一種電動汽車用42V混合電源的研究*

尚鑫波

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一種電動汽車用42V混合電源的研究*

尚鑫波

（煙臺大學機電汽車工程學院，山東 煙臺 264005）

為了滿足電動汽車的發展需求，文章提出了一種由超級電容和可串并聯切換的蓄電池組組成的42V混合電源，蓄電池能量密度大，作為主能源提供車輛運行期間的能量需求，超級電容功率密度大，作為輔助能源提供瞬時大功率需求，充分發揮兩者優勢，能有效地延長蓄電池的使用壽命。所提出的42V混合電源既可以作為儲能元件驅動車輛行駛，又可以為電氣設備提供電能，而且可以根據負載額定電壓切換蓄電池連接方式，實現變壓供能，提高混合電源的能量利用率。

42V；混合電源；電動汽車；仿真

前言

隨著汽車技術的快速發展，人們對汽車的安全性及舒適性要求越來越高，各種各樣的電氣設備被應用到汽車上，傳統的14V電源已不能完全滿足系統需求。為了解決相應問題，需要通過提高汽車電源電壓來增加其功率輸出，42V作為下一代的標準化電源而受到關注[1]。42V電源是車載低壓電源的發展方向，既可以用于傳統燃油汽車，也可以用于新能源汽車。2001年日本豐田公司首次將42V電源成功應用到皇冠汽車上，并且實現量產。2008年上海華普汽車研發出了一款42V電壓并聯ISG的輕度混合動力汽車，并且首次使用超級電容做儲能元件，大大降低了整車成本，提高了燃油經濟性[2]。

蓄電池與超級電容組成的混合電源是車載電源的研究重點之一，既可以作為車輛的驅動電源，也可以作為電氣設備的供電電源。蓄電池具有較高的比能量，超級電容則具有較高比功率，兩者優勢互補，可以滿足電動汽車對比能量和比功率的雙重需求[3]。

1 42V混合電源結構

本文提出一種應用于電動汽車的42V混合電源，蓄電池作為能量存儲模塊為車輛提供電能，超級電容作為功率緩沖單元瞬時釋放功率，混合電源既可以直接輸出14V電壓，也可以通過DC-DC功率變換器升壓后輸出42V電壓，比較符合汽車電源的發展方向[4]。

42V混合電源結構如圖1所示，混合電源由2組可串并聯切換的蓄電池、1組超級電容和2個DC-DC功率變換器組成。超級電容通過DC-DC功率變換器和2組蓄電池連接，由超級電容和蓄電池組組成的混合電源通過DC-DC功率變換器和驅動電機或電氣設備連接，可以實現2種工作模式：14V輸出和42V輸出。

圖1 42V混合電源

2 42V混合電源工作模式

2.1 14V輸出模式

當驅動電機或電氣設備的額定電壓為14V時，混合電源工作于14V輸出模式。如圖2所示，S1、S2、S3斷開，兩組蓄電池并聯放電；V1、V2、V3、V4斷開，兩個DC-DC功率變換器均不工作，超級電容和蓄電池組并聯組成一個14V混合電源，直接為負載提供電能。

圖2 14V輸出模式

2.2 42V輸出模式

圖3 42V輸出模式

當驅動電機或電氣設備的額定電壓為42V時，混合電源工作于42V輸出模式。如圖3所示，S1、S3斷開，S2導通，兩組蓄電池串聯放電；V1、V3斷開，V2、V4由PWM信號控制，兩個DC-DC功率變換器工作于升壓狀態，超級電容升壓后和蓄電池組并聯組成一個28V混合電源，然后混合電源升壓至42V為負載提供電能。而且，兩個DC-DC功率變換器的升壓比都控制在理想的范圍內，提高了DC-DC功率變換器的效率[5]。

