串聯式復合電源的電動汽車驅動研究

陳 燎，黃 崗，盤朝奉,b

(江蘇大學 a.汽車與交通工程學院; b.汽車與交通工程研究院， 江蘇 鎮江 212013)

本文的研究對象是由蓄電池和超級電容組成的復合電源，針對其串聯式拓撲結構設計了電動汽車的再生制動系統，研究了復合電源的驅動特性。

目前電動汽車上常見的動力電池有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池[1-6]，其中，鋰離子電池比能量及比功率大、循環壽命長、 安全性大、允許的工作溫度范圍寬，已成為未來電動汽車動力電源的主要選擇[7]。超級電容作為一種新型的儲能裝置，具備內阻小、功率密度高、工作溫度范圍廣以及使用壽命長等一系列優勢，得到了國內外學者的廣泛關注[8]。

Gregory Wight等[9]在不同工況下進行蓄電池與超級電容復合電源的實車道路試驗，通過對比分析后發現：加入超級電容之后，能夠減少蓄電池的功率消耗，使得車輛的動力性更好，同時因為超級電容自身充放電速度快等優點，能夠有效提高制動過程中的能量回收率。

SANTUCCI A 等[10]以復合電源的功率實時分配為目標，提出了基于模型預測和動態規劃的控制方法，提高了系統效率，減小了電池負載波動。Wang K等[11]分析了復合電源工作特性，采用低通濾波法對復合電源系統中鎳氫電池和超級電容的充放電電流進行控制，以此來控制復合電源各部分功率，得到了很好的效果。

重慶大學李逢兵等[12]提出基于鋰電池充放電狀態的超級電容狀態調整方法，在明確鋰電池充放電狀態的情況下，通過超級電容參考補償功率方向與其荷電狀態大小調整低通濾波常數大小，重新分配功率。華南理工大學羅玉濤等[13]設計了一種新的復合電源結構，根據整車參數對蓄電池和超級電容進行選型，針對不同車速采用邏輯門限策略進行控制，基于Matlab/Simulink 進行仿真，結果表明：在 NEDC 循環工況下，電池的使用壽命提高了50%。

本文利用超級電容的大電流(高功率)、高效率和長壽命特點改善蓄電池的工作狀況，即減小工作電流、降低充電次數、提高其使用壽命和可靠性，以提高車輛再生制動能量回收水平[14]。

1 串聯式復合電源系統結構

1.1 系統結構及原理

圖1為無源串聯復合電源系統的整體結構，該結構大致分為3個部分：回收電動汽車制動能量的再生制動系統；將回收的電能再次用于汽車驅動的復合電源驅動系統；串聯式復合電源系統的控制和保護系統。

在汽車驅動時，再生制動系統停止工作，由蓄電池和超級電容組成的復合電源通過電機控制器為無刷直流電機供電，將回收的電能用于汽車的驅動。本文研究了由蓄電池、超級電容、直流接觸器、電機控制器、電機組成的復合電源驅動系統。

圖1 串聯式復合電源系統結構

1.2 驅動模式及驅動電流流向

根據驅動電源可以將驅動模式分為兩種：復合電源驅動和蓄電池單獨驅動。

復合電源驅動模式：駕駛員踩下油門，系統中產生驅動信號，當超級電容中存在電能時，系統將由復合電源作為動力源，電流流向如圖2虛線所示，電流從蓄電池正流出經電機控制器后回到超級電容負極，進而驅動電機。

蓄電池單獨驅動模式：由蓄電池作為唯一動力源通過電機控制器對無刷直流電機進行供能驅動。蓄電池單獨驅動存在2種情況，如圖2中所示的線路1和線路2。在復合電源驅動時，超級電容中的電能會不斷消耗直至耗完，此時電池會對超級電容進行少量的反充，電容中負極到正極產生壓降，從而導通二極管D短接超級電容，防止了超級電容的過度反充，達到保護超級電容的目的，此時電路中的電流流向如線路1所示。在驅動過程中電路中的電流可以達到幾百安培，二極管長時間通過驅動電流會浪費較大的電能。此時控制直流接觸器K接通線路2，從而短接二極管D和超級電容，電流由蓄電池正極經過電機控制器、直流接觸器回到蓄電池負極。

