且超級電容SOC回升幅度較大，制動能量優先回饋給超級電容。

4 實驗及結果分析

4.1 電動汽車復合儲能系統搭建

汽車實驗平臺模擬小型電動汽車，采用額定電壓48V，額定功率5kW的無刷直流電機和額定電壓48V的電機控制器HPC300，低噪音，低轉矩脈動驅動，具有剎車、加速和巡航定速等功能。在此基礎上，搭建了復合儲能結構及其控制系統，采用兩個磷酸鐵鋰電池串聯組成動力電池組，單體電池額定電壓25.6V，標稱容量50Ah；采用Maxwell超級電容，額定電壓48V，額定容量165F；雙向DC/DC變換器額定功率8kW，高壓側0～60V，低壓側0～48V，電源效率高達97%，具有升降壓工作模式，通過CAN指令控制模式切換。復合儲能系統連接圖12所示。

對電機控制器的外圍電路進行搭建，通過外圍按鍵可以實現巡航控制和剎車控制，電機控制器的加速信號端口與加速踏板相連，通過檢測按鍵和加速踏板的輸出信號判斷汽車行駛模式。用電壓傳感器檢測超級電容電壓，將所檢測到的信號都傳送給DSP芯片，根據汽車不同的行駛模式，DSP芯片通過CAN指令控制蓄電池回路中的IGBT和雙向DC/DC變換器，以實現蓄電池和超級電容的能量分配。由于實驗條件的有限性，不能準確的模擬NECD工況，利用電動機和加速踏板模擬不同的行駛模式。復合儲能電源系統的結構如圖13所示。

4.2 實驗結果分析

采用LabVIEW對復合儲能系統的數據進行采集，利用傳感器、數據采集卡和計算機對蓄電池和超級電容電壓電流信號進行自動采集、顯示和儲存。被測信號經相應的傳感器轉換為電壓信號，經過信號調理電路濾波放大，由數據采集卡輸入計算機，通過查看電腦終端上監測界面可以隨時監測到復合儲能系統工作情況。

單一蓄電池作為電動汽車的動力源時，蓄電池的電壓電流如圖14（a）、（b）所示。從圖中可以看出，單一蓄電池作為動力源時，電壓的變化范圍為45.6～35.4V，電流的變化范圍為0～35A，變化比較大，這樣頻繁的大電流輸出會對蓄電池造成損害。

在系統中加入超級電容和雙向DC/DC變換器構成復合儲能電源系統后，監測到的蓄電池的電壓電流如圖15（a）、（b）所示，超級電容的電壓電流如圖16（a）、（b）所示。從圖15、16中可以看出，采用復合儲能系統以后，電壓變化范圍為48.6～47.8V，蓄電池的電流變化范圍為0～5A，最大電流由單一蓄電池時的35A降到了5A。超級電容的電壓變化范圍為46.6～36.6V，電流變化范圍為0～28A，分擔了蓄電池的大電流，避免了對蓄電池的損害。

從圖14～16可以看出，采用單一蓄電池作為動力源提供能量，蓄電池會頻繁發生瞬時大電流充放電，影響蓄電池的壽命，損害非常大。采用復合儲能結構作為電動汽車的動力源，應用本文中改進的復合儲能系統能量管理策略，利用超級電容輸出和吸收瞬時大電流，使得蓄電池的輸入輸出電流可以維持在較小范圍內。采用此復合儲能系統及能量控制策略，可以充分發揮蓄電池和超級電容的優勢，使電動汽車的性能達到最優化，從而在滿足汽車行駛需求的情況下，延長蓄電池的使用壽命，提高電動汽車的續航里程。

5 結 論

1）確立了復合儲能系統的結構，提出了一種改進的邏輯門限控制方法，根據車輛不同的運行狀態確立不同的能量管理策略。

2）利用AVL CRUISE搭建整車模型，進行了城市工況下的性能仿真，驗證能量控制策略的有效性，在實驗平臺上進行實物驗證。實驗結果顯示，采用復合儲能系統以后，蓄電池的最大輸出電流由采用單一蓄電池時的35A降到了5A，降低了86%，超級電容的輸出電流為0～28A，超級電容承擔了剩余部分的電流和功率。

3）仿真和實驗表明，采用該復合儲能系統及其能量控制策略能夠避免蓄電池的大電流輸出和沖擊，超級電容能夠輸出和吸收瞬間大電流，且超級電容能夠優先回收再生制動能量，延長了蓄電池的使用壽命和汽車續航里程。

參 考 文 獻：

[1] 劉卓然，陳健，林凱，等. 國內外電動汽車發展現狀與趨勢[J]. 電力建設，2015（7）：25-32.