3 仿真研究

為了驗證所提出的42V混合電源的正確性和有效性，本文在MATLAB/Simulink環境中對其進行了仿真研究，仿真模型如圖4所示。仿真參數如下：設置蓄電池電壓為14V，容量為6.4Ah；超級電容電壓為14V，容量為200F；負載為永磁直流電機，0～0.4s時額定電壓為14V，0.4～1s時額定電壓為42V。

圖4(a) 整體仿真模型

圖4(b) 混合電源仿真模型

當42V混合電源向負載提供能量時，混合電源輸出端電壓和負載端電壓的變化曲線如圖5所示。0～0.4s時，負載參考電壓設置為14V，此時2組蓄電池并聯放電，混合電源中的DC-DC功率變換器不工作，混合電源輸出電壓為14V，直接為負載提供能量；0.4～1s時，負載參考電壓設置為42V，此時2組蓄電池串聯放電，混合電源中的DC-DC功率變換器工作于升壓模式，超級電容升壓后與蓄電池并聯放電，混合電源輸出電壓為28V，并經過二次升壓至42V后為負載提供能量。仿真結果證明了本文提出的42V混合電源中可串并聯切換的蓄電池組的可行性，而且該混合電源既可以提供14V電壓，也可以提供42V電壓，實現可變電壓供能。

圖5 混合電源輸出端電壓和負載端電壓變化曲線

混合電源電流變化曲線如圖6所示，混合電源總輸出電流為蓄電池輸出電流和超級電容輸出電流之和，蓄電池輸出電流較小且輸出平穩，超級電容承擔了大部分的總輸出電流，電流大小隨總電流大小的變化而變化，電流波動較大。仿真結果證明本文提出的42V混合電源可以防止蓄電池大電流放電，延長其使用壽命。

圖6 混合電源電流變化曲線

4 結論

本文提出的由超級電容和可串并聯切換的蓄電池組組成的42V混合電源具有以下優點：

（1）混合電源中加入可串并聯切換的蓄電池組可根據負載額定電壓輸出14V或42V電壓，實現可變電壓供能。

（2）混合電源中加入超級電容作為能量緩沖單元，可以承擔混合電源的大部分輸出電流，對蓄電池的功率輸出起到了削峰填谷的作用，大大延長了蓄電池的使用壽命。

[1] 賈要勤譯.汽車電源的42V化技術[M].北京:科學出版社,2008.

[2] 周夏威.42V混合動力汽車的動力系統仿真及特性分析[D].吉林大學,2015.

[3] 張衛,楊玨,張文明等.純電動汽車蓄電池-超級電容復合能源系統研究[J].電測與儀表,2018:1-10.

[4] 馬國清,叢寧,任桂周.一種混合動力汽車ISG系統用低壓復合電源[J].電源技術,2015,39(08):1719-1721+1789.

[5] 任桂周,常思勤.一種電動汽車能量高效回饋制動方法[J].電網技術,2011,35(01):164-169.

A design of 42V hybrid power source for electric vehicles*

Shang Xinbo

( College of Mechanical and Electrical Engineering, Yantai University, Shandong Yantai 264005 )

In order to meet the development needs of electric vehicles, a 42V hybrid power source consisting of Ultra- capacitor (UC) and series-parallel switchover battery banks is proposed in this paper. Battery which has high energy density as the main power source provides energy of the vehicle in driving operation. With high power density, UC as the auxiliary source provides instantaneous high power. The advantages of both are fully utilized, and battery life is effectively increased. The proposed 42V hybrid power source can be used as an energy storage component to drive vehicle, and can also provide energy for the electrical equipment, which can switch connection of two batteries according to the load voltage to realize the variable voltage energy supply and improve the energy utilization rate of the hybrid power source.

42V; Hybrid power source; Electric vehicles; Simulation

U469.72

A

1671-7988(2019)07-20-03

尚鑫波，碩士研究生，就讀于煙臺大學機電汽車工程學院。主要研究方向為新能源汽車能量變換和存儲技術。

煙臺大學研究生科技創新基金（編號YDYB1801）資助。

U469.72

A

1671-7988(2019)07-20-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.005