2 復合電源驅動控制

在驅動試驗中采集4路信號：霍爾信號、超級電容端電壓、蓄電池端電壓和驅動電流。控制器可以根據霍爾信號計算出電機轉速和車速。超級電容電壓用于驅動模式切換參數，當超級電容端電壓較小時，由復合電源串聯驅動模式切換為單電池驅模式。蓄電池的電壓和驅動電流是計算功率能耗的重要參數。

圖2 驅動電流流向示意圖

在實驗中需要控制驅動信號。如圖3所示，控制器只輸出1路PWM信號，根據驅動制動模式不同，由繼電器分路。在制動模式下，控制器輸出頻率為28.5 Hz的PWM1信號控制打開半控整流橋晶閘管來進行制動能量回收。當系統進入驅動模式時，切換繼電器導通線路，控制器輸出頻率約為7 300 Hz的PWM2信號，信號經過濾波后輸入電機控制器。對PWM占空比進行控制可以改變輸入電壓的大小，從而控制加速度和車速大小。

圖3 加速信號傳輸示意圖

系統有驅動信號、無制動信號時進入驅動狀態，根據超級電容中有無電壓來調節直流觸發器K的開關位置選擇不同的驅動模式，改變PWM信號占空比來改變車速獲得需要的車速曲線，當超級電容電壓大于 1 V 可以進行串聯驅動，否則由蓄電池單獨驅動。驅動過程以檢測不到驅動信號結束。

復合電源系統驅動控制流程見圖4。

3 驅動試驗

在再生制動技術中，由再生制動所回收的能量儲存于超級電容之中，這部分能量將被用于汽車的驅動。本節介紹了串聯式復合電源驅動試驗，研究了該系統對電動車驅動能量利用率和電池能耗情況等的影響。

圖4 復合電源系統驅動控制流程

3.1 試驗臺架

圖5為慣性試驗臺架結構，模擬前軸驅動電動汽車，慣性飛輪的轉動慣量為 7.37 kg·m2，模擬的電動汽車質量為1 000 kg，主減速器減速比為6.515，車輪半徑為0.247 m，對滾輪的半徑為0.34 m。72 V電源由6個12 V磷酸鐵鋰電池組成，選用額定電壓16 V、容量500 F的超級電容。

3.2 濾波電路

試驗中驅動信號由控制器提供(控制器見圖6)，ATmega16產生的高頻PWM信號通過功率放大后經過RC積分電路產生穩定的直流驅動電壓信號。電容兩端電壓為[15]：

(1)

其中：U1為電容端瞬時電壓(V)；t為時間(s)；RC為電路的時間常數(s)；U為脈沖幅值(V)。當時間常數遠遠大于脈沖持續時間t時，其輸入電壓U0和輸出電壓U1的波形如圖7(b)所示。

1，7：前后制動器；2，9：加載軸承座；3：慣性輪；4，8，10：杠桿加載裝置；5，6:前后輪；11，17：加載砝碼；12，13：軸承座及軸；14，16：前后對滾輪；15：機架

圖5 試驗臺架示意圖

圖6 控制器

圖7 RC濾波電路示意圖

由式(1)可以發現，當輸入PWM頻率較大，時間常數RC足夠大，輸出端將得到近似直流輸出。試驗中PWM 頻率為7 300 Hz，濾波電容為0.1 μF，濾波電阻為10 kΩ，理論上輸出的直流電壓如式(2)所示。

U1=D·U

(2)

其中D為占空比。可以通過改變占空比獲得不同的直流電壓，從而獲得所需的車速。

3.3 臺架滑行試驗

電動汽車荷載行駛過程中會有行駛阻力的存在，臺架滑行試驗就是通過計算出的臺架滾動阻力來模擬汽車行駛時的行駛阻力。

在滑行試驗中，將臺架加速到一定的速度后，不采用任何人為的外力進行制動，使其僅受臺架自身的滾動阻力減速，并記錄下試驗數據。如圖8所示，將車速分別加速到30、35 和 40 km/h后使其滑行減速，得到3條速度隨時間變化的曲線，從圖上可以看出3條曲線的變化趨勢保持一致。

圖8 滑行車速隨時間變化曲線

臺架試驗中，滑行過程中的減速度由滾動摩擦阻力提供，根據曲線對時間求導可以獲得減速度與時間之間的關系，從而獲得減速度與車速的關系，再根據負載質量可以獲得滾動阻力系數與車速之間的關系，其關系式為

f=-5.100×10-7v2+6.590×10-5v+0.001

(3)