[2] 宋永華，陽岳希，胡澤春. 電動汽車電池的現狀及發展趨勢[J]. 電網技術，2011（4）：1-7.

[3] 曹秉剛，曹建波，李軍偉，等. 超級電容在電動車中的應用研究[J]. 西安交通大學學報，2008（11）：1317-1322.

[4] 桑丙玉，陶以彬，鄭高，等. 超級電容-蓄電池混合儲能拓撲結構和控制策略研究[J]. 電力系統保護與控制，2014（2）：1-6.

[5] AZIB， T.， LAROUCI， C.， CHAIBET， A.， et al. Online energy management strategy of a hybrid fuel cell/battery/ultracapacitor vehicular power system[J].IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering， 2014，9（5）： 548–554.

[6] KHALIGH A， LI Z， Battery， Ultracapacitor， Fuel Cell， and Hybrid Energy Storage Systems for Electric， Hybrid Electric， Fuel Cell， and Plug-In Hybrid Electric Vehicles： State of the Art， IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2010， 59（ 6）： 2806-2814.

[7] TROVO J. P.， SANTOS V. D.， PEREIRINHA P. G.， et al. Comparative study of different energy management strategies for dual-source electric vehicles，Electric Vehicle Symposium and Exhibition （EVS27）， 2013 World， Barcelona：1-9.

[8] 胡建軍，肖軍，晏玖江. 純電動車車用復合儲能裝置控制策略及參數優化[J]. 重慶大學學報，2016（1）：1-11.

[9] 王琪，孫玉坤. 一種混合動力汽車復合電源能量管理系統控制策略與優化設計方法研究[J]. 中國電機工程學報，2014（S1）：195-203.

[10]王琪，孫玉坤，黃永紅. 一種蓄電池-超級電容器復合電源型混合動力汽車制動力分配策略研究[J]. 電工技術學報，2014（S1）：155-163.

[11]黃智奇，姚棟偉，楊國青，等. 電動汽車復合能源系統再生制動分段控制策略研[J].機電工程，2016（3）：280-286.

[12]王斌，徐俊，曹秉剛，等. 一種新型電動汽車復合電源結構及其功率分配策略[J].汽車工程，2015（9）：1053-1058+1052.

[13]王同景. 電動汽車復合電源能量管理策略研究[D].長春：吉林大學，2015.

[14]ZENG X.， WANG J. A Parallel Hybrid Electric Vehicle Energy Management Strategy Using Stochastic Model Predictive Control With Road Grade Preview[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2015.23（ 6）：2416-2423

[15]周美蘭，趙強，周永勤. 改進的PSO-BP神經網絡估算磷酸鐵鋰電池SOC[J]. 哈爾濱理工大學學報，2015（4）：88-92.

[16]張純江，董杰，劉君，等. 蓄電池與超級電容混合儲能系統的控制策略[J]. 電工技術學報，2014（4）：334-340.

[17]武偉，謝少軍，張曌，等. 基于MMC雙向DC-DC變換器的超級電容儲能系統控制策略分析與設計[J]. 中國電機工程學報，2014（27）：4568-4575.

[18]李珂，張承慧，崔納新. 電動汽車用高效回饋制動控制策略[J]. 電機與控制學報，2008（3）：324-330.

[19]朱洪波，康龍云，楊會州. 基于LabVIEW的復合能源電動汽車數據采集系統的設計[J]. 測控技術，2011（8）：19-22.

[20]劉永相，惠富會，徐瑞林，等. 基于LabVIEW和CAN總線的電動汽車充電站監控系統設計[J]. 電測與儀表，2011（11）：41-44.