其中：v為車速(km/h)；f為滾動阻力系數。滾動阻力系數與車速的關系如圖9所示，車速越大，滾動阻力系數越大，表示車輛所受阻力越大。

圖9 臺架滾動阻力系數隨車速變化曲線

3.4 驅動試驗

根據ECE 城市工況0～32 km/h段進行試驗，試驗過程中分別使用單電池和復合電源作為動力源完成 ECE 工況，對比二者電池能量的消耗情況。

串入9 V電容組成復合電源進行試驗，將試驗12 s從0加速到32 km/h后保持車速32 km/h勻速轉動24 s，記錄下整個過程中的相關數據，期間車速、超級電容電壓、蓄電池兩端電壓和主電路中的驅動電流隨時間變化情況如圖10所示。

圖10 加速過程電流電壓曲線

由圖10可以看出：電池電壓在驅動過程中有所下降，這是因為蓄電池存在著一定的內阻。在此過程中超級電容電壓從9 V下降到4.8 V，表明電容中的能量能夠很好地被利用到驅動之中。由于加速段所給加速信號大于勻速段加速信號，所以加速段電流大于勻速段電流。

將電池的輸出功率和復合電源總輸出功率隨時間的變化情況進行對比，如圖11所示。在0～12 s時間段，系統處于加速段，加速度較大，加速阻力功率大，12 s之后進入勻速段，加速度為0，只有滾動阻力功率，因此復合電源系統整體輸出功率隨車速先增加后減小。電池輸出功率始終小于復合電源總功率，初始階段相差較大，末期其值逐漸靠近，這是因為加速過程中超級電容輸出功率越來越小。

使用臺架的滾動阻力來模擬汽車的行駛阻力，用式(3)和車速等參數可以計算出滾動阻力所做的功，利用臺架動能的變化量表示加速阻力做的功。動力來源是電機的轉矩輸出，由電源電流電壓計算出動力源輸出能量，獲得如圖12所示的曲線，圖12(a)為串入9 V超級電容的復合電源驅動時的行駛阻力消耗能量和動力輸出能量，圖12(b)為單電池驅動時的行駛阻力消耗能量和動力輸出能量。其中電池和電源效率計算方法為：

(4)

式中：ηb和ηbc分別是電池效率和電源效率；Ef和Ep分別是滾動阻力和加速阻力消耗的能量(kW)；Eb和Ebc分別是電池輸出能量和復合電源輸出能量(kW)。

圖11 復合電源和電池功率曲線

圖12 兩種驅動模式輸出能量及效率

從圖12可以看出，在整個驅動過程中動能不斷增加，在0～12 s加速度較大，所以動能增加的速率較大，滾動阻力做功增加，復合電源所輸出的電能需要滿足動能與滾阻做功，因此復合電源需要不斷輸出電能。效率是系統能量轉化率的性能指標，加速初始工況不穩定，加速度和輸出電流較大，電源效率較小，隨著時間增加，效率均趨于穩定，圖中所示為穩定后的電源效率。

表1是單電池與復合電源試驗時的電源、電池、滾阻能耗與電池效率對比。

表1 驅動試驗的能量消耗與效率

試驗過程中，保持車速一致，單電池和串聯 9 V復合電源試驗中動能的增加量方分別為40.8、40.5 kJ，基本保持了一致，滾阻消耗能量增加了34.4、33.6 kJ，而電池的能量消耗分別增加了135和125 kJ。串聯9 V時系統的電池輸出能量降低，而相應的整體的電池效率得到提升，但從電池角度來看，電池能量輸出較少且電池效率增加，這是復合電源驅動的優勢。

4 結束語

介紹了串聯式復合電源的驅動模式及驅動過程中的電流流向，檢測超級電容電壓，選擇不同的驅動模式以避免能量的浪費。通過控制PWM信號的占空比可以很好地控制車速，獲得所需的車速變化曲線。

搭建串聯式復合電源驅動試驗臺架。基于臺架進行了復合電源驅動試驗并對試驗結果進行分析，可以發現：驅動過程中可以將超級電容中儲存的電能有效地用于電動汽車的驅動，表明串聯式復合電源可以有效地利用超級電容中儲存的能量，減少電池能量輸出，提高電池效率和車輛經濟性。